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龙8官方网站科技首席顾问兼研究院院长郑子琼博士第九届中国页岩气发展大会现场发言(下)——新型长寿命碳钢液力端材料

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  上一讲我们谈到了页岩油气的发展速度主要借助于水平井技术和分段压裂技术的应用。水平井的长度从几百米到了近6千米,而压裂也从几段到了60多段,理论上如果不考虑回报率的话还可以更加多的段数。而压裂我们一般讲的是将压裂液(水、油、二氧化碳等都可以)预先加压后打入油气井,使其在井下设计压裂的地方形成更高压,进而将地层压裂,形成主裂缝以及周边大家常说的体积裂缝。为了使得压裂液能够成功携带大量砂粒打入裂缝成为支撑“剂”(媒介),以及赋予压裂液其他功能如酸化地层、增大流动性、减少摩阻等功能,压裂液中会有各种不同的化学添加剂放入。

  压裂车就是用来将压裂液从地表的压力增加到可以使地层破裂的压力并将压裂液送到地下需要压裂地层的工具。车上的动力端在柴油机或者电的驱动下带动安置在液力端里的柱塞运动,在液力端内将压裂液吸入,加压再泵出压裂管汇。压裂管汇汇集多辆压裂车排出的高压压裂液,一起送到井内实施压裂施工。因此液力端的内腔要承受从压裂液被吸入时的大气压力到压裂所需高压的压力变化。这个加压过程是在几百毫秒内完成的,因此液力端内腔一直处于快速大幅度加载卸载的周期载荷。这种受力状态被称为应力疲劳载荷,这会使在材料表面的微小瑕疵逐渐扩展形成半圆裂缝最终扩展到材料另外一个表面,成为毁灭性破坏。压裂液中携带的各种化学药剂包括酸,以及高速运动的支撑剂会加速这些小型裂缝的扩展速度,造成液力端在工作几百个工作小时后就形成较大裂缝而不能继续使用。

  我们做过很多液力端寿命分析,发现液力端的破坏基本上都是在相贯线表面形成小型裂缝后,裂缝逐渐向液力端体内扩展造成的最终破坏。若要提高液力端寿命,在设法杜绝表面瑕疵的同时还要提高材料抗裂缝扩展的性能,即断裂韧性的提高。北美已有近7成的液力端材料换成了不锈钢,主要原因就是不锈钢的断裂韧性非常高,又抗腐蚀。但是不锈钢的成本也会高出很多。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驱动下,龙8官方网站科技与材料专家合作研发了一种新型长寿命碳合金钢液力端材料。此文作一简单介绍。

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  上图中显示一般液力端的破坏是从相贯线开始的,往往是小型裂缝出现后在周期性疲劳应力以及酸化作用下逐渐扩展造成最终破坏。我们研发新材料的主要精力集中于在抗拉强度不减少的条件下提高其断裂韧性。通过近两年的研发,我们得到了这种新碳合金钢材料 [下图]。这种材料的抗拉强度和屈服强度比现有的4330碳钢略有提高,但断裂韧性却提高了一倍以上。虽然断裂韧性与不锈钢不相上下,但成本却比不锈钢低很多。

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  下图是一个X光电子扫描分析,上面的两张照片是4330碳钢,下面是新的合金碳钢,大家看到新材料均匀度要好很多。

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  上图显示在4330这种材料里面几乎检测不到奥氏体残余量,而两种新开发的碳合金钢里面奥氏体残余含量可以达到17%以上。这种奥氏体提高了材料抗腐蚀的能力,同时也提高了其抗裂缝扩展的能力。

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  上图是裂纹腐蚀扩展(在裂缝受到拉伸应力的工况下放入腐蚀液体,观察并计量在各种时间时裂缝的长度)的试验,上面的是新材料,下面的是4330材料。在固定的应力环境和同样的边界条件情况下,上面材料裂纹只扩展到2.75mm,而下面的扩展到了3.15mm。这些微小差距所带来的寿命长短相差极大。

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  上图是应力腐蚀实验结果的集成汇总。取决于实验的边界条件,如若裂缝扩展实验是在固定裂缝开口条件下进行的,裂缝将会在开始时扩展较快。在裂缝尖端距离缝口越来越远时,裂缝扩展速度越来越低最终停止或者到了扩展速度可以忽略的条件。可通过这种试验来对比不同材料的抗裂缝扩展能力。上图显示010CY碳合金钢初始扩展速度最低,而且一直以大大低于4330碳钢的裂缝扩展速度。因此是一个高性能材料。

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  上图是新研发的两种碳合金钢材料与现有的4330碳钢力学性能对比。这些数据证明010CY碳合金钢是一个高性能材料。目前使用这种新材料造出的液力端已经在现场进行试验使用。以目前使用的结果看,在与原碳钢液力端相同的使用条件下比较,已经比原碳钢液力端寿命提升了50%以上,而且还在继续使用。

  根据目前的试用结果,这种材料所带来的性价比已经高于4330碳钢。我们希望能够通过使用新材料使液力端寿命大大提高,而在成本方面只有很小的提高,为www.long81314.com的客户 提供提高的使用价值。


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