加砂压裂过程中套管孔眼抗冲蚀性能分析

目的 研究加砂压裂过程中,压裂液排量和含砂比对套管射孔孔眼冲蚀的影响规律。方法 运用CFD数值模拟方法,针对射孔套管内流场、流迹特性和颗粒轨迹开展模拟分析,并使用E/CRC和Oka冲蚀模型模拟了压裂施工排量为5～15 m³/min、压裂液含砂比为8%～23%工况下套管射孔孔眼及附近的冲蚀情况,总结其影响规律。结果 随着排量的增加,孔眼处流速激增,压降达到5.5 MPa,但在管底形成一定憋压。E/CRC冲蚀模型考虑了颗粒数量的影响,相比于Oka冲蚀模型更适合于压裂过程中套管孔眼系统冲蚀的实际情况,在孔眼处上部流量进口方向的冲蚀速度明显大于下部管道方向,且冲蚀程度向四周逐渐减小,E/CRC模型的最大冲蚀速率由2.14×10^-8 kg/（m²·s）上升至5.85×10^-8 kg/（m²·s）。随着压裂液含砂比的上升,E/CRC模型在孔眼处的最大冲蚀速率由2.21×10^-8 kg/（m²·s）上升至95.6×10^-8 k...     

基于CFD-DEM方法的变径T型流道冲蚀特性研究

目的 研究石油开采过程中,携砂压裂液对变径T型流道壁面冲蚀磨损规律及主要影响因素.方法 针对石油压裂管汇及井下喷砂器等工具中常见的变径T型流道的冲蚀问题,建立了基于CFD-DEM的变径T型流道固液两相流冲蚀磨损预测模型,该模型中颗粒-颗粒、颗粒-壁面碰撞采用逆向迭代碰撞搜索算法,颗粒-流体耦合计算时间步长根据耦合收敛条件自适应调整.将数值方法与正交试验方法结合,分析各因素变化对均值主效应响应的优先排序和各因素的交互作用,并进行了单因素变化对冲蚀规律的影响.结果 单因素分析时入口流速增大,T型流道最大冲蚀速率和冲蚀面积均增大,冲蚀位置向支流道出口处移动,流体携带颗粒能力增强,堆积颗粒数量减小.砂比范围为5％～35％时,最大冲蚀速率与砂比正相关.最大冲蚀速率随粒径的增大而先增大后减小,随变径比的增大而减小.与最大冲蚀速率均值主效应分析结论一致,验证了正交试验结论的准确性.结论 径向流速、切向流速、管壁压力、最大冲蚀速率为衡量变径T型流道冲蚀程度的指标时,入口流速的影响最大,其次是支撑剂粒径、变径比、砂比,入口流速与其他因素的交互作用对冲蚀速率的影响最显著.     

高压压裂液对JY-50压裂弯管冲蚀行为影响的数值模拟

目的研究在水力压裂作业中,高压压裂液对JY-50压裂弯管冲蚀磨损的影响规律及其主要影响因素。方法基于液-固两相流理论、FLUENT冲蚀模型,为消除误差,应用FLUENT3次重复性分析并取平均值,得到支撑剂密度、粒径、质量浓度、压裂液流速的变化对弯管冲蚀行为的影响。结果压裂弯管的易冲蚀区域为弯管段靠近出口的内壁面外侧区域和接近弯管出口的直管区域。随着支撑剂密度和粒径的增大,最大冲蚀速率均增大,支撑剂密度从2500 kg/m3增大到3500 kg/m3时,最大冲蚀速率增长了0.69倍,粒径从0.074 mm增大到0.54 mm时,最大冲蚀速率增长了1.45倍,但二者对平均冲蚀速率数值影响变化不大。支撑剂质量浓度的增大,导致冲蚀速率呈近似线性增大,从40 kg/m3增大到210 kg/m3时,最大冲蚀速率增长了2.3倍,平均冲蚀速率增长了1.526倍。流速从5 m/s增大到25 m/s时,最大冲蚀速率平均增长了34.30倍,平均冲蚀速率也增长了34.85倍。结论对JY-50压裂弯管冲蚀行为及影响进行了数值模拟,获得了压裂液的参数变化对压裂弯管的冲蚀影响规律,综合最大冲蚀速率和平均冲蚀速率数值及其增长倍数分析,压裂液流速是冲蚀速率增长的主要因素,对弯管冲蚀磨损影响显著。     

