J55、N80油管在CO2干法壓裂環(huán)境中的適應性

余曦

中聯(lián)煤層氣有限責任公司研究中心

J55、N80油管在CO2干法壓裂環(huán)境中的適應性

余曦

中聯(lián)煤層氣有限責任公司研究中心

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

CO2干法壓裂施工過程中，CO2處于超臨界低溫狀態(tài)，對壓裂管柱冷卻效應明顯，因此對壓裂管柱的性能要求更高。結合CO2干法壓裂的技術原理和特點，借鑒ASTM標準開展了2種不同鋼級的油管試樣的冷處理力學性能的試驗分析。結果表明，在-60 ℃拉伸試驗中2種鋼級管材試樣均未達到脆韌轉變的臨界點；在-60 ～ -20 ℃沖擊試驗中，J55油管試樣有明顯變脆趨勢，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安全性能要求，可以保障施工的安全進行。

CO2干法壓裂；低溫；N80油管；J55油管；力學性能；冷處理試驗

隨著常規(guī)油氣勘探開發(fā)程度不斷提高，非常規(guī)資源勘探開發(fā)逐漸成為國內外各大油氣田工作的重點。CO2干法壓裂技術正是針對非常規(guī)資源開發(fā)而興起的一種新型壓裂技術［1-2］，其技術核心是CO2相態(tài)變化，而影響相態(tài)變化的關鍵是壓力和溫度。該項技術的低溫特性最為顯著，由于施工過程中注入液態(tài)CO2，對壓裂管柱冷卻效應明顯，管柱隨環(huán)境溫度的降低，材料力學性能大幅度下降，甚至有可能低于材料的許用性能極限，這也是在低溫環(huán)境下導致壓裂管柱脆化、斷裂的主要原因。因此，評價管材在低溫環(huán)境下的安全性能至關重要。筆者通過對N80 和J55油管的低溫力學性能分析研究，評價優(yōu)選適合CO2干法壓裂技術的管材類型，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，通過壓裂泵車以較大排量注入地層，通過控制不同階段CO2相態(tài)變化，利用超臨界CO2極強的流動性和破巖能力，形成復雜的動態(tài)裂縫系統(tǒng)；施工結束后，隨著放噴的進行，由于熱量交換和壓力擴散，超臨界CO2相態(tài)發(fā)生變化，進一步破裂儲層巖石，進而為遠端油氣的流入提供一條具有較高滲透率的滲流通道，實現(xiàn)較小規(guī)模加砂達到高效增產的目的。由于全程無水相進入儲層，尤其適合水敏儲層的壓裂改造［3］。液態(tài)CO2從地面注入儲層的過程，就是低溫流體經油管柱進入儲層的過程。因此，評價常用油井管材在低溫環(huán)境下力學性能的變化，對保障施工安全是非常重要的。

2　冷處理試驗Cold treatment test

由于API標準中沒有在低溫環(huán)境下石油用管材的性能評價指標，因此借鑒ASTM標準進行分析研究。油井管材的低溫沖擊韌性和拉伸性能是評價CO2干法壓裂井筒施工安全的重要性能指標。在低溫工況下，一般合金鋼沖擊性能與溫度的關系呈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)定擴展，導致材料失效，表現(xiàn)為脆性斷裂；在中低溫度范圍（-20～0℃），存在一個很陡的過渡區(qū)，沖擊功變化很大，沖擊性能隨溫度降低直線下降，材料由韌性斷裂過渡為脆性斷裂。

根據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條件，試驗設備復雜且不能滿足-40 ℃以下的試驗要求；而氮氣在常壓下可實現(xiàn)不同低溫條件下冷沖擊性能和拉伸性能試驗，因此選用液氮代替液態(tài)CO2對試樣進行冷處理。

2.1試驗材料與設備

Experimental materials and instruments

試驗材料選用J55、N80油管，并在同一鋼級下選擇規(guī)格不同的2種油管試樣（見表1）。試驗設備為擺錘式沖擊試驗機JB-300B，拉伸試驗機INSTRON-1342。

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

2.2試驗方法

Experimental method

首先利用LTD-DUTMC-90設備及低溫氮氣對J55、N80油管試樣（從端頭選取）進行低溫冷處理，溫度節(jié)點分別為20℃、0℃、-20℃、-40℃、-60℃，恒溫6 h，然后對經過處理后的J55、N80油管試樣在不同的溫度節(jié)點進行力學性能分析，并與常溫性能進行比對分析。

