水力压裂对油管头四通冲蚀磨损分析

页岩气水力压裂对井口装置的冲蚀破坏性较大,且油管头四通为永久性连接装置,一旦破坏将带来较大风险。基于喷射型冲蚀磨损机理及计算流体力学,结合冲蚀磨损试验及模拟计算,研究水力压裂下油管头四通材料的冲蚀磨损特性以及分析计算固-液两相流冲蚀下油管头四通冲蚀磨损程度。结果表明,冲蚀角度对油管头磨损影响较大;冲蚀介质的形状及表面因素决定油管头材料冲蚀磨损量;陶粒较石英砂冲蚀磨损率大;粒度对基材的冲蚀磨损满足"尺寸效应"。基于CFD预测水力压裂下油管头的减薄率,满足作业安全要求。     

35CrMo钢冲蚀磨损的磁记忆检测信号定量研究

钻井作业中,井控管汇受到高速携砂液的冲蚀作用会出现磨损现象,因此研究其常用管材35CrMo钢的冲蚀性能有重要意义。采用喷射型冲蚀试验机进行了室内试验。35CrMo钢在高速携砂液的冲蚀磨损下,以冲蚀磨损量和冲蚀率表征冲蚀磨损程度,对冲蚀过程中的冲蚀磨损程度随冲蚀时间的变化进行了过程划分;对经降噪和求取梯度处理后的磁记忆信号进行分析,将其与35CrMo钢的冲蚀磨损程度进行拟合定量分析。将磁记忆信号特征参量和冲蚀磨损程度2个变量绘制关系曲线及拟合公式,发现磁记忆信号的梯度峰峰值与冲蚀磨损量呈指数相关,磁记忆信号的梯度峰峰值之间的差值与冲蚀率基本呈正线性相关。通过对磁记忆信号的处理,可定量分析出某一情况下35CrMo钢被冲蚀磨损的程度。     

水力压裂工况对活动弯头冲蚀行为的影响

目的探究压裂施工参数对活动弯头冲蚀的影响,厘清不同工况条件下活动弯头冲蚀行为及冲蚀速率的演化趋势。 方法使用CFD软件建立通径为69.85 mm的双弯弧活动弯头模型,结合压裂实际工况,分别针对不同安装角度、支撑剂质量流量、压裂液流速及黏度条件下活动弯头冲蚀行为进行仿真计算。 结果不同工况条件下弯头最大冲蚀速率均出现在第二弯弧外拱侧出口处。在其他参数相同的条件下,活动弯头最大冲蚀速率在安装角度75°时出现极小值;支撑剂质量流量在4.2～25.2 kg/s 范围内,最大冲蚀速率呈线性增大,当支撑剂质量流量达到 33.6 kg/s 后,由于“屏蔽效应”导致冲蚀速率增速较略有降低;冲蚀速率随着压裂液流速增大呈近似指数型增长趋势;压裂液黏度在 10～40 mPa·s 范围内时,活动弯头最大冲蚀速率较为平稳,随着黏度逐渐增大,最大冲蚀速率也随之增大,并在 120 mPa·s 后趋于平稳。 结论研究结果与现场实际基本符合,可为压裂现场活动弯头布局及施工参数优化提供有效参考。      

水力喷射压裂用喷嘴耐冲蚀试验方法研究

喷砂射孔所用磨料、压裂液和支撑剂均需通过喷嘴,并以较高的压力和排量被泵注到地层和裂缝中,导致喷嘴冲蚀严重及其内部流道变形,这将降低喷嘴的冲蚀切割能力,对压裂施工的顺利进行产生很大的影响。鉴于此,对水力喷射压裂喷嘴冲蚀程度随喷射时间变化的规律进行试验研究。设计了试验方案,分析了喷嘴冲蚀特性,确定了试验参数,并得到了喷嘴直径与时间的拟合模型。试验结果表明:在排量3 m~3/min、砂比10%的工况下,喷嘴内壁的破坏形式以微切削和疲劳损伤为主,喷嘴出口处脆性破坏明显;喷嘴直径及喷嘴质量与磨蚀时间具有明显的线性关系。研究结果对工具的合理使用和延长工具使用寿命有着重要的指导意义。     