CVD金刚石膜与常用红外光学材料抗砂蚀性能对比研究

目的通过分析CVD金刚石膜与几种常用红外光学窗口材料在砂蚀过程中形貌特征以及红外透过率的变化规律,获得CVD金刚石膜在砂蚀过程中的材料去除机制及抗砂蚀性能的关键因素。方法采用喷射式冲蚀磨损系统,对CVD金刚石膜及其他几种常见红外光学材料进行砂蚀性能测试。通过扫描电子显微镜对材料冲蚀后表面形貌进行观察,电子天平测量红外材料砂蚀率。采用红外光谱仪对砂蚀前后红外光学材料进行测量,评价其冲蚀前后的红外性能变化。结果 CVD金刚石膜抗砂蚀能力远高于Ge、ZnS、MgF_2以及石英玻璃。在设定测试条件下,仅经过6 s冲蚀,除CVD金刚石膜外,其余光学材料的红外透过性能下降40%~60%。而CVD金刚石经受240 min的相同条件冲蚀,其红外透过率仅下降9.5%,显示出极佳的抗砂蚀能力。结论 CVD金刚石膜的冲蚀过程主要是微裂纹形成及扩张连接导致材料流失。其他材料的冲蚀过程既有裂纹扩展,也有反复的切削、犁削,而后者是这些材料被冲蚀的主要原因。     

超临界CO2环境13Cr材质腐蚀行为研究

目的：我国南海西部东方气田高温高压,气层温度高达141℃,CO2体积分数高达50%,CO2分压值高达27.9 MPa,井下CO2处于超临界状态,通过模拟井下环境腐蚀实验为该气田选择合适的井下防腐材质。方法室内模拟地层水离子组成与含量,利用高温高压 FCZ 磁力驱动反应釜,选取中国产和日本原产的13Cr钢在东方气田超临界CO2环境进行防腐实验研究,腐蚀前对两种不同产地的金属材料进行化学成分与金相组织对比,腐蚀后对实验样品进行微观观察。结果模拟实际气田井下超临界CO2条件实验结果表明,无论是液相还是气相状态,13Cr马氏体不锈钢均未发生点蚀现象,且均匀腐蚀速率低于0.0013 mm/a,腐蚀产物晶粒均匀,结构致密。结论证实了两种不同产地的13Cr钢在东方气田井下超临界状态下的耐蚀性能相当。考虑高压气井气体流速及地层出砂的影响,探讨了13Cr马氏体不锈钢在超临界 CO2气井中的使用条件,为减少流速与出砂对腐蚀产物膜的破坏,应在实际生产中合理限制产能以降低流速,采取必要的防砂措施减小对油管壁冲刷。     

钻井设备本体材料的冲刷磨损行为的研究

固体颗粒的冲刷腐蚀行为在工程上随处可见,由此导致材料破坏及设备失效十分常见,造成了严重的经济损失。如在气井生产过程中,返排液或者生产流体会携带少量地层出砂,对钻井设备产生非常严重的磨损。本文将对常用的钻井设备本体材料进行冲蚀磨损行为的研究,揭示其冲蚀速率随冲击角、流体流速的变化规律,为钻井设备本体材料的磨损预测提供一定参考。     

浆体含砂量和砂粒径对环氧粉末涂层冲蚀规律的影响

利用旋转圆盘式冲刷腐蚀实验机，研究了环氧粉末涂层的冲蚀率与流速之间的变化规律以及 含砂量、砂粒径对速度指数的影响.结果表明：在不同的含砂量和砂粒径条件下，冲蚀率与 流速间均服从幂函数规律，即E=KVn.随含砂量增大，速度指数减小，最后趋于一稳 定值；随粒径的增大，速度指数先减小而后增大，存在一极小值.涂层的冲蚀是塑性变形和 微切削共同作用，但以塑性变形为主.     

