J55、N80油管在CO2干法壓裂環(huán)境中的適應(yīng)性

余曦

中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司研究中心

J55、N80油管在CO2干法壓裂環(huán)境中的適應(yīng)性

余曦

中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司研究中心

引用格式：余曦. J55、N80油管在CO2干法壓裂環(huán)境中的適應(yīng)性［J］.石油鉆采工藝，2016，38（4）：479-482.

CO2干法壓裂施工過(guò)程中，CO2處于超臨界低溫狀態(tài)，對(duì)壓裂管柱冷卻效應(yīng)明顯，因此對(duì)壓裂管柱的性能要求更高。結(jié)合CO2干法壓裂的技術(shù)原理和特點(diǎn)，借鑒ASTM標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)展了2種不同鋼級(jí)的油管試樣的冷處理力學(xué)性能的試驗(yàn)分析。結(jié)果表明，在-60 ℃拉伸試驗(yàn)中2種鋼級(jí)管材試樣均未達(dá)到脆韌轉(zhuǎn)變的臨界點(diǎn)；在-60 ～ -20 ℃沖擊試驗(yàn)中，J55油管試樣有明顯變脆趨勢(shì)，而N80油管試樣未出現(xiàn)此現(xiàn)象。因此，N80油管滿足CO2干法壓裂低溫改造技術(shù)安全性能要求，可以保障施工的安全進(jìn)行。

CO2干法壓裂；低溫；N80油管；J55油管；力學(xué)性能；冷處理試驗(yàn)

隨著常規(guī)油氣勘探開(kāi)發(fā)程度不斷提高，非常規(guī)資源勘探開(kāi)發(fā)逐漸成為國(guó)內(nèi)外各大油氣田工作的重點(diǎn)。CO2干法壓裂技術(shù)正是針對(duì)非常規(guī)資源開(kāi)發(fā)而興起的一種新型壓裂技術(shù)［1-2］，其技術(shù)核心是CO2相態(tài)變化，而影響相態(tài)變化的關(guān)鍵是壓力和溫度。該項(xiàng)技術(shù)的低溫特性最為顯著，由于施工過(guò)程中注入液態(tài)CO2，對(duì)壓裂管柱冷卻效應(yīng)明顯，管柱隨環(huán)境溫度的降低，材料力學(xué)性能大幅度下降，甚至有可能低于材料的許用性能極限，這也是在低溫環(huán)境下導(dǎo)致壓裂管柱脆化、斷裂的主要原因。因此，評(píng)價(jià)管材在低溫環(huán)境下的安全性能至關(guān)重要。筆者通過(guò)對(duì)N80 和J55油管的低溫力學(xué)性能分析研究，評(píng)價(jià)優(yōu)選適合CO2干法壓裂技術(shù)的管材類型，以消除施工安全隱患。

1　CO2干法壓裂CO2dry fracturing

CO2干法壓裂使用-40 ～ -20℃（壓力1.8～2.2MPa）液態(tài)CO2作為壓裂液，通過(guò)壓裂泵車以較大排量注入地層，通過(guò)控制不同階段CO2相態(tài)變化，利用超臨界CO2極強(qiáng)的流動(dòng)性和破巖能力，形成復(fù)雜的動(dòng)態(tài)裂縫系統(tǒng)；施工結(jié)束后，隨著放噴的進(jìn)行，由于熱量交換和壓力擴(kuò)散，超臨界CO2相態(tài)發(fā)生變化，進(jìn)一步破裂儲(chǔ)層巖石，進(jìn)而為遠(yuǎn)端油氣的流入提供一條具有較高滲透率的滲流通道，實(shí)現(xiàn)較小規(guī)模加砂達(dá)到高效增產(chǎn)的目的。由于全程無(wú)水相進(jìn)入儲(chǔ)層，尤其適合水敏儲(chǔ)層的壓裂改造［3］。液態(tài)CO2從地面注入儲(chǔ)層的過(guò)程，就是低溫流體經(jīng)油管柱進(jìn)入儲(chǔ)層的過(guò)程。因此，評(píng)價(jià)常用油井管材在低溫環(huán)境下力學(xué)性能的變化，對(duì)保障施工安全是非常重要的。

2　冷處理試驗(yàn)Cold treatment test

由于API標(biāo)準(zhǔn)中沒(méi)有在低溫環(huán)境下石油用管材的性能評(píng)價(jià)指標(biāo)，因此借鑒ASTM標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分析研究。油井管材的低溫沖擊韌性和拉伸性能是評(píng)價(jià)CO2干法壓裂井筒施工安全的重要性能指標(biāo)。在低溫工況下，一般合金鋼沖擊性能與溫度的關(guān)系呈S形曲線［4-5］，在低溫范圍（-100 ～ -20℃），沖擊功很低，裂紋以解理方式穩(wěn)定擴(kuò)展，導(dǎo)致材料失效，表現(xiàn)為脆性斷裂；在中低溫度范圍（-20～0℃），存在一個(gè)很陡的過(guò)渡區(qū)，沖擊功變化很大，沖擊性能隨溫度降低直線下降，材料由韌性斷裂過(guò)渡為脆性斷裂。

