王世棟 譚夢(mèng)菲 耿雪樵 盧秋平

（1.廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局，廣東 廣州 510760；2.中國(guó)石油大學(xué)（北京），北京 102249；3.中國(guó)石油鉆井工程技術(shù)研究院，北京 100097）

0 引言

粒子沖擊鉆井工藝技術(shù)是一種適合深井、超深井硬地層的高效破巖新方法。但粒子沖擊鉆井中鉆井液攜帶高速流動(dòng)的鋼粒在高效沖擊破碎巖石的同時(shí)也會(huì)對(duì)管匯系統(tǒng)造成沖蝕磨損，引起斷鉆具等鉆井安全事故。尤其是管匯系統(tǒng)中管徑變化以及管道彎曲處部件，例如沖管、鵝頸管、鉆頭噴嘴、彎管、鉆桿接頭等，容易出現(xiàn)安全問題。為使粒子沖擊鉆井技術(shù)得以應(yīng)用，需要對(duì)工藝應(yīng)用時(shí)造成的磨損情況進(jìn)行精確預(yù)測(cè)，確定管路安全使用的標(biāo)準(zhǔn)，從而確保鉆井安全。

1 沖蝕磨損影響因素分析

1.1 入射角度

入射角度又稱攻角或者沖擊角度，指的是顆粒的速度方向與碰撞的材料壁面之間的夾角。根據(jù)眾多的試驗(yàn)結(jié)果顯示，沖蝕率隨入射角度的改變而改變，有導(dǎo)致最大沖蝕率的入射角度。材料的不同，其導(dǎo)致最大沖蝕率的入射角度也是不同的[1]。正常情況下對(duì)像金屬或者合金之類的塑性材料，入射角度為0°～15°時(shí)會(huì)產(chǎn)生最大的沖蝕磨損；像陶瓷或者玻璃之類的脆性材料，入射角度為90°時(shí)會(huì)產(chǎn)生最大的沖蝕磨損；其他類型的材料，產(chǎn)生最大沖蝕磨損的入射角度則處于塑、脆性材料之間。入射角度α與沖蝕速率Er之間存在一定的函數(shù)關(guān)系，如式（1）所示[2]：

式中，Er為沖蝕速率，m／s；α為入射角度，（°）；B′、A′均為常數(shù)（脆性材料A′＝0；塑性材料B′＝0）；n為常數(shù)，n＝π／2α。

1.2 沖擊速度

沖擊速度也會(huì)對(duì)材料的沖蝕磨損產(chǎn)生影響。其影響存在一定的規(guī)律：材料的沖蝕速率隨著沖擊速度的增大而增大。但是，只有當(dāng)沖擊速度大于一定值時(shí)才會(huì)對(duì)材料產(chǎn)生沖蝕磨損。這一數(shù)值的大小由材料的性質(zhì)以及顆粒的性質(zhì)共同決定[3-4]。能夠產(chǎn)生沖蝕磨損的速度V與沖蝕速率Er之間存在一定的函數(shù)關(guān)系，如式（2）所示：

式中，K為常數(shù)；v為粒子速度，m／s；n為常數(shù)（一般情況下n為2.0～3.0）。

1.3 沖蝕時(shí)間

在沖蝕開始的一段時(shí)間，顆粒對(duì)材料的壁面一直產(chǎn)生沖蝕會(huì)導(dǎo)致壁面發(fā)生塑性變形，顆粒在材料的壁面形成一定的殘余沉積，壁面材料不僅不會(huì)流失反而會(huì)有一個(gè)增重過程。入射角度和沖擊速度都會(huì)對(duì)這一階段的時(shí)間長(zhǎng)短產(chǎn)生影響，入射角度越大，時(shí)間越長(zhǎng)；沖擊速度越大，時(shí)間越短。在此之后，沖蝕磨損開始進(jìn)入下一個(gè)階段，隨著時(shí)間的增加材料逐漸流失，并且沖蝕時(shí)間越長(zhǎng)，材料流失越嚴(yán)重[5]。

入射角度、沖擊速度、沖蝕時(shí)間是影響沖蝕磨損的主要因素，還有一些次要因素例如材料性質(zhì)、顆粒形狀、粒子大小、粒子濃度等也會(huì)對(duì)沖蝕磨損產(chǎn)生影響。

2 沖蝕磨損試驗(yàn)研究

2.1 試驗(yàn)裝置

為分析不同沖蝕時(shí)間、沖擊速度下的鉆井管匯系統(tǒng)不同部位的沖蝕磨損情況，從而得到粒子沖擊鉆井中管匯沖蝕磨損一般規(guī)律，設(shè)計(jì)了一套試驗(yàn)裝置進(jìn)行地面模擬，裝置設(shè)計(jì)和裝置連接圖分別如圖1、圖2所示。

