钻井环节是石油钻井工程中的重要阶段,而钻杆则在该环节中扮演了非常重要的角色。钻杆在实际工况中承受着复杂的交变应力,这种作用载荷常常是小能量的多次重复冲击载荷,钻杆承受这种载荷作用的力学性能常被称作多冲性能。目前的石油行业标准中并没有明确指出这种性能的评价指标,而且这种性能通常也较其他力学性能难测。多次重复冲击载荷与静疲劳以及夏比冲击载荷不同,它是多数构件在实际工作中所承受的载荷类型,是二者之间的桥梁。材料的诸多性能简单易测,若能用这些易测的性能来表征和预测材料的多冲性能,则可定量地对其进行评价。本文利用课题组自主研发的多冲断裂疲劳试验机和相应的测试方法,对G105、S135、V150和165四种钢级的钻杆材料的多冲性能进行了大量测试,通过一定的数学方法建立了用基本理化性能来评价多冲性能的评价预测模型;并总结对比了各材料的多冲性能变化规律,还利用多种微观观察手段对破断试样的晶体内部变化进行了分析,得到了一些有用的结论,并求解了各钻杆不发生多冲断裂的临界转速;也对氯化钠溶液浸泡后的试样进行了多冲性能测试,并得到相关规律。本文的主要工作和成果如下:(1)对四种钻杆材料的基本理化性能进行了测试:拉伸性能测试、摆锤冲击测试、硬度测试、金相分析、示波冲击测试;对它们的多冲性能进行了测试。分析了各材料之间的性能差异,强度最高的165钻杆在一定的单次冲击能量范围内的多冲性能最优,但超过某值后性能快速下降。(2)分析了各基本理化性能与多冲性能的相关性,筛选出了显著性指标体系,并利用该体系基于灰色预测模型GM(1,n)建立了多冲性能的评价预测模型。模型通过了t检验,预测效果较好。该模型对钻井工程实际工况下选材提供了非常好的参考依据。(3)分析了常态(大气环境常温、常压)下四种钻杆材料的低载多冲破断规律,并求解了各钻杆的临界转速。通过EBSD测试发现多冲断裂后的试样晶粒变细,晶粒取向发生了变化;通过TEM测试结果发现多冲断口附近存在大量位错,位错相互作用并发生缠结,在晶粒内部形成了细小的亚晶,这一点与EBSD测试结果相符。因此,多冲载荷作用致使材料内部发生了一系列的变化,从而导致多冲性能不同于夏比冲击。根据理论推导与实验数据,分别求解了各材料不发生断裂的临界转速,G105、S135、V150、165的临界转速理论值分别为68r/min、77r/min、85r/min、95r/min,实验值分别为61r/min、68r/min、77r/min、81r/min,两者的相对误差均不超过15%。(4)钻杆发生腐蚀的环境多为钻井液,大部分钻井液中含有NaCl,因此本文研究了四种钻杆材料在3.5%NaCl溶液中腐蚀浸泡后的低载多冲性能,得到了四种钻杆材料在该环境下的多冲性能变化规律与差异,同时对断面进行微观形貌观察,并分析了该腐蚀环境对钻杆材料低载多冲性能的影响规律,腐蚀造成材料多冲后的脆性倾向增大。