应力波作用下钻具表面三维裂纹的动态扩展研究

以空气钻井中钻具断裂的实际问题为背景，研究钻井工况下钻柱在井底激励、井筒弹性约束、钻柱内外流体三方面耦合作用的非线性动力响应；以钻柱外表面的横向半椭圆形表面裂纹为裂纹形态，研究在非线性耦合振动作用下裂纹的稳定扩展规律和疲劳寿命；研究在横向冲击应力波、扭转冲击应力波和纵向冲击应力波作用下，钻柱外表面裂纹的动态应力强度因子。将研究结果与传统的泥浆钻井相比较，探求空气钻井中钻具断裂事故高发的机理，并将钻柱断裂寿命的影响因素还原为钻柱的结构组合、钻井参数等，给出减少钻具断裂的途径。.研究成果不但可以为空气钻井中钻具断裂问题提供理论依据和应对方案，同时对复杂边界条件下钻柱的非线性耦合动力响应、圆柱壳外表面横向半椭圆形表面裂纹的疲劳及动态断裂力学性能的研究都具有重要的科学意义。

以钻井作业中钻具断裂的工程问题为背景，在钻头与井底互作用模型的基础上模拟了钻柱的粘滑振动以及轴向周期激励引起的钻柱横向参数共振；研究了钻柱轴向激励、扭转激励和横向撞击作用下钻柱的振动以及应力波的传播，结合工程录井资料确定钻井作业中钻柱的载荷边界条件。试验测取了钻柱材料的断裂韧性，利用红外线摄像仪、声发射仪、CCD相机等对钻柱材料在塑性变形和断裂过程中释放出的声、热能量进行了测量与分析。将钻柱表面损伤简化为横向半椭圆表面裂纹，研究了含裂纹钻柱在各种井况、作业工况、井深位置处静载荷作用下的静态断裂性能，给出表面浅裂纹横向扩展直至钻柱断裂全过程的裂纹形状演化、各种载荷波动对裂纹扩展速度的影响以及塑性变形对裂纹扩展的贡献；将钻柱在钻井作业工程中遇到的各种冲击波归纳为来自于井口的拉伸冲击、井底蹩钻引起的扭转冲击和偏心冲压、钻柱撞击井壁引起的横向冲击，获得含有横向半椭圆表面裂纹的钻柱在各种冲击波作用下的动态断裂性能，为科学评价钻柱工作的可靠性提供了理论依据。