趙云婷,褚會娟,杜秋影,康 健,龐博學

(東北石油大學 石油工程學院,黑龍江 大慶163318)

水力噴砂器流態(tài)分析及沖蝕磨損研究

趙云婷,褚會娟,杜秋影,康 健,龐博學

(東北石油大學 石油工程學院,黑龍江 大慶163318)

在水平井壓裂施工中,隨著施工排量和加砂量的增加,噴砂器的磨損問題也隨之加劇。建立噴砂器的理論模型,模擬噴砂器的流場形態(tài),分析流態(tài)、速度及含砂量等對結構表面的影響。建立沖蝕模型,并將沖蝕模型應用到CFD得到的流場中,借助Fluent中的散相模型,計算噴砂器結構在不同速度下及含沙量下的最大沖蝕磨損量。根據(jù)最大沖蝕磨損量計算出了對應管道的最大沖蝕磨損量,并預測了對應情況的維修時間。分析了影響沖蝕的基本參數(shù),實現(xiàn)了對流態(tài)模擬及沖蝕磨損的預測,對現(xiàn)場具體操作有指導意義。

噴砂器;沖蝕作用;磨損;CFD

在壓裂生產(chǎn)過程中,由于注入液的速度較高,并在流體中含有高濃度的固體顆粒,在壓裂過程的較短時間內(nèi),對噴砂器的噴嘴、內(nèi)套等部位產(chǎn)生了很大的沖蝕作用,導致壓裂施工的失敗。歷史上對材料沖蝕磨蝕的研究已有近200 a,早在1807年,Young就開始研究噴砂問題;1946年Wahl和Hartslein在合著文集《射流磨損》中,第1次系統(tǒng)地討論了沖蝕問題,介紹了某些參數(shù)對沖蝕磨損影響以及解決實際沖蝕問題的辦法。本文應用Solidwork軟件繪制模型,應用Fluent進行計算,求出導致沖蝕磨損的具體參數(shù),根據(jù)實際情況研究流體對噴嘴的沖蝕情況,再通過具體設置優(yōu)化沖蝕模型沖蝕磨損試驗,研究不同沖擊速度、所含粒子質(zhì)量分數(shù)不同的流量下的液固兩相對噴砂器的沖蝕情況。

1 沖蝕磨損的現(xiàn)場情況

沖蝕磨損[1]一般是指流體或固體顆粒以一定的速度和角度對物體表面進行沖擊,發(fā)生材料損耗的現(xiàn)象或過程。沖蝕主要集中在噴嘴內(nèi)部變徑部位和噴嘴與噴砂孔內(nèi)套的限位鍵處[2],尤其在限位鍵內(nèi)壁處。原因是此處存在縫隙,使流體流過此部位時,內(nèi)流道的結構發(fā)生了突變,形成局部的擾流。圖1為噴砂孔沖蝕前后對比照片,噴砂孔上部外壁處沖刷成弧面,噴砂孔中部擴孔,內(nèi)套磨斷;下部擴孔比較嚴重。綜上所述,水平井壓裂過程中的噴砂器的沖蝕現(xiàn)象已經(jīng)成為壓裂施工的瓶頸問題[3-4],其內(nèi)部流態(tài)的復雜性,排量高,以及流體組分中的高砂量是產(chǎn)生沖蝕的重要原因。

圖1 噴砂孔沖蝕前后對比照片

2 噴砂器模型建立

按照工藝要求,噴砂器位于壓裂管柱的下部,下端直接與死堵相連,射孔段位于噴砂器上部。施工時,壓裂液經(jīng)油管從噴砂器側面噴砂孔噴出,進入油套環(huán)空,向上流動,從射孔段壓入地層。研究按照現(xiàn)場實際工況,結合計算機的處理能力,對模型進行了簡化,從實體模型中提取流體域,在預處理器Gambit環(huán)境下建立了從噴嘴前油管到射孔段下油套環(huán)空管柱部分流體的三維幾何模型,再簡化網(wǎng)格。本次研究分區(qū)域生成網(wǎng)格,對噴砂孔位置網(wǎng)格進行了局部加密處理,這樣能更好地捕捉到邊界特征,從而更好地仿真出流動特性[5]。應用Solidworks軟件進行三維模型的建立,將建立好的模型導入到Gambit進行畫網(wǎng)格,圖2為經(jīng)過Gambit生成的網(wǎng)格圖,劃分網(wǎng)格后進行網(wǎng)格檢查,結果不存在沒有網(wǎng)格的部分。整體網(wǎng)格劃分成功。最后將合格的網(wǎng)格導入到Fluent中進行計算。

圖2 噴砂器計算模型

3 沖蝕模型相關計算

3.1 沖蝕模型

由于材料沖蝕行為的復雜性,至今仍沒有公認的、普遍適用的公式用于預測材料的抗沖蝕能力。尺寸效應、脆塑性轉變等現(xiàn)象尚無合理解釋液固雙相流沖蝕磨損機理研究現(xiàn)狀[6-7]。在沖刷腐蝕條件下,材料的流失方式有2種:一是以離子形式脫離材料表面,即腐蝕;二是以固體粒子(分子狀態(tài))形式脫離材料表面,即沖刷磨損。因此沖蝕磨損總失重△W可用下式表示:

式中:△W為沖蝕磨損總失重,kg;△Wc′為腐蝕失重分量,kg;△We′為沖刷磨損失重分量,kg。

3.2 兩相流模型

本文最終采納的是離散相模型[8],在求解帶有粒子存在的流動,最直觀和容易理解的就是離散相模型Discrete Model[9-10]。粒子被當做離散存在的顆粒,首先計算連續(xù)相流場,再結合流場變量求解每一個顆粒的受力情況獲得顆粒的速度,從而追蹤每一個顆粒的軌道。這就是在拉氏坐標下模擬流場中離散的第2相。

