水力喷射工具用35CrMo钢抗冲蚀性能研究

为了解水力喷射工具用35Cr Mo钢的抗冲蚀性能,模拟实际水力喷射压裂工况,用质量分数0.2%的羟丙基瓜尔胶溶液与石英砂固液混合溶液对35Cr Mo钢试样进行冲刷试验,并借助扫描电子显微镜(SEM)对试验后试样表面形貌进行分析,研究液体入射角和入射流速对冲蚀速率的影响。研究结果表明,上述混合溶液对35Cr Mo钢的冲蚀作用主要表现为机械冲刷磨损;损伤机理为微切削与冲击锻打,小角度入射时以微切削为主,大角度入射时以冲击锻打为主;当冲刷溶液的入射角度为45°时,试样表面冲蚀磨损最严重;入射流体流速的临界值约为8.2 m/s,当流速小于8.2 m/s时,随入射流速的升高,冲蚀速率增加较为平缓,当流速大于8.2 m/s时,冲蚀速率随入射流速升高而迅速上升。因此冲蚀速率与入射流速间的拟合关系应在低流速区和高流速区分段考虑。     

316L不锈钢在污水汽提塔顶循环系统的腐蚀特性

设计、搭建了循环流动实验装置,模拟污水汽提装置塔顶循环系统腐蚀环境,采用电化学测试方法和表面分析技术,对316L不锈钢(316L SS)在污水介质中的腐蚀行为和特性进行了研究。实验结果表明,316L SS在污水介质中的腐蚀形态为局部点腐蚀,腐蚀表面具有弥散分布的点蚀坑。污水介质中NH₄Cl含量和介质流速是影响 316L SS 腐蚀速率的关键因素。当污水介质中NH₄Cl质量分数小于4.0%时,腐蚀体系阻抗较大,316L SS的阳极极化曲线表现为典型的溶解、钝化和点蚀过程;当NH₄Cl质量分数大于4.0%时,极化曲线不具有明显的钝化区,且此时体系的阻抗半径急剧减小,表明316L SS表面未形成完整的钝化膜,材料耐蚀性降低。当污水中NH₄Cl质量分数为4.0%、介质流动速率大于1.0 m/s时,316L SS腐蚀速率急剧升高。     

井底岩屑磨料脉冲射流钻井技术磨损实验研究

采用自行研制的井底岩屑磨料脉冲射流工具及模拟井筒实验装置,通过磨料脉冲射流破岩实验,研究了磨料介质(岩屑、石英砂及钢珠)、自激振荡腔内碰撞壁以及喷嘴的磨损情况。结果表明,岩屑磨料在对岩石冲击磨削的同时,其自身强度也在衰减;石英砂的尖锐棱角被磨平,颗粒变得圆滑;钢珠质量在破岩实验的0～60min内减少比较明显,在60min之后减少的幅度降低,同时,其外表面和球度也发生改变,但未见明显的裂缝等微观特征;冲蚀严重的位置位于井底岩屑磨料脉冲射流调制工具自激振荡腔内的碰撞壁、喷嘴以及流道等处。     

氮气保护下炼化企业停用装置的腐蚀行为研究

模拟停工装置内潮湿环境,对20号钢、16MnR、Cr5Mo和304不锈钢等4种典型材质,在氮气置换保护条件下的腐蚀进行试验,考察了不同氧含量对4种材质腐蚀的影响。利用挂片失重法、3D腐蚀轮廓仪和XRD等手段对腐蚀试样进行了腐蚀速率分析、腐蚀形貌观察和腐蚀产物组成分析。结果表明：气相潮湿环境下,随着氧含量的增加,碳钢腐蚀速率先降低后平稳增加,Cr5Mo和304不锈钢的腐蚀速率均稳定保持在较低的水平;液相环境下,当氧体积分数大于1.0%时碳钢和铬钼钢腐蚀速率有升高的趋势;氧体积分数0.5%~1.0%时各材质在气液两种环境下的腐蚀速率相差不大;碳钢和铬钼钢的宏观形貌基本一致,腐蚀产物主要是疏松的γ-FeOOH和致密的Fe3O4,金属基体腐蚀表现为蚀坑和溃疡状腐蚀;304不锈钢未见明显腐蚀,仍保持金属光泽。选取某企业停工装置的典型部位进行了周期114天的现场挂片实验,结果表明,在氧体积分数0.5%的情况下,各部位停工保护效果良好。     