碳钢不锈钢材料抗冲蚀磨损性能研究

通过对泵用过流部件材料55#碳钢和1Cr18Ni9Ti不锈钢在不同冲蚀速度、不同浆料含砂量及不同冲蚀角度条件下的冲蚀磨损腐蚀试验,探索了材料的冲蚀失效规律及微观破坏机制.结果表明,材料的冲蚀磨损失重率随冲蚀速度、浆料含砂量的增加而增加,且1Cr18Ni9Ti的抗冲蚀性能优于55#钢;冲蚀角度对材料的冲蚀性能影响最为显著,在0°～45°时冲蚀失重率随着冲蚀角度的增大而增大,45°时出现极大值,450～600时材料冲蚀失重率随着冲蚀角度的增加而减小;腐蚀对材料冲蚀性能的影响不容忽视.     

国内某气田气井生产与防腐蚀的一体化管理

气田开发中后期，气井产能下降，井筒积液严重，CO₂等酸性介质腐蚀和流体冲蚀的腐蚀速率加快，气井同时面临措施增产和腐蚀防护问题，如何将气井油套管防腐蚀与措施增产有效结合，科学规划防腐蚀和增产措施，降低两者之间相互干扰，提升气井安全生产效能，成为气田开发的难点。对此，国内某气田通过全面综合分析气井井筒腐蚀、防护现状、历年监检测结果，结合增产措施技术要求，进行整体规划，采取增产措施与腐蚀防护一体化管理，实现气井工艺措施的精细化管理，推动气田高质量发展。     

AC-HVAF热喷涂非晶和金属陶瓷涂层在压裂液中的冲蚀行为

采用喷射冲蚀与电化学测试相结合方法,对AC-HVAF热喷涂非晶金属和金属陶瓷两种涂层在压裂工况下的冲蚀规律进行了研究,评价了腐蚀和冲蚀的交互作用,分析了耐蚀性和硬度在冲蚀时的主导作用,确定了冲蚀机理。结果表明,硬度决定材料的抗冲蚀性能,硬度高的WC涂层表现出更高的抗冲蚀能力。冲蚀过程中,纯机械冲刷引起的失重占主导作用。交互作用中,涂层由腐蚀引起的增量占比例则较高,提高涂层耐蚀性可以减少交互作用失重,进而提高其抗冲蚀性能。AC-HVAF涂层表面则呈现出脆性冲蚀特征,冲蚀时侧重于固体砂粒对表面的碰撞和切削剥蚀作用。涂层孔隙的降低和粘结相结合强度的提高是提高其在压裂液中抗冲蚀性能的关键。     

两种涂层管材抗冲蚀性能对比

对于油田常用的125V油管,由于其在液固两相流环境下抗冲蚀能力较弱,通常添加涂层来增加其抗冲蚀性能。本文利用自制试验台,针对1号涂层和2号涂层进行液固两相流冲蚀实验,研究两种涂层套管材料的抗冲蚀性能。实验结果表明,在高速携砂流体中,10分钟时,涂层还未发生剥落,而在20min后涂层全部发生脱落,说明1号涂层通常会以脆性剥落或粘黏性失效脱落导致,相比1号涂层,2号涂层在气固环境中表现出良好的抗冲蚀性。通过两种材料的冲蚀性能对比,为油气田套管生产提供一定的依据。     

高产天然气井放喷管汇弯管冲蚀磨损特性研究

目的 研究高产天然气井气固两相流对放喷管汇的冲蚀机理及规律.方法 利用CFD软件对放喷管汇冲蚀进行研究,使用雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方程求其气相的运动状态,并用离散相模型(DPM)计算出颗粒运动轨迹.然后使用Oka冲蚀磨损模型开展弯管角度、弯管位置、放喷量等5种因素与壁面冲蚀规律研究,最后使用最大冲蚀速率、壁面质量损失以及管汇刺漏时间等3种指标评价管汇的冲蚀特性.结果 在控制单因素变量的前提下,随着含砂率从1％增长到5％时,弯管最大冲蚀速率增加了约4倍;随着放喷量从3.0×105 m3/d增加到5.1×106 m3/d时,最大值出现在1.0×106 m3/d附近,弯管最大冲蚀速率相比3.0×105 m3/d增加了3.7倍;当弯管角度从90°增加到165°时,最大冲蚀速率下降了85％,但120°弯管最大冲蚀速率最大;随着弯管距出口距离从5 m增加到30 m时,最大冲蚀速率下降了86％;当颗粒形状系数从0.67增加到1时,最大冲蚀速率增大了5倍.结论 含砂率与最大冲蚀速率相关度最大,弯管位置与最大冲蚀速率的相关度最小.最大冲蚀速率随含砂率、颗粒形状系数的增加而增大,随弯管角度和距出口直管段长度的增加而减小,但120°弯管冲蚀最严重.随放喷量的增加,弯管最大冲蚀速率呈现出先增大、后减小、最后趋于平稳的规律.     