4 數(shù)值計算及結果分析

圖3是噴砂器的沖蝕磨損量分布云圖。在速度都為10 m/s時,砂粒的質(zhì)量分數(shù)為6%的沖蝕磨損的最大沖蝕率為0.043 3 kg/(m2·s-1),如圖3a,而砂粒的質(zhì)量分數(shù)為12%的沖蝕磨損的最大沖蝕率為0.0873 kg/(m2·s-1),如圖3b,最大沖蝕率明顯提高。在相同的質(zhì)量分數(shù)下,沖擊速度增大使沖蝕效果更加明顯,其最大沖蝕率也明顯提高。由此可以得出沖擊速度和含沙量與最大沖擊率成正比。

圖3 噴砂器的沖蝕磨損量分布云圖

圖4 噴砂器的壓力分布云圖

圖4 是噴砂器的壓力分布云圖。在速度不變的情況下,質(zhì)量分數(shù)為12%時的入口處壓力大于質(zhì)量分數(shù)為6%的入口處壓力,而且噴砂口處形成的旋渦更加明顯。壓力變化更加明顯。在質(zhì)量分數(shù)相同時,速度大的壓力云圖比速度小的壓力云圖速度變化更加明顯。

圖5是噴砂器的速度分布云圖。在質(zhì)量分數(shù)一定的條件下,速度越大在噴砂器出口形成的漩渦越大,且速度分布越均勻。在入口到噴砂口的位置,速度先保持穩(wěn)定后在噴砂口附近由大變小,在噴砂器出口的速度分布很不均勻。在速度為10 m/s時,質(zhì)量分數(shù)越大時速度在入口處分布不均勻。當速度為20 m/s時,含砂量的增加使速度在噴砂口出的變化越明顯。

圖5 噴砂器的速度分布云圖

4.1 優(yōu)化建議

4.1.1 流體對管件沖蝕的治理

1) 管件材料升級 選擇或發(fā)展耐沖蝕、磨蝕材料。

2) 管件尺寸調(diào)整 加大彎頭彎曲半徑,或通過前后安裝同心異徑管來增大彎頭的流通直徑,以降低流速。

3) 管件結構改善 局部加厚受磨損的部位,在彎頭外拱內(nèi)壁安裝葉翅,或以盲三通代替彎頭都可防止沖蝕。

4) 流體工藝參數(shù)的調(diào)控 在有限元分析研究的基礎上,判斷流體對管件的沖蝕位置,使該位置避開最高應力區(qū)和連接焊縫區(qū),最好是在最低應力區(qū)。

5) 凈化流體介質(zhì) 濾去流體介質(zhì)中的顆粒雜質(zhì)[9]。

4.1.2 沖蝕磨損防護措施

1) 改進設計 在保證工作效率的前提下,合理設計零部件的形狀、結構。

2) 合理選材 在選材時必須充分考慮工況條件,例如沖擊角、沖擊速度、溫度等環(huán)境因素以及磨粒性質(zhì)的影響。在目前情況下,一般需通過試驗來確定。

5 結論

1) 噴砂器在出口處的壓力、速度分布變化明顯,沖蝕磨損情況也最大。

2) 在含砂量不變的條件下,沖擊速度增加會使整體的速度分布更均勻。同理,在速度一定時增大含砂量也會使速度分布均勻。在速度一定時含砂量越少,在入口處壓力變化明顯,在噴砂出口處形成漩渦,壓力分布不均勻。而且入口處壓力分布比出口處大。

3) 考慮重力的因素,整體的上部分壓力較下部分小。沖蝕磨損不可避免,應盡量選擇耐沖蝕效果好的材料。

[1] 馬穎,任峻,李元東.沖蝕磨損研究的進展[J].蘭州理工大學學報,2005,31(1):22-23.

[2] 陳冠國,褚秀萍,張宏亮.關于沖蝕磨損問題[J].河北理工學院學報,1997,19(4):27-28.

[3] 李詩卓,董祥林.材料的沖蝕磨損與微動磨損[M].北京:機械工業(yè)出版社,1987,3(8):3.

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[7] 沈士明,趙建平.含局部減薄缺陷壓力管道的評定方法[J].石油煉制與化工出版,1996,7(8):17.

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[9] 李才,王彥興,趙亞芬,等.套損井噴砂器改進與現(xiàn)場試驗[J].石油礦場機械,2010,39(1):81-83.

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Hydraulic Sand Jet Flow Analysis and Research on Erosion

ZHAO Yun-ting,CHU Hui-juan,DU Qiu-ying,KANG Jian,PANG Bo-xue
(College of Petroleum Engineering,Northeast Petroleum University,Daqing 163318,China)

When horizontal well pressing crack.Under construction,it is with increase of construction quantity and adds the amount of sand and the corrosion of sand blower also turn worse.Being built up blunt eclipse model,the blunt eclipse model is applied to CFD to get of flow a field,with the help of Fluent of dispersed phase,to calculate biggest to hurtle eclipse of sand blower between in different speed.According to the biggest blunt eclipse rate,the biggest blunt of the eclipse of pipeline is calculated and the maintenance time of circumstance is predicted.The basic parameters are carefully analyzed,which influence hurtles eclipse and realize the imitation of flow condition and the prediction of erosion and corrosion.

sand blower;washing action;wear;CFD

TE934.202

A

1001-3482(2014)02-0097-04

2013-08-06

趙云婷(1990-),女,黑龍江哈爾濱人,碩士研究生,現(xiàn)從事復雜流體流動與數(shù)值模擬方面的研究,E-mail:zhaoyunting1030@126.com。