3　低溫條件下力學性能分析Mechanical property in low temperature

3.1沖擊性能

Impact property

沖擊功用來測定材料抵抗沖擊載荷的能力，其大小表示材料的韌性好壞。根據系列沖擊試驗得到沖擊功值與溫度的關系曲線，測定材料的韌脆轉變溫度，從而評定材料的韌性或脆性傾向。

3.1.1N80油管沖擊試驗結果 對N80油管2種試樣進行低溫處理，在每個溫度節(jié)點進行3個試樣數據測試，試樣規(guī)格為3 mm×10 mm×55 mm夏比V型缺口試樣。試驗參照GB/T 229—2007標準執(zhí)行［6-7］，試驗結果見表2，可以看出，N80油管試樣在-60～20℃，沖擊性能均為韌性轉變。從圖1可以看出，沖擊性能雖有一定程度的降低，但沒有發(fā)生突變，即沒有明顯變脆的趨勢，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油管試樣沖擊試驗結果Table 2 Impact test results of N80 tubing sample

3.1.2J55油管沖擊試驗結果 試驗方法同N80油管，試驗結果見表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系Fig.1 Relation of impact power vs. temperature of N80 tubing sample

表3　J55油管試樣沖擊試驗結果Table 3 Impact test results of J55 tubing sample

圖2　J55油管試樣沖擊功與溫度關系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度指標和塑性指標，通過拉伸試驗測定。其中強度是指材料在外力作用下抵抗產生彈性變形、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生塑性變形而不致破壞的能力，常用的塑性指標是均勻伸長率和斷裂伸長率。

對2種油管試樣行進低溫處理，在0 ℃、-20℃、-40 ℃、-60 ℃恒溫時間不小于10 min，低溫拉伸試樣規(guī)格為?3 mm×40 mm（標距）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。3.2.1 N80油管試樣試驗結果 N80油管2種低溫拉伸試樣的試驗結果如圖3所示，對應的數據見表4。從表4數據結果可以看出，N80管材在不同溫度冷處理后，抗拉強度達到780 MPa以上，屈服強度達到645 MPa以上，斷裂伸長率為31%左右，說明冷處理對N80管材拉伸性能影響不大。3.2.2 J55油管試樣試驗結果 J55油管2種低溫拉伸試樣的試驗結果如圖4所示，對應的數據見表5。從表5可以看出，J55管材在不同溫度冷處理后，抗拉強度達到696 MPa以上，屈服強度達到401 MPa以上，斷裂伸長率為36.5%左右。說明相較于N80管材，冷處理對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油管試樣的拉伸強度數據Table 5 Tensile strength of J55 tubing sample in different temperatures

4　結論Conclusions

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

（2）拉伸試驗中冷處理對J55、N80油管試樣在-60 ℃均未達到脆韌轉變的臨界點，但冷處理對J55油管拉伸性能影響比對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 ℃力學性能呈現(xiàn)一致性，未發(fā)生嚴重的劣化，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——應用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢［J］.石油勘探與開發(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.

［2］ 張強德，王培義，楊東蘭.儲層無傷害壓裂技術——液態(tài)CO2壓裂［J］.石油鉆采工藝，2002，24（4）：47-50. ZHANG Qiangde， WANG Peiyi， YANG Donglan. Fracturing technology with no damage to formation: fluid CO2fracture ［J］. Oil Drilling & Production Technology，2002， 24（4）: 47-50.

［3］ 汪小宇，宋振云，王所良. CO2干法壓裂液體系的研究與試驗［J］.石油鉆采工藝，2014，36（6）：69-73. WANG Xiaoyu， SONG Zhenyun， WANG Suoliang. Research and test on CO2dry fracturing fluid system ［J］. Oil Drilling & Production Technology， 2014， 36（6）: 69-73.

［4］ SHANMUGAM P， PATHAK S D. Some studies on the impact behavior of banded micro alloyed steel［J］. Engineering Fracture Mechanics， 1996， 53（6）: 991-1005.

［5］ MENZEMER C C， SRIVATSAN T S， AL-HAJRI M，ORTIZ R. The impact toughness and tensile properties of 8320 steel［J］. Material Science Engineering A: 2000，289（1）: 198-207.

［6］ 金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗方法：GB/T 229—2007 ［S］. Standard test methoods for notched bar impact testing of metallic materials: GB/T 229—2007 ［S］.

［7］ 美國石油學會（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 第1部分：室溫試驗方法： 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)于中國石油大學（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研究工作，助理工程師。通訊地址：（100016）北京市朝陽區(qū)酒仙橋路乙21號國賓大廈。電話：010-84527681。E-mail：yuxi6@cnooc.com.cn