铬白口铸铁的耐砂冲蚀特性

本研究取共晶体量为50％及80％,Cr/C在1～11之间变化,制成Cr3.0～26.0％、C1.7～3.8％成分范围很宽的试样,研究了铸态试样和热处理试样在腐蚀条件下的砂冲蚀特性。并且研究了合金元素镍、钼、钒、钛等对耐砂冲蚀特性的影响。为评价耐砂冲蚀特性,采用EPMA仪测定了初晶基体中的铬浓度及其与砂冲蚀特性的关系。一、试样及实验方法以软钢、石墨粉、铬铁作原料,用高频炉熔制的Fe-Cr-C系中间合金和纯镍、钼铁、钒铁及钛铁配成总量为500克的目标成分的试样。将这些合金放     

大型铸铁件用水基涂料的研制

针对呋喃树脂砂生产大型铸铁件用涂料进行了研究。通过实验室研究和浇注试验确定了各项工艺性能最佳的涂料配方。结果表明，以石墨粉、滑石粉等组成的复合耐火填料是大型铸铁件用水基涂料较理想的基料。以它为主配制的涂料能有效地防止粘砂、毛刺、冲蚀等铸造缺陷     

TC4钛合金表面冲蚀损伤机理的砂尘粒径依赖效应

在自主搭建气流喷射式冲蚀试验平台上,采用不同粒径的石英砂,对TC4钛合金进行冲蚀试验;利用电子天平、扫描电子显微镜和X-射线应力仪对试件表面冲蚀质量损失率、冲蚀区微观形貌及应力进行检测与分析。结果表明,TC4钛合金表面的冲蚀损伤机理显著依赖于砂尘粒径,并在400μm处发生机理转变。砂尘粒径小于400μm时,TC4钛合金表面冲蚀质量损失率小于0.4 mg/g,其表面损伤形式以犁削、切削、铲削以及点坑等塑性损伤为主;砂尘粒径大于400μm时,TC4钛合金表面在高应变率条件下发生表观韧脆转变,质量损失率突增至0.8 mg/g以上,损伤形式以解理破坏、脆性剥落为主。基于解理断裂的双判据模型,解释了砂尘粒径高于400μm时TC4钛合金表面发生的脆性剥落现象。     

不同实验参数下α-Al2O3陶瓷冲蚀磨损性能研究

以冲蚀磨损工况典型应用材料Cr15M03高铬铸铁为对比材料，研究了不同磨粒硬度、不同磨粒粒径、不同冲蚀角度（0°、30°、45°、60°和90°）对α-Al2O3结构陶瓷抗冲蚀磨损性能的影响，分析了试验材料冲蚀磨损微观失效机制。结果表明：Cr15M03高铬铸铁冲蚀磨损体积均大于α-Al2O3陶瓷材料：随着Cr15Mo3高铬铸铁冲蚀磨损体积增加幅度最大：处于45°和60°，90°冲蚀角度时试验材料的冲蚀磨损体积损失最大：α-Al2O3陶瓷受冲蚀时切削磨损小，随着冲蚀角度增加，材料的耗能方式主要径向裂纹和横向裂纹的断裂表面能。     

