[发明专利]评价测井钢丝抗应力腐蚀开裂性能的模拟试验装置及方法

说明书

本发明公开了一种评价测井钢丝抗应力腐蚀开裂性能的模拟试验装置及方法，包括固定加载系统、腐蚀系统、试样夹持系统和计算机处理系统；固定加载系统包括微机控制电子万能试验机、调节支架、上下万向轴、上下拉杆；腐蚀系统包括腐蚀容器、进出气管、进气调节阀和压力表；试样夹持系统包括上下夹具和上下密封器。通过将带有待测钢丝的上下夹具穿过腐蚀容器上下密封器并连接在上下拉杆上；对待测钢丝施加预应力，配置模拟腐蚀环境、调节试验条件、设定试验载荷进行加载试验。该装置安装简易方便，具有控温、控压功能，可模拟井下高温高压环境，保障了抗应力腐蚀开裂性能研究的准确性和真实性。

技术领域

本发明属于石油测井材料性能测试领域，具体为一种评价测井钢丝抗应力腐蚀开裂性能的模拟试验装置及方法。

背景技术

在石油天然气行业的勘探、钻井和开采过程中，需要利用多种测井仪器对油气井内各项技术参数进行测量和监控，测井钢丝则是吊装测井仪器的重要承载元件，其通常采用单根作业，对材料的性能有着较高要求。近年来，随着超深、超高温、超高腐蚀苛刻环境油气井的勘探开发，测井钢丝在井下作业中常受到H₂S、CO₂、Cl^-等强腐蚀介质腐蚀，极易发生腐蚀破坏，严重威胁测井作业安全，影响油气田正常生产运营。应力腐蚀开裂是拉应力与腐蚀共同作用的结果，相比其它形式的腐蚀破坏，应力腐蚀开裂裂纹扩展速度快、断裂具有突发性，危险系数最高。测井钢丝长度与井深相当，测井仪器重量和自重使其承受较大拉伸载荷；同时，测井钢丝经冷拉成型，抗拉强度最高可达1600MPa，从而导致应力腐蚀开裂敏感性相对较高。相关调研表明，在我国超深、超高温、超高腐蚀“三超”油气田测井钢丝失效事故中，应力腐蚀开裂已成为最常见的失效形式之一。

针对上述情况，需要对测井钢丝的抗应力腐蚀开裂性能进行检测评价，尤其是拉伸载荷的应力腐蚀开裂试验。NACE Standard TM0177-2005《H₂S环境中金属抗硫化物应力腐蚀开裂和应力腐蚀开裂的室内试验》和GB/T4157-2006《金属在硫化氢环境中抗特殊形式环境开裂实验室试验》中均对的标准拉伸试验(方法A)进行规定，说明了持久/恒定拉伸载荷应力腐蚀开裂试验的试样规格和试验方法。专利公开号为CN 104483255 A、专利名称为“一种应力作用下钢丝加速锈蚀试验装置和试验方法”的中国专利介绍了一种钢丝应力腐蚀试验的方法，通过砝码对钢丝施加恒定拉伸载荷实现不同腐蚀环境下处于不同应力状态和不同锈蚀形态的预应力筋的耐久性研究。然而由于测井钢丝受力的复杂性及尺寸限制，若参考上述方法进行试验，主要存在以下问题及难点：

(1)目前拉伸载荷应力腐蚀开裂试验采用持久/恒定轴向拉伸应力，应力加载装置主要为应力环和恒定载荷试验机。然而一般情况下，测井钢丝在井下作业过程中并不完全承受持久/恒定拉伸载荷，如机械清蜡作业时，钢丝会随着刮片与井壁的摩擦产生受力变化；测井钢丝井下遇阻时，绞车的提拉速度会导致钢丝载荷及应变速率发生改变等等。此外，测井钢丝的承载能力也受随腐蚀介质作用影响，但现有试验设备采用的持久/恒定轴向加载方式并不能对变载荷状态进行模拟。

(2)测井钢丝常用规格为Φ1.8～3.2mm，钢丝直径过小，不满足上述标准对试样的加工尺寸要求。若直接对全尺寸测井钢丝进行夹持，夹持部位易造成应力集中发生断裂而无法获得准确试验数据，现有应力腐蚀开裂试验容器的密封圈也难以对小尺寸钢丝试样进行有效密封。

(3)测井钢丝服役温度会随作业深度发生改变，现有设备多在常温下试验或仅能进行恒定温度参数设定，难以与实际工况相匹配。

测井钢丝材料特殊，特别是高性能不锈测井钢丝长期被国外垄断，尚未完全国产化，模拟测井钢丝在井下环境中的应力腐蚀开裂试验装置及方法还未见报道，目前国内外也暂无测井钢丝统一行业标准。因此，迫切需要开发一种可实现测井钢丝应力腐蚀开裂试验的装置，得以进行评价测井钢丝在实际受力与井下环境中的抗应力腐蚀性能，促进高性能测井钢丝产品的研发。

发明内容