水力喷砂器流态分析及冲蚀磨损研究

赵云婷,褚会娟,杜秋影,康 健,庞博学

(东北石油大学 石油工程学院,黑龙江 大庆163318)

水力喷砂器流态分析及冲蚀磨损研究

赵云婷,褚会娟,杜秋影,康 健,庞博学

(东北石油大学 石油工程学院,黑龙江 大庆163318)

在水平井压裂施工中,随着施工排量和加砂量的增加,喷砂器的磨损问题也随之加剧。建立喷砂器的理论模型,模拟喷砂器的流场形态,分析流态、速度及含砂量等对结构表面的影响。建立冲蚀模型,并将冲蚀模型应用到CFD得到的流场中,借助Fluent中的散相模型,计算喷砂器结构在不同速度下及含沙量下的最大冲蚀磨损量。根据最大冲蚀磨损量计算出了对应管道的最大冲蚀磨损量,并预测了对应情况的维修时间。分析了影响冲蚀的基本参数,实现了对流态模拟及冲蚀磨损的预测,对现场具体操作有指导意义。

喷砂器;冲蚀作用;磨损;CFD

在压裂生产过程中,由于注入液的速度较高,并在流体中含有高浓度的固体颗粒,在压裂过程的较短时间内,对喷砂器的喷嘴、内套等部位产生了很大的冲蚀作用,导致压裂施工的失败。历史上对材料冲蚀磨蚀的研究已有近200 a,早在1807年,Young就开始研究喷砂问题;1946年Wahl和Hartslein在合著文集《射流磨损》中,第1次系统地讨论了冲蚀问题,介绍了某些参数对冲蚀磨损影响以及解决实际冲蚀问题的办法。本文应用Solidwork软件绘制模型,应用Fluent进行计算,求出导致冲蚀磨损的具体参数,根据实际情况研究流体对喷嘴的冲蚀情况,再通过具体设置优化冲蚀模型冲蚀磨损试验,研究不同冲击速度、所含粒子质量分数不同的流量下的液固两相对喷砂器的冲蚀情况。

1 冲蚀磨损的现场情况

冲蚀磨损[1]一般是指流体或固体颗粒以一定的速度和角度对物体表面进行冲击,发生材料损耗的现象或过程。冲蚀主要集中在喷嘴内部变径部位和喷嘴与喷砂孔内套的限位键处[2],尤其在限位键内壁处。原因是此处存在缝隙,使流体流过此部位时,内流道的结构发生了突变,形成局部的扰流。图1为喷砂孔冲蚀前后对比照片,喷砂孔上部外壁处冲刷成弧面,喷砂孔中部扩孔,内套磨断;下部扩孔比较严重。综上所述,水平井压裂过程中的喷砂器的冲蚀现象已经成为压裂施工的瓶颈问题[3-4],其内部流态的复杂性,排量高,以及流体组分中的高砂量是产生冲蚀的重要原因。

图1 喷砂孔冲蚀前后对比照片

2 喷砂器模型建立

按照工艺要求,喷砂器位于压裂管柱的下部,下端直接与死堵相连,射孔段位于喷砂器上部。施工时,压裂液经油管从喷砂器侧面喷砂孔喷出,进入油套环空,向上流动,从射孔段压入地层。研究按照现场实际工况,结合计算机的处理能力,对模型进行了简化,从实体模型中提取流体域,在预处理器Gambit环境下建立了从喷嘴前油管到射孔段下油套环空管柱部分流体的三维几何模型,再简化网格。本次研究分区域生成网格,对喷砂孔位置网格进行了局部加密处理,这样能更好地捕捉到边界特征,从而更好地仿真出流动特性[5]。应用Solidworks软件进行三维模型的建立,将建立好的模型导入到Gambit进行画网格,图2为经过Gambit生成的网格图,划分网格后进行网格检查,结果不存在没有网格的部分。整体网格划分成功。最后将合格的网格导入到Fluent中进行计算。

图2 喷砂器计算模型

3 冲蚀模型相关计算

3.1 冲蚀模型

由于材料冲蚀行为的复杂性,至今仍没有公认的、普遍适用的公式用于预测材料的抗冲蚀能力。尺寸效应、脆塑性转变等现象尚无合理解释液固双相流冲蚀磨损机理研究现状[6-7]。在冲刷腐蚀条件下,材料的流失方式有2种:一是以离子形式脱离材料表面,即腐蚀;二是以固体粒子(分子状态)形式脱离材料表面,即冲刷磨损。因此冲蚀磨损总失重△W可用下式表示:

式中:△W为冲蚀磨损总失重,kg;△Wc′为腐蚀失重分量,kg;△We′为冲刷磨损失重分量,kg。

3.2 两相流模型

本文最终采纳的是离散相模型[8],在求解带有粒子存在的流动,最直观和容易理解的就是离散相模型Discrete Model[9-10]。粒子被当做离散存在的颗粒,首先计算连续相流场,再结合流场变量求解每一个颗粒的受力情况获得颗粒的速度,从而追踪每一个颗粒的轨道。这就是在拉氏坐标下模拟流场中离散的第2相。

