[发明专利]一种模拟钻井工况的多冲断裂韧性测试方法及装置

说明书

技术领域

本发明涉及模拟钻井工况的钻柱材料多冲断裂韧性测试方法及装置。

背景技术

钻柱在钻井过程中产生裂纹是难以避免的。通过对目前钻井工况分析，造成井下钻柱裂纹扩展的原因主要是钻柱振动，其振动特点为：单次冲击载荷值不大，但多次累积能量对钻柱失效的贡献大。因此正确评价低载荷、多次冲击载荷对钻柱裂纹的作用机理，研究低载荷、多次冲击断裂韧性与钻柱材料力学特性的相关性，需要建立一种测试钻柱材料在钻井液作用下的低载荷、多次冲击断裂韧性测试方法，设计一种测试钻柱材料在钻井液作用下的低载荷、多次冲击断裂韧性测试设备，对研究钻柱断裂失效机理有很大的意义。

目前，动态断裂韧性研究中的多冲断裂实验设备基本上是采用活塞式冲击锤。进行冲击实验时，冲击锤上下运动锤击试件，以试件断裂时所吸收的能量来衡量材料的断裂性能。试件的断裂能量由锤头每次撞击试样后能量的变化累加得到。该多冲实验设备的优点在于实验精度高，能够较好地测试材料的多冲动态断裂韧性。

然而，在对于钻柱相关材料的实验过程中，现有多冲断裂韧性测试方法存在以下问题：

(1)现有的实验装置无法模拟钻井工况下的井下环境，使得实验结果不能准确的反映井下特殊环境中尤其是钻井液作用下材料的多冲断裂韧性；

(2)由于多冲断裂测试时间长，活塞式冲击锤在实验过程中承受了极大的工作强度，容易造成损坏；

(3)现有的实验装置系统较为复杂、设备购置成本高、后期维护保养要求高。

因此，发明一种可以模拟钻井工况、结构简单、维修保养容易的多冲断裂韧性测试装置，是十分必要的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种模拟钻井工况下的多冲断裂韧性测试方法及装置，以解决目前材料多冲断裂韧性测试方法无法模拟钻井工况、进行符合钻柱振动特点的低载荷多冲测试的技术难题，并在达到上述目的的同时，简化系统复杂性，降低设备成本。

本发明采用以下技术方案：一种模拟钻井工况的钻柱材料多冲断裂韧性测试方法，其特点是：利用旋转体的旋转特性，使固定在旋转体外缘的试件，以一定的周期打击旋转体外与旋转体邻近的砧板，以达到进行符合钻柱振动特点的低载荷多冲断裂韧性测试的目的。

为使用上述方法，本发明提供一种模拟钻井工况的多冲断裂韧性测试装置，主要包括：底座、调速电机、传动装置、泥浆槽、砧板、旋转主盘、试件座。调速电机固定在底座上；旋转主盘置于泥浆槽内，动力通过传动装置驱动旋转主盘转动；试件座用销轴固定在旋转主盘上；泥浆槽固定在支架上，泥浆槽内邻近旋转主盘的外缘面部位固定砧板。

当旋转主盘转动时，被固定在试件座上的试件突出于旋转主盘外沿，即可打击砧板，每转动一圈，打击砧板一次。试件打击砧板后，试件座以销轴为中心向旋转主盘旋转的反方向旋转至橡胶塞位置，使试件不再突出于旋转主盘外沿，从而使旋转主盘继续转动。试件座靠近旋转主盘中心一侧处安装一橡胶塞，用以限定试件座以销轴为中心的转动幅度，并利用其弹性和旋转主盘做圆周运动产生的离心力，使试件座在经过砧板后回到试件打击砧板前的位置。

与现有测试装置相比，本发明具有以下优点：

(1)根据实验目的，泥浆槽内可注入不同钻井液，用于模拟钻井工况下的井下环境，从而使得测试结果更贴近钻井工况下的真实情况；

(2)利用旋转体的旋转特性，通过调整旋转主盘的转动速度，可以控制试件以某一频率及冲击载荷打击砧板，从而达到控制冲击能量的目的。通过能量的累积计算出试件断裂的冲击韧性，能够准确地反映出材料动态断裂的真实行为，进而保证了测试精度；

(3)装置结构简单，价格低廉，后期维护保养容易。

附图说明

图1为测试装置示意图之主视图。

图2为测试装置示意图之俯视图。

图3为试件座示意图之主视图。

图4为试件座示意图之侧视图。

图5为试件示意图。

图6为试件打击砧板之前的示意图。

图7为试件打击砧板之后的示意图。

具体实施方式

本发明利用旋转体的旋转特性，使固定在旋转体外缘的试件以一定的周期打击旋转体外与旋转体相邻的砧板，以达到符合钻柱振动特点的低载荷多冲断裂韧性测试实验的目的。