根據(jù)CO2相態(tài)圖，CO2在一定壓力和溫度下以液態(tài)的形式存在，要保證不同溫度下的試驗(yàn)條件，試驗(yàn)設(shè)備復(fù)雜且不能滿足-40 ℃以下的試驗(yàn)要求；而氮?dú)庠诔合驴蓪?shí)現(xiàn)不同低溫條件下冷沖擊性能和拉伸性能試驗(yàn)，因此選用液氮代替液態(tài)CO2對(duì)試樣進(jìn)行冷處理。

2.1試驗(yàn)材料與設(shè)備

Experimental materials and instruments

試驗(yàn)材料選用J55、N80油管，并在同一鋼級(jí)下選擇規(guī)格不同的2種油管試樣（見(jiàn)表1）。試驗(yàn)設(shè)備為擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)JB-300B，拉伸試驗(yàn)機(jī)INSTRON-1342。

表1　J55、N80油管參數(shù)Table 1 Parameters of J55 and N80 tubings

2.2試驗(yàn)方法

Experimental method

首先利用LTD-DUTMC-90設(shè)備及低溫氮?dú)鈱?duì)J55、N80油管試樣（從端頭選?。┻M(jìn)行低溫冷處理，溫度節(jié)點(diǎn)分別為20℃、0℃、-20℃、-40℃、-60℃，恒溫6 h，然后對(duì)經(jīng)過(guò)處理后的J55、N80油管試樣在不同的溫度節(jié)點(diǎn)進(jìn)行力學(xué)性能分析，并與常溫性能進(jìn)行比對(duì)分析。

3　低溫條件下力學(xué)性能分析Mechanical property in low temperature

3.1沖擊性能

Impact property

沖擊功用來(lái)測(cè)定材料抵抗沖擊載荷的能力，其大小表示材料的韌性好壞。根據(jù)系列沖擊試驗(yàn)得到?jīng)_擊功值與溫度的關(guān)系曲線，測(cè)定材料的韌脆轉(zhuǎn)變溫度，從而評(píng)定材料的韌性或脆性傾向。

3.1.1N80油管沖擊試驗(yàn)結(jié)果 對(duì)N80油管2種試樣進(jìn)行低溫處理，在每個(gè)溫度節(jié)點(diǎn)進(jìn)行3個(gè)試樣數(shù)據(jù)測(cè)試，試樣規(guī)格為3 mm×10 mm×55 mm夏比V型缺口試樣。試驗(yàn)參照GB/T 229—2007標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行［6-7］，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2，可以看出，N80油管試樣在-60～20℃，沖擊性能均為韌性轉(zhuǎn)變。從圖1可以看出，沖擊性能雖有一定程度的降低，但沒(méi)有發(fā)生突變，即沒(méi)有明顯變脆的趨勢(shì)，表明N80管材可以滿足CO2干法壓裂施工低溫條件要求。

表2　N80油管試樣沖擊試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Impact test results of N80 tubing sample

3.1.2J55油管沖擊試驗(yàn)結(jié)果 試驗(yàn)方法同N80油管，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3，可以看出，J55管材室溫狀態(tài)與冷處理相比，低溫發(fā)生脆變。從圖2可以看出，在-20～ -60 ℃材料明顯變脆。因此，J55管材用于低溫條件CO2干法壓裂施工存在安全隱患，不建議使用。

圖1　N80油管試樣沖擊功與溫度關(guān)系Fig.1 Relation of impact power vs. temperature of N80 tubing sample

表3　J55油管試樣沖擊試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Impact test results of J55 tubing sample

圖2　J55油管試樣沖擊功與溫度關(guān)系Fig.2 Relation of impact power vs. temperature of J55 tubing sample

3.2拉伸性能

Extension property

拉伸性能通常是指材料的一系列強(qiáng)度指標(biāo)和塑性指標(biāo)，通過(guò)拉伸試驗(yàn)測(cè)定。其中強(qiáng)度是指材料在外力作用下抵抗產(chǎn)生彈性變形、塑性變形和斷裂的能力。塑性是指金屬材料在載荷作用下產(chǎn)生塑性變形而不致破壞的能力，常用的塑性指標(biāo)是均勻伸長(zhǎng)率和斷裂伸長(zhǎng)率。