4 数值计算及结果分析

图3是喷砂器的冲蚀磨损量分布云图。在速度都为10 m/s时,砂粒的质量分数为6%的冲蚀磨损的最大冲蚀率为0.043 3 kg/(m2·s-1),如图3a,而砂粒的质量分数为12%的冲蚀磨损的最大冲蚀率为0.0873 kg/(m2·s-1),如图3b,最大冲蚀率明显提高。在相同的质量分数下,冲击速度增大使冲蚀效果更加明显,其最大冲蚀率也明显提高。由此可以得出冲击速度和含沙量与最大冲击率成正比。

图3 喷砂器的冲蚀磨损量分布云图

图4 喷砂器的压力分布云图

图4 是喷砂器的压力分布云图。在速度不变的情况下,质量分数为12%时的入口处压力大于质量分数为6%的入口处压力,而且喷砂口处形成的旋涡更加明显。压力变化更加明显。在质量分数相同时,速度大的压力云图比速度小的压力云图速度变化更加明显。

图5是喷砂器的速度分布云图。在质量分数一定的条件下,速度越大在喷砂器出口形成的漩涡越大,且速度分布越均匀。在入口到喷砂口的位置,速度先保持稳定后在喷砂口附近由大变小,在喷砂器出口的速度分布很不均匀。在速度为10 m/s时,质量分数越大时速度在入口处分布不均匀。当速度为20 m/s时,含砂量的增加使速度在喷砂口出的变化越明显。

图5 喷砂器的速度分布云图

4.1 优化建议

4.1.1 流体对管件冲蚀的治理

1) 管件材料升级 选择或发展耐冲蚀、磨蚀材料。

2) 管件尺寸调整 加大弯头弯曲半径,或通过前后安装同心异径管来增大弯头的流通直径,以降低流速。

3) 管件结构改善 局部加厚受磨损的部位,在弯头外拱内壁安装叶翅,或以盲三通代替弯头都可防止冲蚀。

4) 流体工艺参数的调控 在有限元分析研究的基础上,判断流体对管件的冲蚀位置,使该位置避开最高应力区和连接焊缝区,最好是在最低应力区。

5) 净化流体介质 滤去流体介质中的颗粒杂质[9]。

4.1.2 冲蚀磨损防护措施

1) 改进设计 在保证工作效率的前提下,合理设计零部件的形状、结构。

2) 合理选材 在选材时必须充分考虑工况条件,例如冲击角、冲击速度、温度等环境因素以及磨粒性质的影响。在目前情况下,一般需通过试验来确定。

5 结论

1) 喷砂器在出口处的压力、速度分布变化明显,冲蚀磨损情况也最大。

2) 在含砂量不变的条件下,冲击速度增加会使整体的速度分布更均匀。同理,在速度一定时增大含砂量也会使速度分布均匀。在速度一定时含砂量越少,在入口处压力变化明显,在喷砂出口处形成漩涡,压力分布不均匀。而且入口处压力分布比出口处大。

3) 考虑重力的因素,整体的上部分压力较下部分小。冲蚀磨损不可避免,应尽量选择耐冲蚀效果好的材料。

[1] 马颖,任峻,李元东.冲蚀磨损研究的进展[J].兰州理工大学学报,2005,31(1):22-23.

[2] 陈冠国,褚秀萍,张宏亮.关于冲蚀磨损问题[J].河北理工学院学报,1997,19(4):27-28.

[3] 李诗卓,董祥林.材料的冲蚀磨损与微动磨损[M].北京:机械工业出版社,1987,3(8):3.

[4] 汤文博,徐继达,陶玲.固体粒子冲蚀试验机改进[J].郑州工业大学学报,2001,5(6):4-5.

[5] 夏延.炼制高硫高酸值原油的腐蚀与对策[J].石油学报,2002,5(7):21.

[6] FLUENT6.3Tutorial Guide[DB/CD].Fluent Inc,2006:13.

[7] 沈士明,赵建平.含局部减薄缺陷压力管道的评定方法[J].石油炼制与化工出版,1996,7(8):17.

[8] 王尊策,王森,徐艳,等.基于FLUENT软件的喷砂器磨损规律数值模拟[J].石油矿场机械,2012,41(8):11-14.

[9] 李才,王彦兴,赵亚芬,等.套损井喷砂器改进与现场试验[J].石油矿场机械,2010,39(1):81-83.

[10] 董刚,张九渊.碳钢和低合金钢在酸性环境中的应力腐蚀破坏[J].浙江化工学报,2002,6(2):19-21.

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

赵云婷(1990-),女,黑龙江哈尔滨人,硕士研究生,现从事复杂流体流动与数值模拟方面的研究,E-mail:zhaoyunting1030@126.com。