氮气保护下炼化企业停工装置的腐蚀行为研究

模拟停工装置内潮湿环境,对20号钢、16MnR、Cr5Mo和304不锈钢等4种典型材质,在氮气置换保护条件下的腐蚀进行试验,考察了氧含量对4种材质腐蚀的影响。利用挂片失重法、3D轮廓仪和XRD等手段对试样进行了腐蚀速率分析、腐蚀形貌观察和腐蚀产物组成分析。结果表明:气相潮湿环境下,随着氧含量的增加,碳钢腐蚀速率先降低后平稳增加,Cr5Mo和304不锈钢的腐蚀速率均稳定保持在较低的水平;液相环境下,当氧体积分数大于1.0%时碳钢和铬钼钢腐蚀速率有升高的趋势;氧体积分数为0.5%~1.0%时各材质在气液两种环境下的腐蚀速率相差不大;碳钢和铬钼钢的宏观形貌基本一致,腐蚀产物主要是疏松的γ-FeOOH和致密的Fe3O4,金属基体腐蚀表现为蚀坑和溃疡状腐蚀;304不锈钢未见明显腐蚀,仍保持金属光泽。选取某企业停工装置的典型部位进行了周期114天的现场挂片试验,结果表明,在氧体积分数为0.5%的情况下,各部位的停工保护效果良好。     

测试地面流程弯管冲蚀磨损的影响研究

为研究海上地面流程作业过程中,油嘴调整及弯管结构参数对地面流程弯管冲蚀磨损的影响规律,基于液-固两相流理论、冲蚀磨损模型,结合流场、颗粒运动轨迹对地面流程弯管流速、固相颗粒体积分数、流速与弯管弯曲角度等冲蚀磨损影响因素进行了耦合分析。分析结果表明:不同产量对应的流速由14 m/s增大至23 m/s时,固体颗粒体积分数对弯管的最大冲蚀速率的影响最高达到了9.66倍;冲蚀固体颗粒体积分数由0.01%增大到0.09%时,流体流速对弯管最大冲蚀速率的影响最高达到了6.92倍;流速与固相颗粒的耦合影响最高可达到50.7倍;当流速一定时,随着弯管弯曲角度的增大,最大冲蚀率呈现出增大的趋势,流速与弯曲角度耦合影响最高可达到19.8倍;随着流速和固相颗粒体积分数的增大,地面流程弯管的最大冲蚀速率增大,当固体颗粒体积分数处于0.07%～0.09%时,流速对冲蚀的影响小于固相颗粒体积分数改变带来的影响。研究结果对于地面流程弯管的改进设计及其安全防护具有一定的指导作用。     

节流器内液-固两相流固体颗粒冲蚀数值模拟

建立了考虑颗粒碰撞的颗粒冲蚀计算模型,该数学模型包括:在Eulerian坐标系下求解连续相流场;在Lagrangian坐标系下运用离散颗粒硬球模型求解颗粒碰撞;应用半实验关联式求解颗粒冲蚀速率。对水力加砂压裂施工中节流器内液-固两相流的固体颗粒运动和冲蚀特性进行了数值模拟。计算结果表明,固体颗粒密集于节流器入口到出口的一段狭长区域内,冲蚀速率随流体速度呈指数性变化。颗粒直径越大,冲蚀速率也越大。节流器内冲蚀最严重的位置发生在距离节流器出口上边缘10mm以内的局部区域。     

液固两相流对活动弯头的冲蚀研究

为了探究流体在输送中对活动弯头的冲蚀规律,以76. 2 mm (3 in) 10型长半径活动弯头为研究对象,建立了该型号活动弯头的物理模型。利用Fluent软件进行仿真分析,分别针对活动弯头的安装角度、流体进口速度、固体颗粒质量流量及固体颗粒直径等因素进行了数值模拟。研究结果表明:流体对活动弯头的冲蚀速率随着安装角度的增加呈现出先增大后减小的变化规律,并且在安装角度为3π/8时冲蚀速率达到最大值;随着流体进口速度的增大,其对活动弯头的冲蚀速率逐渐增大,其增长速率也逐渐增大;冲蚀速率与固体颗粒质量流量呈线性正相关关系;当固体颗粒直径增大时,冲蚀速率呈现出先减小后增大的变化规律,在颗粒直径为150μm时达到最小值,在颗粒直径大于500μm时,冲蚀速率的增长趋于平缓。研究结果可为活动弯头的进一步优化设计提供参考。     

