上一講我們談到了頁(yè)巖油氣的發(fā)展速度主要借助于水平井技術(shù)和分段壓裂技術(shù)的應(yīng)用。水平井的長(zhǎng)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(bào)率的話還可以更加多的段數(shù)。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(yù)先加壓后打入油氣井，使其在井下設(shè)計(jì)壓裂的地方形成更高壓，進(jìn)而將地層壓裂，形成主裂縫以及周邊大家常說(shuō)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(dòng)性、減少摩阻等功能，壓裂液中會(huì)有各種不同的化學(xué)添加劑放入。

　　壓裂車就是用來(lái)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(dòng)力端在柴油機(jī)或者電的驅(qū)動(dòng)下帶動(dòng)安置在液力端里的柱塞運(yùn)動(dòng)，在液力端內(nèi)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(nèi)實(shí)施壓裂施工。因此液力端的內(nèi)腔要承受從壓裂液被吸入時(shí)的大氣壓力到壓裂所需高壓的壓力變化。這個(gè)加壓過(guò)程是在幾百毫秒內(nèi)完成的，因此液力端內(nèi)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(tài)被稱為應(yīng)力疲勞載荷，這會(huì)使在材料表面的微小瑕疵逐漸擴(kuò)展形成半圓裂縫最終擴(kuò)展到材料另外一個(gè)表面，成為毀滅性破壞。壓裂液中攜帶的各種化學(xué)藥劑包括酸，以及高速運(yùn)動(dòng)的支撐劑會(huì)加速這些小型裂縫的擴(kuò)展速度，造成液力端在工作幾百個(gè)工作小時(shí)后就形成較大裂縫而不能繼續(xù)使用。

　　我們做過(guò)很多液力端壽命分析，發(fā)現(xiàn)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(nèi)擴(kuò)展造成的最終破壞。若要提高液力端壽命，在設(shè)法杜絕表面瑕疵的同時(shí)還要提高材料抗裂縫擴(kuò)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(huì)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(qū)動(dòng)下，海默科技與材料專家合作研發(fā)了一種新型長(zhǎng)壽命碳合金鋼液力端材料。此文作一簡(jiǎn)單介紹。

　　上圖中顯示一般液力端的破壞是從相貫線開(kāi)始的，往往是小型裂縫出現(xiàn)后在周期性疲勞應(yīng)力以及酸化作用下逐漸擴(kuò)展造成最終破壞。我們研發(fā)新材料的主要精力集中于在抗拉強(qiáng)度不減少的條件下提高其斷裂韌性。通過(guò)近兩年的研發(fā)，我們得到了這種新碳合金鋼材料 [下圖]。這種材料的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度比現(xiàn)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。

　　下圖是一個(gè)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。

　　上圖顯示在4330這種材料里面幾乎檢測(cè)不到奧氏體殘余量，而兩種新開(kāi)發(fā)的碳合金鋼里面奧氏體殘余含量可以達(dá)到17%以上。這種奧氏體提高了材料抗腐蝕的能力，同時(shí)也提高了其抗裂縫擴(kuò)展的能力。

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

　　上圖是應(yīng)力腐蝕實(shí)驗(yàn)結(jié)果的集成匯總。取決于實(shí)驗(yàn)的邊界條件，如若裂縫擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)是在固定裂縫開(kāi)口條件下進(jìn)行的，裂縫將會(huì)在開(kāi)始時(shí)擴(kuò)展較快。在裂縫尖端距離縫口越來(lái)越遠(yuǎn)時(shí)，裂縫擴(kuò)展速度越來(lái)越低最終停止或者到了擴(kuò)展速度可以忽略的條件?？赏ㄟ^(guò)這種試驗(yàn)來(lái)對(duì)比不同材料的抗裂縫擴(kuò)展能力。上圖顯示010CY碳合金鋼初始擴(kuò)展速度最低，而且一直以大大低于4330碳鋼的裂縫擴(kuò)展速度。因此是一個(gè)高性能材料。

　　上圖是新研發(fā)的兩種碳合金鋼材料與現(xiàn)有的4330碳鋼力學(xué)性能對(duì)比。這些數(shù)據(jù)證明010CY碳合金鋼是一個(gè)高性能材料。目前使用這種新材料造出的液力端已經(jīng)在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行試驗(yàn)使用。以目前使用的結(jié)果看，在與原碳鋼液力端相同的使用條件下比較，已經(jīng)比原碳鋼液力端壽命提升了50%以上，而且還在繼續(xù)使用。

　　根據(jù)目前的試用結(jié)果，這種材料所帶來(lái)的性價(jià)比已經(jīng)高于4330碳鋼。我們希望能夠通過(guò)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(jià)值。