圖1 粒子沖擊鉆井鉆具磨損試驗(yàn)裝置示意圖

2.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)研究在粒子沖擊鉆井工藝中，鉆井液加入直徑1～2mm、含量1%～3%的鋼粒時(shí)，對(duì)沖管、彎接頭、鵝頸管、水龍帶等鉆井管匯系統(tǒng)的沖蝕磨損情況。試驗(yàn)過程中保持鉆井液粘度和密度等性能穩(wěn)定，相關(guān)參數(shù)如表1所示。

圖2 試驗(yàn)裝置連接圖

在下料漏斗中注入一定量的粒子，使之與鉆井液充分混合，當(dāng)粒子流經(jīng)各管匯系統(tǒng)部件后，通過磁選機(jī)分離出鋼粒，再經(jīng)過脫磁器處理，使脫磁后的鋼粒重新返回下料漏斗，然后繼續(xù)進(jìn)行下一次系統(tǒng)的循環(huán)沖蝕。下料漏斗中的蝶閥部件可以實(shí)現(xiàn)控制粒子注入量的目的。粒子含量達(dá)到規(guī)定值時(shí)，保持蝶閥的位置不變，使經(jīng)過分離脫磁后返回到下料漏斗的粒子能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)注入，即可實(shí)現(xiàn)整個(gè)試驗(yàn)裝置的自動(dòng)循環(huán)運(yùn)作。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果

通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：沖擊50h和100h后，鵝頸管磨損率分別為1.06%和3.03%；沖管磨損率分別為0.51%和2.05%；彎接頭磨損率分別為0.25%和0.37%；水龍帶磨損率分別為0.41%和1.01%。試驗(yàn)結(jié)果表明：① 對(duì)于普通鋼材，其抗沖蝕磨損能力較弱。鵝頸管、沖管較其余部件沖蝕更為嚴(yán)重，彎接頭和水龍帶沖蝕較輕，鉆桿和鉆鋌部件幾乎沒有產(chǎn)生沖蝕。② 隨著時(shí)間的推移，沖擊造成管匯系統(tǒng)磨損量越來越大。③ 沖蝕磨損程度與入口排量有關(guān)，即與粒子入射速度有關(guān)，排量越大，所產(chǎn)生的沖蝕磨損越嚴(yán)重。④ 較易受到?jīng)_蝕磨損的鵝頸管、沖管等部件，可以沖蝕磨損50h，但是從絕對(duì)安全角度出發(fā)，仍需要對(duì)易磨損部位進(jìn)行防磨耐磨處理。

表1 試驗(yàn)所用參數(shù)表

3 結(jié)論與建議

1）粒子沖擊鉆井對(duì)鉆井管匯系統(tǒng)部件的磨損影響程度不同：鵝頸管、沖管較其余部件沖蝕更為嚴(yán)重，彎接頭和水龍帶沖蝕較輕，鉆桿和鉆鋌部件幾乎沒有產(chǎn)生沖蝕。

2）從絕對(duì)安全角度出發(fā)，需要對(duì)易磨損部件的易磨損部位進(jìn)行防磨耐磨處理。

3）根據(jù)試驗(yàn)研究結(jié)果，提出幾點(diǎn)可采取的現(xiàn)場(chǎng)安全措施：① 設(shè)計(jì)改良：彎管可以改進(jìn)管路的形狀，采取前段帶盲管的彎頭，有效減少?zèng)_蝕磨損的產(chǎn)生；鵝頸管沖蝕磨損嚴(yán)重部位采取加厚的方法，提高安全使用壽命；增大彎管、鵝頸管的曲率半徑，減少?gòu)澢幍哪p；在部件內(nèi)部安裝耐沖蝕材質(zhì)、可更換內(nèi)襯；② 在材料選擇時(shí)，可對(duì)易磨損部位使用耐磨材料或者進(jìn)行鎳鍍處理，以增加其耐磨性；③ 利用實(shí)際工況對(duì)管匯磨損情況及時(shí)進(jìn)行模擬計(jì)算，并加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)超聲波壁厚檢測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)預(yù)測(cè)的差異，發(fā)現(xiàn)磨損到強(qiáng)度不滿足安全需要時(shí)及時(shí)更換管線配件，確保安全。

[1]孫軍龍.新型B4C基復(fù)合陶瓷噴嘴研究開發(fā)及其沖蝕機(jī)理研究[D].山東：山東大學(xué)，2007.

[2]張兆順，崔桂香.流體力學(xué)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2006.

[3]梁在潮.工程湍流[M].武漢：華中理工大學(xué)出版社，1999.

[4]閻超.計(jì)算流體力學(xué)及其應(yīng)用[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2006：102-143.

[5]I.M.Hutchings.A modelforthe erosion ofmetalsby sphericalparticlesatnormalincidence[J].Wear，1981，70（3）：269-281.