基于气-固双向耦合的输气管道最大冲蚀角度预测

弯管作为气田集输管道输送系统中的常用组件,极易受到固体颗粒对管壁的冲蚀破坏。为了研究输气管道的冲蚀规律、 预测弯管最大冲蚀位置,采用Eulerian-Lagrangian 方法计算了管内气、固两相的流动情况,在Eulerian 坐标系下求解气体连续相 流场,在Lagrangian 坐标系下求解颗粒离散相运动轨迹,利用Erosion/Corrosion Research Center（E/CRC）冲蚀模型以及Grant 和 Tabakoff 颗粒-壁面碰撞模型计算管壁冲蚀速率。数值计算过程中考虑了气、固两相之间的双向耦合作用,利用多种模型研究了在 不同弯径比及颗粒直径影响下的弯管冲蚀规律、颗粒运动轨迹及弯管最大冲蚀角度,并提出最大冲蚀位置预测方程。研究结果表明： ①固体颗粒对弯管的冲蚀存在着临界直径,在颗粒临界直径前后的冲蚀规律明显不同;②固体颗粒直接碰撞和滑动碰撞共同作用导 致弯管出现不同的冲蚀形貌,并影响最大冲蚀速率的出现位置;③根据临界颗粒直径以及管道中颗粒运动轨迹提出的冲蚀最严重位 置预测方程能很好地预测弯头处最大冲蚀角度,可以为输气管道冲蚀预测提供参考。     

压裂过程超级13Cr油管冲刷腐蚀交互作用研究

压裂过程中,高速含砂流体引起的冲蚀-腐蚀协同作用是引起油管、井下工具等设备失效的重要原因之一。利用自行研制的喷射式冲蚀试验装置,以质量分数3.5%的NaCl含砂液、固两相流体模拟加砂压裂液,采用失质量法研究了压裂排量对超级13Cr油管材料的冲刷磨损和腐蚀交互作用。研究结果表明,在质量分数3.5%的NaCl含砂流体中,超级13Cr油管用钢冲刷和腐蚀交互作用可以分为冲刷加速腐蚀和腐蚀加速冲刷磨损2部分。以114.3 mm×6.88 mm油管压裂为例,在液体排量超过2.65 m3/min时,因为冲蚀加速腐蚀和腐蚀加速冲蚀产生的交互作用都明显增大,导致总的冲蚀速率急剧上升;继续增加排量,交互作用开始由冲刷磨损主导,而冲刷加速腐蚀部分产生的交互作用降低。研究结果可为预防油气田压裂过程超级13Cr油管冲蚀提供参考。     

流砂条件下P11O钢冲刷腐蚀规律研究

采用旋转圆盘冲刷装置测试了P110钢在多因素耦合条件下的冲刷腐蚀速率,装置配有电化学测试仪,通过失重法和电化学测试相结合的方式比较砂粒尺寸、含砂量、液体流速等对流砂条件下P110钢冲刷腐蚀情况的影响,利用扫描电子显微镜观察冲刷腐蚀后的形貌。结果表明：相同介质中,液体流速、砂粒尺寸与P110钢表面受力学作用强度呈正比关系;由于Cl^-对钢材表面钝化膜的破坏作用,NaCl浓度值越大腐蚀失重速率越高;冲刷过程中,砂粒的表面粗糙度降低,而后因破碎作用而恢复,同一冲刷条件下,冲刷腐蚀速率随时间先降低,后升高;含砂量对冲刷腐蚀速率的影响存在一个临界值——3％（质量分数）,超过临界值时随含砂量先增大后减小,腐蚀速率降低是大量固体颗粒沉积导致的“屏蔽效应”所引起的。     

