[发明专利]一种基于裂纹密度的渗硼层/铸铁基体球座界面结合强度的表征评价方法

说明书

技术领域

本发明属于油气开采工程应用领域，涉及水平井多级滑套压裂工艺中的井下球座，具体涉 及一种基于裂纹密度的渗硼层/铸铁基体球座界面结合强度的表征评价方法。

背景技术

油气储层改造技术中常用到的水平井多级滑套压裂工艺中，球座渗层质量对压裂工艺效果 有直接的关系。工程实际中，渗层/基体材料典型的失效模式为渗层在基体上的剥落，其原因 是渗层与基体的界面开裂。渗层材料的寿命决定整个构件的寿命，因此，渗层/基体服役性能 依赖于二者之间界面结合强度。在相同的外界载荷下，界面结合强度越高、韧性越好，抵抗界 面裂纹产生和扩展的能力越强，延迟渗层从基体上剥落，最终延长工件的服役寿命。因此，表 征渗层/基体材料界面结合强度显得十分重要。

目前，对于硬化渗硼层/球墨铸铁基体球座，由于渗硼层的弹性模量远大于球墨铸铁基体， 属于脆性/韧性材料体系。其界面结合力，主要从基于应力的角度，即渗层从基体上剥落时单 位面积所需要的力(结合强度)进行表征评价，包括界面拉伸强度、剪切强度。不论是采用拉 伸法、剪切法或弯曲法，理想地测量出渗层/基体材料界面结合强度，应至少满足两个条件： 一是要有合理的反映渗层从基体剥离时的良好力学模型；二是要能够准确地测量出有关反映界 面结合性能的力学参量。如弯曲法，在测量Al₂O₃陶瓷涂层/铝合金基体界面结合强度时，采用 悬臂梁模型+声发射仪器。可见，测量准确性受限于建立的模型适用性、仪器设备的精度，过 程复杂、操作难度大，尤其是对于工程中大量使用的结构工件更是突出。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于裂纹密度的渗硼层/铸铁基体球座界面结合强度的表征评 价方法，该方法操作简单，便于对油气开采中水平井滑套分段压裂工艺中滑套、球座等井下工 具渗层界面结合强度进行评价。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种基于裂纹密度的渗硼层/铸铁基体球座界面结合强度的表征评价方法，该方法基于三 点弯曲加载过程中渗硼层的损伤裂纹密度的变化，通过在不同的渗硼层/铸铁基体球座试样上 施加一系列弯曲压缩载荷，测量不同弯曲压缩载荷下试样的渗硼层的损伤裂纹密度，建立三点 弯曲压缩载荷-损伤裂纹密度的关系曲线，得到渗硼层从球墨铸铁基体脱落的临界弯曲压缩载 荷，表征渗硼层/铸铁基体球座界面的结合强度。

该方法具体包括以下步骤：

1)截取渗硼层/铸铁基体球座样品，并将其加工成一系列的三点弯曲加载试样；

2)在三点弯曲试验机上分别对一系列的三点弯曲加载试样施加不同的弯曲压缩载荷；

3)对完成弯曲压缩载荷加载的三点弯曲加载试样的渗硼层内表面进行显微观察；

4)统计不同弯曲压缩载荷下三点弯曲加载试样渗硼层内表面的损伤裂纹密度；

5)拟合数据并绘制出弯曲压缩载荷-损伤裂纹密度的关系曲线，建立出弯曲压缩载荷-损 伤裂纹密度的定量关系，弯曲压缩载荷-损伤裂纹密度的关系曲线的拐点即为三点弯曲加载试 样所能承受的临界弯曲压缩载荷，该临界弯曲压缩载荷即表征渗硼层/铸铁基体球座界面的临 界界面结合强度；

6)用临界界面结合强度评价实际工况下的渗硼层/铸铁基体球座界面结合强度，若实际工 况下的渗硼层/铸铁基体球座承受的弯曲压缩载荷小于临界弯曲压缩载荷，则该工况下渗硼层/ 铸铁基体球座界面结合强度良好，能够在该工况下正常服役；若实际工况下的渗硼层/铸铁基 体球座承受的弯曲压缩载荷大于等于临界弯曲压缩载荷，则该工况下渗硼层/铸铁基体球座界 面结合强度差，不能在该工况下正常服役。

该方法的适用对象为硬化渗硼层/球墨铸铁基体材料体系。

所述步骤2)进行前先将三点弯曲加载试样的渗硼层表面清洗干净。

所述步骤2)中在三点弯曲试验机上对三点弯曲加载试样施加弯曲压缩载荷时，三点弯曲 加载试样的加载方式为内表面的渗硼层向下、铸铁基体向上。

所述步骤2)中进行弯曲压缩载荷加载的三点弯曲加载试样的数量大于等于3个。

所述步骤4)中三点弯曲加载试样渗硼层内表面的损伤裂纹密度为该试样在三点弯曲试验 机的压缩头下方位置处单位面积内的裂纹数量。

相对于现有技术，本发明的有益效果为：