大规模水力压裂过程中超级13Cr 油管冲蚀预测模型建立

大规模水力压裂过程中,高速流动的携砂压裂液会对油管内壁造成冲蚀,导致油管壁厚减薄,承载能力降低。为了准确预测大规模水力压裂过程中油管的冲蚀速率,利用自制的冲蚀实验装置,采用0.2 % 胍胶压裂液与40/70 目石英砂混合形成的液固两相流体,实验研究了冲蚀角度和流体流速对超级13Cr 油管冲蚀速率的影响,建立了适用于大排量高砂比压裂的冲蚀预测模型,运用新模型,可以比较准确地预测注入总液量和排量对超级13Cr 油管壁厚损失的影响。算例分析结果表明,大规模压裂过程中,超级13Cr 油管的壁厚损失范围为0.2~1.3 mm,应该控制排量和砂含量,防止油管壁由于冲蚀而导致安全性降低。     

射孔工况下多喷嘴水力喷射工具冲蚀研究

大排量高砂比水力喷砂压裂的射孔过程中,高速流动的携砂液会对喷射工具表面产生严重的冲蚀损伤。根据喷射工具本体材料35CrMo钢的喷射式冲蚀实验,得到了半经验的冲蚀计算模型。结合DPM数值模拟方法获得射孔过程中工具内部的液固两相流场分布及壁面冲蚀速率,讨论了液相参数和固相颗粒参数对流经上、下游喷嘴颗粒含量及喷嘴入口区域冲蚀损伤的影响。计算结果表明,当工具内部流动达到稳定时,下游喷嘴的颗粒含量大于上游喷嘴的颗粒含量,下游喷嘴入口区域的冲蚀损伤更为严重,颗粒含量及冲蚀损伤的差异性在使用大排量、高黏度液体和大直径、高密度颗粒时更为严重。为防止因上、下游喷嘴颗粒含量差异较大影响射孔效率的情况,建议在实际生产过程中,使用携砂性较好的高黏度压裂液和低密度小直径的颗粒,在保证作业效率和工具寿命的同时控制施工排量。     

35CrMo钢冲蚀磨损性能和机制的研究

油气作业中,井控管汇受高速携砂液冲蚀,易引发管汇破裂和刺穿,造成工业事故。为了解井控管汇常用材料35CrMo钢的冲蚀磨损性能,采用冲蚀磨损试验机研究了含不同粒径支撑剂的携砂液对35CrMo钢冲蚀时,冲蚀角度(5°~30°)和冲蚀速度(20~45 m/s)对其冲蚀磨损性能的影响;并通过扫描电镜对35CrMo钢表面的冲蚀坑进行了微观形貌扫描,分析了冲蚀角度和冲蚀速度对冲蚀机制的影响。研究结果表明:35Cr Mo钢的冲蚀率与冲蚀速度呈指数关系;在对数坐标系中,冲蚀率与冲蚀速度呈线性关系;支撑剂的粒径对速度指数n影响很小;随冲蚀角度的增加,冲蚀率呈指数关系增大,冲蚀犁沟的长度变短,深度加深,撞击凹坑的数目增多。冲蚀坑的形成机制取决于支撑剂颗粒冲蚀能量的大小及其切向分量与法向分量的大小。     

水力喷砂压裂工具喷嘴磨损分析

分析了水力喷砂压裂工具喷嘴磨损的机理。水力喷砂射流对喷嘴的磨损主要是喷砂射流中砂粒对喷嘴内壁材料的冲蚀磨损。砂粒对喷嘴内壁面冲蚀磨损作用的形式包括微切削磨损、疲劳磨损、脆性断裂磨损及扩散磨损等。研究表明:喷嘴材料的微观组织结构及物理力学性能、喷嘴内流道结构形状及几何参数、喷嘴内表面粗糙度、喷砂射流中砂粒浓度、砂粒特性(硬度、粒度、形状等)及射流工作参数(射流压力等)对于喷嘴的磨损都有影响。提出了耐磨材料选择,喷嘴内流道结构优化等延长喷嘴寿命的措施。     