页岩气采气管线材料L360N钢的含砂冲蚀行为研究

页岩气开采初期井口装置存在严重冲刷腐蚀,影响采气安全及经济效益。为了制定有效的防治方案,以L360N管线钢为研究对象,研究了材料在含砂冲蚀条件下的损伤行为规律。利用喷射式冲蚀实验装置,采用失重、形貌观察等方法,研究了模拟液固冲蚀条件下,含砂量和攻角对材料冲刷腐蚀损伤的影响规律。结果表明:射流速度为8 m/s、攻角为90°、砂的质量分数为7%时,材料的损伤最大;质量分数为3%时最低,冲蚀240 min后的累积失重约是质量分数为7%时的52%;射流速度为8 m/s、砂的质量分数为5%条件下,30°攻角时损伤最大,60°攻角时损伤最小,约为最大值的48%。     

高压双筒滤网式除砂器设计研究

在油气井生产过程中,随着油气资源不断从井底被开采出来,开采出来的原油含砂、含水量逐渐增加。油井除砂会对油气生产设备造成冲蚀、刺漏甚至是堵塞,使得生产设备的寿命受到较大的影响,造成严重的经济损失。在对国内外现有除砂技术研究的基础上,从经济性角度出发,展开了适用于国内油气除砂的高压双筒滤网式除砂器的设计研究。主要包括除砂器工艺流程设计与总体方案设计; 除砂器关键部件除砂筒的设计、有限元数值模拟以及除砂器工业试验。研究结果表明:所设计的高压双筒滤网式除砂器具有较高的可靠性和现场应用价值。     

非常规储层压裂砂比对支撑剂铺置质量影响的实验研究

低孔超低渗透率的非常规储层需通过大规模的水力压裂形成支撑剂填充的高导流裂缝,才能获得有经济效益的油气产量,缝内支撑剂铺置规律直接影响压裂效果,影响支撑剂铺置的因素包括施工排量、施工压力、砂比等。为了研究砂比对支撑剂在缝内铺置的影响,运用了大型可视平板垂直裂缝模拟系统,研究了不同砂比下陶粒支撑剂在裂缝中的沉降运移规律。实验结果表明,砂比对20 ~ 40目陶粒砂堤形状有影响,但砂堤形状变化较小;当陶粒砂比增加时,陶粒堆积形成的砂堤坡度减小;陶粒砂比增加,陶粒颗粒之间的碰撞作用增强,沉降量减小,砂堤高度减小;陶粒支撑剂水平运移速度受砂比影响较小,接近液体流速;陶粒砂比增加,陶粒支撑剂的沉降速度减小。研究结果可为支撑剂沉降运移动态研究及支撑剂优选提供参考。     

气井井下防砂工作筒冲蚀性能研究

为降低气井压裂后出砂对生产管柱及地面设备造成的危害,延长气井生产管柱使用寿命,提高生产安全性,研发了气井井下防砂工艺技术。研制的工作筒作为防砂筛管井下定位的关键部件,在压裂过程中受高速支撑剂颗粒冲蚀作用而磨损,其定位可靠性存在风险。为研究工作筒的冲蚀规律,运用数值模拟软件对工作筒在不同排量、砂比、粒径条件下的冲蚀情况进行分析。研究结果表明：支撑剂对工作筒的冲蚀磨损主要发生在筒内变径区域;随着施工排量的增加,工作筒的冲蚀速率随之增加,且成近似指数关系;在施工排量及砂比一定的条件下,颗粒直径变大,冲蚀磨损呈现出先增大后减小的趋势。分析结果可为防砂工作筒结构的优化设计提供依据。     