對(duì)2種油管試樣行進(jìn)低溫處理，在0 ℃、-20℃、-40 ℃、-60 ℃恒溫時(shí)間不小于10 min，低溫拉伸試樣規(guī)格為?3 mm×40 mm（標(biāo)距）圓棒拉伸試樣，拉伸速度1 mm/min，試樣屈服后，必須取下引伸計(jì)。3.2.1 N80油管試樣試驗(yàn)結(jié)果 N80油管2種低溫拉伸試樣的試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示，對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)見(jiàn)表4。從表4數(shù)據(jù)結(jié)果可以看出，N80管材在不同溫度冷處理后，抗拉強(qiáng)度達(dá)到780 MPa以上，屈服強(qiáng)度達(dá)到645 MPa以上，斷裂伸長(zhǎng)率為31%左右，說(shuō)明冷處理對(duì)N80管材拉伸性能影響不大。3.2.2 J55油管試樣試驗(yàn)結(jié)果 J55油管2種低溫拉伸試樣的試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示，對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)見(jiàn)表5。從表5可以看出，J55管材在不同溫度冷處理后，抗拉強(qiáng)度達(dá)到696 MPa以上，屈服強(qiáng)度達(dá)到401 MPa以上，斷裂伸長(zhǎng)率為36.5%左右。說(shuō)明相較于N80管材，冷處理對(duì)J55管材的拉伸性能影響較大。

圖3　N80油管試樣低溫拉伸曲線Fig.3 Low-temperature extension curve of N80 tubing sample

表4　不同溫度下N80油管試樣的拉伸強(qiáng)度Table 4 Tensile strength of N80 tubing sample in different temperatures

圖4　J55油管試樣低溫拉伸曲線Fig.4 Low-temperature extension curve of J55 tubing sample

表5　不同溫度下J55油管試樣的拉伸強(qiáng)度數(shù)據(jù)Table 5 Tensile strength of J55 tubing sample in different temperatures

4　結(jié)論Conclusions

（1）沖擊試驗(yàn)中J55油管試樣在-60～ -20 ℃有明顯變脆趨勢(shì)；N80油管試樣從-60～20 ℃，沖擊性能有一定程度的降低，但沒(méi)有明顯變脆的趨勢(shì)，仍屬于韌性材料范疇。

（2）拉伸試驗(yàn)中冷處理對(duì)J55、N80油管試樣在-60 ℃均未達(dá)到脆韌轉(zhuǎn)變的臨界點(diǎn)，但冷處理對(duì)J55油管拉伸性能影響比對(duì)N80油管大。

（3）J55管材在-20～0℃沖擊功發(fā)生突變，材料明顯變脆，該管材用于低溫條件CO2干法壓裂施工存在安全隱患，不建議使用；N80管材在-60～20 ℃力學(xué)性能呈現(xiàn)一致性，未發(fā)生嚴(yán)重的劣化，可以用于CO2干法壓裂低溫改造。

［1］ 劉合，王峰，張勁，孟思煒，段永偉.二氧化碳干法壓裂技術(shù)——應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)［J］.石油勘探與開(kāi)發(fā)，2014，46（4）：466-472. LIU He， WANG Feng， Zhang Jin， MENG Siwei， DUAN Yongwei. Dry fracturing technology of carbon dioxide: application status and development trend ［J］. Petroleum Exploration and Development， 2014， 46（4）: 466-472.

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［7］ 美國(guó)石油學(xué)會(huì)（API）.套管和油管規(guī)范：API SPEC 5CT［S］. American Petroleum Institute （API）. Specification for casing and tubing: API SPEC 5CT［S］.

［8］ 金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第1部分：室溫試驗(yàn)方法： GB/T 228.1—2010［S］. Metallic materials-tensile testing part 1: method of test at room temperature: GB/T 228.1—2010［S］.

（修改稿收到日期 2016-06-12）

〔編輯 朱 偉〕

Adaptability of J55 and N80 tubings to CO2dry fracturing

YU Xi
Research Center of China United Coalbed Methane Co. Ltd.， Beijing 100016， China

In the process of CO2dry fracturing， CO2is at the state of supercritical low temperature， having apparent cooling effect on fracturing strings. In this circumstance， the higher property of fracturing string shall be essential. In reference to ASTM standard， the tubing samples of two different steel grades （J55 and N80） were tested in terms of their mechanical properties after cold treatment according to the technical principles and characteristics of CO2dry fracturing. It is shown that the samples of both steel grades don’t reach the critical point of brittle-ductile transition in the extension test at -60℃. In the impact test at the temperature from -60℃ to -20℃，brittleness trend is apparent in the sample of J55 tubing， but never occurs in the sample of N80 tubing. It is concluded that the N80 tubing can satisfy the safety requirements for low-temperature CO2dry fracturing， thereby ensuring the safe operation.

CO2dry fracturing； low temperature； N80 tubing； J55 tubing； mechanical property； cold treatment test

TE931.2

A

1000 - 7393（ 2016 ） 04- 0479- 04

10.13639/j.odpt.2016.04.014

YU Xi. Adaptability of J55 and N80 tubings to CO2dry fracturing［J］. Oil Drilling & Production Technology， 2016，38（4）: 479-482.

余曦（1989-），2014年畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué)（北京）石油工程專業(yè)，現(xiàn)主要從事煤層氣、致密氣藏完井及壓裂技術(shù)研究工作，助理工程師。通訊地址：（100016）北京市朝陽(yáng)區(qū)酒仙橋路乙21號(hào)國(guó)賓大廈。電話：010-84527681。E-mail：yuxi6@cnooc.com.cn