管汇材料35CrMo钢冲蚀磨损性能研究

35CrMo材料作为常用的管汇材料,研究其冲蚀磨损性能对于保证钻井作业安全十分重要。采用自主研发的冲蚀磨损试验机在压力105 MPa、介质冲击速率30 m/s的条件下,对35CrMo材料制作的试样进行了冲击磨损试验,分析了冲击角度、冲蚀介质和冲击时间对冲蚀磨损量的影响。分析结果表明:35CrMo合金钢的最大冲蚀量出现在冲击角度为30°~45°时,冲击角度较小时,微切削起主要作用,随着角度的增大,锻造作用造成的塑性变形机制引起磨损加重;陶粒支撑剂对材料的冲蚀磨损远大于覆膜砂,并且随着冲蚀介质支撑剂粒径的增大,材料的磨损量也增加;在试验设定的时间段内,随着冲蚀时间的延长,冲蚀磨损量几乎呈线性增加。所得结论对预估材料的冲蚀磨损剩余寿命有一定的参考作用。     

超深井变径连续管冲蚀磨损规律研究

针对超深井变径连续管的冲蚀问题,基于冲蚀理论和固液两相流理论,对变径连续管的井下水平段和滚筒缠绕段进行冲蚀模拟分析,研究变径连续管不同壁厚和变壁厚段的冲蚀情况,采用控制变量法研究排量、含砂比、颗粒直径以及颗粒密度对变径连续管的冲蚀影响规律。研究表明：随着壁厚的减小,变径连续管内壁的冲蚀逐渐减小,变径段的冲蚀要比不变径段的冲蚀小,而且滚筒缠绕螺旋段的冲蚀集中在连续管外侧。此外,随着排量、含砂比、颗粒密度的增加,最大冲蚀速率呈增大的趋势;随着颗粒直径的增加,最大冲蚀速率呈减小的趋势。研究结果对变径连续管的应用具有一定的指导作用。     

循环氢压机42CrMo合金钢活塞杆腐蚀失效剖析

通过对石蜡加氢装置3号循环氢压机42CrMo合金钢活塞杆腐蚀产物进行物理测试,考察了腐蚀原因。结果表明,石蜡加氢装置3号循环氢压机活塞杆腐蚀的原因是氢气介质冲击腐蚀与硫化氢介质的腐蚀联合作用所致。即活塞杆在氢气介质中高速运转时,由于旋转力矩形态的不断变化产生湍流作用,使镀铬层表面形成强烈的冲击腐蚀,导致Cr镀层及Cr的...     

节流管汇冲蚀磨损研究及结构改进

提高节流管汇的抗冲蚀能力、减少节流管汇的失效概率,对于成功控制溢流、实现井控安全有重要意义。从冲蚀磨损机理、数值模拟仿真和结构改进等方面开展了节流压井管汇防冲蚀磨损研究。模拟结果认为,随着开度的增大,钻井液冲蚀速度在不断降低,但钻井液速度仍高于临界冲蚀速度,冲蚀区域主要发生在下游管路入口和出口附近的管壁上。针对数值分析结果,提出了节流管汇结构改进方案。改进后的节流管汇现场试验时,防冲刺短节内部无明显的冲蚀现象,防刺效果较好,满足现场使用要求。     

基于正交试验的割缝筛管冲蚀磨损分析

为了探讨割缝筛管的冲蚀磨损情况,采用有限元法分析了生产压差、粒度水平、含砂水平及动力黏度等因素对割缝筛管冲蚀的影响程度,通过正交试验确定了各因素影响割缝筛管的主次顺序。分析结果表明:在一定的生产环境下,筛管缝道入口处流速最大,在入口处呈现一定半径圆弧的趋势增大,于缝隙处发生最大冲蚀率,正对来流方向的区域冲蚀严重;正交试验法确定的主次因素为含砂水平>粒度水平>动力黏度>生产压差,使割缝冲蚀最小的最佳组合方案为生产压差3 MPa,动力黏度0.05 Pa·s,粒度0.21 mm,含砂体积分数1%。所得结论可为筛管的结构设计与精度选择提供依据。     

