随着油气井深度增加,井下苛刻的服役工况和受力特点对材料提出了新的要求和挑战。高强度钢正是在深井和超深井中推广使用的一种套管和钻杆材料。现场实践表明,随着钢的强度提高,环境敏感断裂倾向性增加,导致高强度钢抵抗环境敏感断裂的能力呈现下降的趋势。因此,对高强度钢环境敏感断裂性能的研究是有效保障高强度套管和钻杆在服役过程中的安全性和结构完整性的途径之一。基于断裂力学和应力腐蚀开裂理论,本文对高强度套管的断裂韧度局c和抗环境敏感断裂韧度KISCC的求取进行了研究。采用慢拉伸、恒载荷和四点弯等众多的应力腐蚀试验方法,评价了高强度钢材料在有机盐钻井液服役环境下的环境断裂敏感性,对应力腐蚀机理进行了探讨。通过引入K-R阻力曲线,研究了高强度钢在不同温度下的裂纹扩展特征。采用带缺口试样,对比分析了不同生产工艺的两种高强度钢在有机盐钻井液环境下的环境断裂敏感性,为研发抵抗应力腐蚀开裂的高强度钢材料提供实验依据。本文主要研究成果如下：(1)采用三点弯、四点弯、紧凑CT、双悬臂梁DCB、圆棒、带单边裂纹板状和带双侧裂纹板状等7种测试方法对140-2高强度套管材料的平面应变断裂韧度KIc进行测试,并给出了测试结果。在对各种测试方法对比分析的基础上,给出了局c值选取的流程和方法,有效解决了受套管和钻杆壁厚限制所带来的难题。推荐平面应变断裂韧度(KIc)值取133.94MPa·m1/2。(2)模拟温度150℃、压力30MPa下的有机盐钻井液介质环境,采用带缺口的三点弯曲试样法和带预制裂纹的双悬臂梁DCB试样法对140-2高强度套管材料的环境临界断裂韧性(KISCC)进行了测试。三点弯曲试样缺口表面的微观形貌并未发现裂纹。预制裂纹的双悬臂梁DCB试样韧性无明显损伤,力学指标参数值无明显变化。推荐环境临界断裂韧度(KISCC)值取131.19MPa.m1/2。(3)使用CORTEST制造的型号为LF-100-201-V-304的高温高压慢拉伸实验机,模拟60*C、100-C和150*C温度和30MPa压力下的空气、环空保护液和有机盐钻井液工况环境,对140-2高强度套管材料进行了慢拉伸(SSRT)试验。实验结果表明,在三种环境介质下,随温度的升高,应力腐蚀开裂的倾向性增大,且F(盯)比F(回增大的趋势更显著。在有机盐钻井液介质中应力腐蚀敏感指数最大为9.66%,远小于25%,表明在模拟的三种工作液介质工况下的140-2材料没有明显的应力腐蚀开裂倾向,为安全区。(4)使用实验室的70Mpa、300-C动态循环多相流高温高压釜,应力加载等级为80%名义屈服强度,模拟温度100℃、150℃和压力30MPa有机盐钻井液工况环境,对165-1高强度钻杆钢进行了恒载荷应力腐蚀试验。实验结果表明,不存在应力腐蚀开裂问题。结合扫描电镜(SEM)分析技术,可以看出断口形貌以韧窝为主,呈韧性断裂特征,未发生脆性开裂裂纹源,不存在陈旧应力腐蚀裂纹。与空气直接拉伸数据相比,随温度的升高,在模拟工况下的试样抗拉强度呈下降趋势,断后延伸率均呈上升趋势,但是力学性能几乎不存在损伤。(5)模拟温度150℃、压力30MPa下的有机盐钻井液工况环境,应力加载等级分别为80%和100%名义屈服强度,采用恒变形四点弯应力腐蚀试验研究了165-2高强度钻杆钢在有机盐钻井液环境中的应力腐蚀机理、腐蚀产物形貌和组成。研究表明,165-2高强度钢试样在两种情况下均发现了明显的点蚀坑。裂纹易于由腐蚀坑小孔诱发,破裂机理为Cr主导的阳极溶解型SCC。试样表面存在腐蚀坑。腐蚀产物的能谱分析中硫元素和氯元素的含量偏高,其中氯离子引发了裂纹源并促进腐蚀的进行,硫化物的毒化作用加速了腐蚀裂纹的扩展。(6)采用ZBC2302-D型示波冲击试验机,获得了不同温度下165-2高强度钻杆钢断裂过程中的力-位移曲线。研究发现施力点位移S与裂纹扩展量幽具有很好的二次函数关系。通过引入K-R阻力曲线,得到了冲击试样的裂纹扩展量血和阻抗应力强度因子KR之间的关系曲线。从断裂力学角度揭示了高强度钢裂纹扩展特征,克服了目前工程上广泛采用冲击功来定性评价油井管材料断裂韧性的缺陷。(7)模拟温度100-C、150℃和压力30MPa有机盐钻井液工况环境,采用带缺口试样,对140-1和140-2高强度套管钢进行了恒载荷应力腐蚀试验。试验结果表明,140-2较140-1在恒载荷应力腐蚀试验中表现出更优异的力学性能,具有更好的抵抗环境敏感开裂的能力。可以看出,化学元素优化设计有利于提高综合性能和降低环境断裂敏感性。通过试验,评价了高强度钢在有机盐钻井液中发生应力腐蚀开裂的敏感程度,并对应力腐蚀机理进行了探讨,以及对不同的断裂韧度测试方法和应力腐蚀开裂评价方法获得了一些认识,对于解决高强度套管和钻杆在有机盐钻井液的环境敏感断裂问题具有重要的理论和应用价值。