形状记忆膨胀颗粒防砂材料性能评价

针对油气井开采过程中的出砂问题,提出采用温敏性形状记忆聚合物材料填充射孔孔道的新型防砂方法,以达到简化施工程序、降低防砂成本和延长防砂有效期的目的。优选形状记忆聚氨脂泡沫作为原料,加工成粒径3～6 mm的不规则颗粒,并在颗粒外表面涂覆环氧树脂和固化剂,制备成膨胀颗粒防砂材料,试验评价了该防砂材料的膨胀性能、耐温性能、抗压强度、过流性能、挡砂性能和耐介质性能。试验结果表明:该防砂材料在温度60～70 ℃下开始膨胀,最高适应温度90 ℃;膨胀系数200 %,在约束空间中膨胀胶结后可形成整体硬质挡砂屏障,抗压强度4.5 MPa,渗透率90 D,可阻挡粒径大于0.15 mm的地层砂;其过流性能和抗堵塞能力明显高于树脂涂覆砂防砂材料。该防砂材料防砂形成的挡砂屏障具有高渗透、高强度和抗堵塞的特点,利用该材料防砂具有成本低、施工简单和不留管柱等优点,具有很好的推广应用价值。      

平椭圆弯管冲蚀磨损数值模拟

为了研究天然气运输过程中含砂气体对弯管的冲蚀磨损特性并提高弯管的耐磨性,在充分分析圆管流体冲蚀特性的基础上提出了平椭圆管道。利用气固两相流冲蚀方程对平椭圆管道弯头进行冲蚀磨损分析,研究了不同长宽比的平椭圆管道的冲蚀速率和冲蚀区域形状,从中优选出合适的长宽比,并分析了不同质量流量、不同粒子直径及不同气体流速等工况下粒子对管道冲蚀的影响。分析结果表明:相比于普通圆管,平椭圆管能明显降低最大冲蚀速率,随着平椭圆管长宽比的增大,最大冲蚀速率逐渐下降;当长宽比达到1.4后,最大冲蚀速率下降的速度明显降低,因此认为平椭圆管最适宜的长宽比为1.4,此时最大冲蚀速率下降了21.9%;当粒子直径增大时,平椭圆管弯头处的最大冲蚀速率先升高、后降低、再升高,冲蚀区域基本保持不变。所得结论可为平椭圆弯管抗冲蚀措施的制定提供参考。     

适度防砂井采油树冲蚀作用的分析与认识

针对渤海油田在适度防砂井日常生产过程中所面临的井口冲蚀问题,通过结合渤海油田常用采油树类型,建立相应的CFD模型,并采取非均匀结构化网格划分;分析了不同产液量、含砂量及砂粒尺寸对流道冲蚀分布轨迹状态,以确定井口采油树受冲蚀磨损的关键区域。结果表明,出砂含量的增加会加剧采油树内壁特定区域冲蚀范围的集中,出砂粒径变化会导致冲蚀位置及最大冲蚀率产生有规律性的分布。该研究为渤海油田采油树安全检测及现场安全生产管理提供一定的指导意义。     

石英砂支撑剂长期导流能力变化规律实验研究

利用石英砂代替陶粒支撑剂能有效降低施工成本,在致密油气藏压裂改造中广为应用。为探究石英砂支撑剂对裂缝长期导流能力的影响规律,选用20～40目、40～70目和70～140目石英砂,开展长期导流能力测试实验,探究有效应力、铺砂浓度、粒径组合、铺置模式等因素对石英砂长期导流能力的影响并拟合参数化经验模型。研究认为：长期导流能力随铺砂浓度的增加,先升高再降低,反映了从“支撑”到“封堵”的演化;在低铺砂浓度条件下,大粒径石英砂易破碎堵塞流道,因此可在高闭合压力储层优选细砂,在低闭合压力储层优选中砂或粗砂;在考虑混合铺置时,应先采用低黏度压裂液泵送大粒径石英砂,后采用高黏度压裂液泵送小粒径石英砂,文中给出的混合铺置导流能力预测模型适用于混合铺置支撑剂粒径及比例的优化设计。     

内蒙古图牧吉油砂流化热转化反应规律

 在小型流化热转化实验装置上,考察了内蒙古图牧吉油砂的流化热转化反应规律。得到最佳的反应条件为反应温度490℃、反应时间5 min、水/油质量比0.4、热载体/油砂质量比2。在此最优操作条件下,液体产品收率达到79.87%, 轻油收率达到26.59%。随着图牧吉油砂流化热转化反应温度的升高,干气、液化气及汽油产率增加,这主要来自于重油的二次裂化。热转化后的液体产品相对于油砂沥青,残炭、微量金属含量及黏度都有大幅度的降低,同时馏程得到很大改善,有助于后续的加工利用。