裂缝充填模拟试验装置的研制

鉴于常规裂缝导流仪无法有效开展如压裂充填防砂、防支撑剂回流和压裂液在裂缝条件下的破胶过程以及对导流能力的伤害等试验研究问题,研制了裂缝充填模拟试验装置。该装置通过铺置岩板和支撑剂,可以针对不同闭合压力、温度、流体、流速、射孔孔径和孔密,更加全面准确地模拟地层内裂缝前端和两侧壁面的流体渗流、地层砂侵入,支撑剂回流状况,基于出砂量、裂缝导流能力、裂缝缝宽变化或支撑剂回流量等测试结果,可全面地评价优化支撑剂的嵌入程度、防砂和防支撑剂回流效果及裂缝充填层的伤害等指标。该装置为水力压裂中各种参数的优化评价构建了一个合理而有效的平台。     

基于裂缝重构评价酸蚀对碳酸盐岩应力敏感性的影响

碳酸盐岩的脆性较强,应力敏感性实验会对岩心产生不可逆破坏,导致无法利用同一岩心评价酸蚀前后的应力敏感性差异,评价结果对比性较差.针对该问题,基于裂缝重构技术建立了一套评价酸蚀对碳酸盐岩应力敏感性影响的方法,对酸蚀前后的裂缝缝面进行特征扫描并重构,利用有限元方法开展了有效应力作用下裂缝闭合规律的研究,并模拟了有效应力下酸...     

高温高流速冲蚀实验装置及Cr5Mo钢在环烷酸中的冲蚀研究

设计制造了一套高温高流速冲刷腐蚀实验测试装置,并利用该装置对Cr5Mo钢在230～248℃、流速为47m/s、酸值为8.3mgKOH/g变压器油的条件下,进行了冲蚀实验.由该装置测得的腐蚀速率与现场条件下的腐蚀速率具有可比性.它可用来评价高温高流速条件下材料的冲刷腐蚀行为和进行冲刷腐蚀机理研究,并为材料及各种防护手段提供测试条件.     

连续管喷砂射孔分段压裂工具的研究与应用

连续管水力喷砂射孔套管逐层压裂工艺技术能提高储层改造的准确度和有效率,对水平井分段压裂和直井多层压裂有极为广泛的应用前景。在分析连续管水力喷砂射孔套管压裂技术工艺原理和特点的基础上,对该技术配套工具的结构进行了介绍,包括连续管连接器、丢手接头、喷嘴、扶正器、机械式套管接箍定位器及喷射器。以苏东3-69C1井为例,介绍了连续管喷砂射孔压裂工具的现场应用情况。压裂结果表明,压裂后该井日产气量2.5万m3,喷嘴经受了80 min喷砂射孔的磨损,喷嘴直径平均扩大率约为6%,喷射器本体保持完好,未见明显冲蚀;连续管喷砂射孔套管分段压裂工艺满足苏里格气田的储层特征。     

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。     

冲刷后地基土体特性及平台桩基承载力研究

评价冲刷对桩基础的影响常采用将冲刷掉的土层直接移去且认为下层土体物理特性不变的方法。该方法忽略了冲刷前后土体经历的应力历程的差异及由此导致的土体特性变化。基于冲刷作用下砂土地基土体特性的变化,对平台桩基承载力性状进行了研究。对冲刷后砂土地基土体的摩擦角、相对密度和超固结率进行了估算。在此基础上提出冲刷后砂土地基极限土抗力计算公式,并对冲刷后桩基土抗力p-y曲线进行了修正。最后利用SACS 5.2软件分析冲刷后横向受载桩的动力响应。分析结果表明,忽略冲刷后土体特性的变化可能会导致横向受载桩过于保守的设计。     

煤岩力学特性测试与煤层气井水力压裂力学机理研究

通过大量煤岩力学物理性质的测试与分析,证实了试验区煤岩的弹性模量相对较低,泊松比较高,脆性大,易破碎,易压缩,且煤岩垂直层理方向上和平行层理方向上的力学物理性质差异较大,因而应将煤岩视为正交各向异性体或横观各向同性体来处理。运用Ｇｒｉｆｆｉｔｈ等有关脆性断裂理论,试验和研究了煤岩单轴压应力状态下的脆性断裂过程。