高压高产气井应急试采过程中采气树抗冲蚀性能分析

目的研究高压高产气井在大排量应急试采工况下,日产量和日出砂量对气固两相流采气树冲蚀行为的影响。方法运用CFD数值模拟方法,在Eulerian和Lagrangian坐标系下求解气体-颗粒、颗粒-壁面间的相互作用,并捕捉颗粒运动轨迹。采用用户自定义函数(UDF)编写冲蚀磨损方程,分析日产量和日出砂量对于采气树冲蚀速率、冲蚀位置和颗粒轨迹的影响。结果日产量由100万方增加到1000万方时,采气树内气体流速逐渐增大,最大流速为当地音速365 m/s,最大冲蚀速率则由4.14×10~(-8) kg/(s·m~2)增大至3.462×10~(-7) kg/(s·m~2)。气体从采气树四通内流入两翼支管发生节流,压降随日产量的增加而增大。当日产量为1000万方时,最大压降为1.52 MPa;当日产量超过300万方,气体流入旁通支管时,压降形成的流动功将大部分颗粒直接带入支管,造成主要冲蚀区域由四通内壁扩大至旁通支管内壁。当日出砂量由7.7方增大至38.5方时,最大冲蚀速率由7.121×10~(-8) kg/(s·m~2)增大至3.462×10~(-7) kg/(s·m~2)。结论日产量和日出砂量均与冲蚀速率呈正相关关系,控制应急试采日产量是降低采气树冲蚀速率的有效方式。     

水平弯管含砂分散泡状流冲蚀机理分析

目的揭示水平弯管含砂分散泡状流的冲蚀机理。方法构建气液固多相流冲蚀实验环道,研究管道内流体流动状态及管道三维冲蚀速率。采用显微分析方法研究管道冲蚀形貌,并提出基于VOF模型和DPM模型耦合的瞬态冲蚀仿真方法。实验与仿真相结合分析管道内部气液分布、颗粒运动对冲蚀形貌的影响。结果弯管冲蚀最严重区域出现在弯头出口处(θ=90?),而冲蚀最严重位置则出现在该截面φ=45?以及φ=90?两个位置上。仿真可知整个弯管冲蚀严重的区域边界呈现出较为均匀的抛物线形状。砂粒对弯管的冲蚀作用主要以冲击变形和微切削摩擦为主,砂粒的直接冲击碰撞导致试样表面产生密集冲蚀坑,冲蚀坑周围有基体材料外翻形成的"唇片"。分散泡状流中的固体颗粒大部分分散在液相中,弯头处滞止区使得弯头处截面的含液率及颗粒含量大于上下游直管段截面。气体的存在改变了砂粒在管道中的运动状态,大大加剧了弯管的冲蚀。结论水平弯管含砂分散泡状流冲蚀严重区域、冲蚀形貌与管道内部气液分布及砂粒运动直接相关,多相流冲蚀瞬态仿真方法可准确地预测管道冲蚀。     

新型排砂设备在渤西某油田的设计应用

随着海上油田开发的不断进入老龄化,油井出水出砂量不断攀升。油井出砂已成为海上油田开采的一大难题。油井出砂不仅会造成管道设备的冲蚀腐蚀,同时,由于砂的集聚,还会极大的影响管道设备的使用性能,因此,开展管道设备的除砂具有重大意义。此案例,通过引入可安装于罐体底部的新型排砂设备解决了平台斜板除油器罐底积砂问题,为平台的罐底排砂提供了新的解决方案。     

SiC-Sialon复相耐火材料高温固体粒子冲蚀磨损行为

采用自行设计的气流喷砂式热态固体粒子冲蚀磨损试验机,在空气气氛下使用36#Si C为冲蚀粒子,对Si C-Sialon复相耐火材料进行了冲蚀磨损。研究了冲蚀温度和冲蚀角度对Si C-Sialon复相耐火材料冲蚀磨损行为的影响。结果表明:随着冲蚀温度的升高,Si C-Sialon复相耐火材料的体积冲蚀率先增高后降低;随着冲蚀角的增大,Si C-Sialon复相耐火材料的体积冲蚀率逐渐增大。在冲蚀温度为1400℃和冲蚀角为30o时,体积冲蚀率最小,为0.587 mm3/g。在1000℃以下材料的冲蚀磨损机制主要以脆性冲蚀为主;超过1000℃时,材料表面发生氧化,生成的致密的氧化物保护层对材料抗高温冲蚀磨损起到重要增强作用。