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    海默科技首席顧問兼研究院院長鄭子瓊博士第九屆中國頁巖氣發展大會現場發言(下)——新型長壽命碳鋼液力端材料

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      上一講我們談到了頁巖油氣的發展速度主要借助于水平井技術和分段壓裂技術的應用。水平井的長度從幾百米到了近6千米,而壓裂也從幾段到了60多段,理論上如果不考慮回報率的話還可以更加多的段數。而壓裂我們一般講的是將壓裂液(水、油、二氧化碳等都可以)預先加壓后打入油氣井,使其在井下設計壓裂的地方形成更高壓,進而將地層壓裂,形成主裂縫以及周邊大家常說的體積裂縫。為了使得壓裂液能夠成功攜帶大量砂粒打入裂縫成為支撐“劑”(媒介),以及賦予壓裂液其他功能如酸化地層、增大流動性、減少摩阻等功能,壓裂液中會有各種不同的化學添加劑放入。

      壓裂車就是用來將壓裂液從地表的壓力增加到可以使地層破裂的壓力并將壓裂液送到地下需要壓裂地層的工具。車上的動力端在柴油機或者電的驅動下帶動安置在液力端里的柱塞運動,在液力端內將壓裂液吸入,加壓再泵出壓裂管匯。壓裂管匯匯集多輛壓裂車排出的高壓壓裂液,一起送到井內實施壓裂施工。因此液力端的內腔要承受從壓裂液被吸入時的大氣壓力到壓裂所需高壓的壓力變化。這個加壓過程是在幾百毫秒內完成的,因此液力端內腔一直處于快速大幅度加載卸載的周期載荷。這種受力狀態被稱為應力疲勞載荷,這會使在材料表面的微小瑕疵逐漸擴展形成半圓裂縫最終擴展到材料另外一個表面,成為毀滅性破壞。壓裂液中攜帶的各種化學藥劑包括酸,以及高速運動的支撐劑會加速這些小型裂縫的擴展速度,造成液力端在工作幾百個工作小時后就形成較大裂縫而不能繼續使用。

      我們做過很多液力端壽命分析,發現液力端的破壞基本上都是在相貫線表面形成小型裂縫后,裂縫逐漸向液力端體內擴展造成的最終破壞。若要提高液力端壽命,在設法杜絕表面瑕疵的同時還要提高材料抗裂縫擴展的性能,即斷裂韌性的提高。北美已有近7成的液力端材料換成了不銹鋼,主要原因就是不銹鋼的斷裂韌性非常高,又抗腐蝕。但是不銹鋼的成本也會高出很多。在既提高材料抗破裂能力又不大幅度提高材料成本的想法驅動下,海默科技與材料專家合作研發了一種新型長壽命碳合金鋼液力端材料。此文作一簡單介紹。

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      上圖中顯示一般液力端的破壞是從相貫線開始的,往往是小型裂縫出現后在周期性疲勞應力以及酸化作用下逐漸擴展造成最終破壞。我們研發新材料的主要精力集中于在抗拉強度不減少的條件下提高其斷裂韌性。通過近兩年的研發,我們得到了這種新碳合金鋼材料 [下圖]。這種材料的抗拉強度和屈服強度比現有的4330碳鋼略有提高,但斷裂韌性卻提高了一倍以上。雖然斷裂韌性與不銹鋼不相上下,但成本卻比不銹鋼低很多。

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      下圖是一個X光電子掃描分析,上面的兩張照片是4330碳鋼,下面是新的合金碳鋼,大家看到新材料均勻度要好很多。

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      上圖顯示在4330這種材料里面幾乎檢測不到奧氏體殘余量,而兩種新開發的碳合金鋼里面奧氏體殘余含量可以達到17%以上。這種奧氏體提高了材料抗腐蝕的能力,同時也提高了其抗裂縫擴展的能力。

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      上圖是裂紋腐蝕擴展(在裂縫受到拉伸應力的工況下放入腐蝕液體,觀察并計量在各種時間時裂縫的長度)的試驗,上面的是新材料,下面的是4330材料。在固定的應力環境和同樣的邊界條件情況下,上面材料裂紋只擴展到2.75mm,而下面的擴展到了3.15mm。這些微小差距所帶來的壽命長短相差極大。

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      上圖是應力腐蝕實驗結果的集成匯總。取決于實驗的邊界條件,如若裂縫擴展實驗是在固定裂縫開口條件下進行的,裂縫將會在開始時擴展較快。在裂縫尖端距離縫口越來越遠時,裂縫擴展速度越來越低最終停止或者到了擴展速度可以忽略的條件??赏ㄟ^這種試驗來對比不同材料的抗裂縫擴展能力。上圖顯示010CY碳合金鋼初始擴展速度最低,而且一直以大大低于4330碳鋼的裂縫擴展速度。因此是一個高性能材料。

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      上圖是新研發的兩種碳合金鋼材料與現有的4330碳鋼力學性能對比。這些數據證明010CY碳合金鋼是一個高性能材料。目前使用這種新材料造出的液力端已經在現場進行試驗使用。以目前使用的結果看,在與原碳鋼液力端相同的使用條件下比較,已經比原碳鋼液力端壽命提升了50%以上,而且還在繼續使用。

      根據目前的試用結果,這種材料所帶來的性價比已經高于4330碳鋼。我們希望能夠通過使用新材料使液力端壽命大大提高,而在成本方面只有很小的提高,為我們的客戶提供提高的使用價值。


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