圖 1沖蝕試驗系統(tǒng)示意
Figure 1.Schematic of erosion test system
0. 引言
油井管是由油管、套管、鉆桿和井下工具等組成的特殊的石油機械裝備,是連通地面和油藏的唯一通道。連續(xù)油管因具有可連續(xù)起下、作業(yè)周 期短、成本低等特點,已廣泛應(yīng)用于大慶、長慶、新疆等油田[1]。采用連續(xù)油管攜砂壓裂作業(yè)進行油氣儲層改造時,攜砂液高速流經(jīng)管內(nèi)會引起管壁的沖蝕磨損,加速管體損傷,導(dǎo)致連續(xù)油管發(fā)生刺漏、破裂等失效問題[2-3]。
目前,對于石油管在壓裂工況下沖蝕問題的研究,主要集中在傳統(tǒng)的非連續(xù)單根油井管材料上。雖然這些研究成果可以借鑒,但是不能完全照搬應(yīng)用于連續(xù)油管。隨著連續(xù)油管壓裂技術(shù)的推廣,連續(xù)油管材料的沖蝕性能研究得到越來越多的關(guān)注。竇益華等[4]研究了在不同攜砂液沖刷速度和沖刷角度下連續(xù)油管外壁的沖蝕危險區(qū)域和沖蝕速率的周期性變化,但未考慮砂質(zhì)量濃度和砂粒徑的影響。趙簽等[5]研究發(fā)現(xiàn),無論砂質(zhì)量濃度、沖刷速度和砂粒徑大小如何,油管的最大沖蝕損傷均發(fā)生在斜井段入口附近,但未進行有關(guān)砂類型對連續(xù)油管壁面的沖蝕研究。鄢標(biāo)等[6]研究發(fā)現(xiàn),螺旋段連續(xù)油管的沖蝕速率隨著壓裂液中砂質(zhì)量濃度及沖刷速度的增大而增大。連續(xù)油管在壓裂工況下的沖蝕磨損問題非常復(fù)雜,其中攜砂液的沖刷角度、沖刷速度、砂質(zhì)量濃度、砂粒徑和砂類型被認為是引起管材沖蝕損傷的主要因素[7-14],因此在研究其抗沖蝕性能時需要考慮這些關(guān)鍵影響因素。
QT1100鋼是一種高強度低合金鋼,可抵抗大氣腐蝕,制成的連續(xù)油管產(chǎn)量高。作者采用噴射式試驗裝置對該油管鋼進行液固兩相流沖蝕試驗,研究了攜砂液沖刷角度、沖刷速度、砂質(zhì)量濃度、砂粒徑、砂類型等因素對其沖蝕性能的影響規(guī)律,分析了其沖蝕磨損機理。
1. 試樣制備與試驗方法
試驗材料為QT1100連續(xù)油管鋼,由長慶油田提供,化學(xué)成分（質(zhì)量分數(shù)/%）為0.16C,1.65Mn,0.025P,0.005S,0.5Si,余Fe；抗拉強度和屈服強度分別為758MPa和689MPa,硬度為28HB,斷后伸長率為16%。在試驗鋼上截取尺寸為20mm×20mm×5mm的長方體沖蝕試樣,用360#,600#,800#和1200#水磨砂紙逐級打磨測試表面,直至表面平整光滑,達到ASTM G73：2010標(biāo)準(zhǔn)要求。將打磨好的試樣用無水乙醇沖洗干凈,烘干后放入干燥器皿中于50℃存放12h以上。
采用如圖1所示的沖蝕試驗系統(tǒng)進行液固兩相流沖蝕試驗：將試樣固定在沖蝕試驗臺的夾具上,通過調(diào)節(jié)夾具與噴嘴之間的夾角設(shè)置沖刷角度；將攜砂液加入儲液罐,開啟攪拌器進行充分攪拌后,對試樣進行沖蝕。攜砂液由清水和天然石英砂或人工陶粒砂配制而成,天然石英砂顆粒為尖角形,粒徑分別為0.300~0.420mm,0.200~0.250mm,0.150~0.180mm,0.106~0.125mm,0.063~0.090mm,人工陶粒砂顆粒為近球形,粒徑為0.2mm；攜砂液中砂質(zhì)量濃度分別為15,30,45,60,75kg·m−3,沖刷角度分別為15°,30°,45°,60°,75°,90°,沖刷速度為2.4,7.2,12.0,16.9m·s−1,沖刷時間為1.5h。試驗結(jié)束關(guān)閉裝置,取下試樣,清潔被沖刷表面,烘干。稱取沖蝕前后試樣質(zhì)量,采用失重法計算沖蝕速率[15],計算公式為
式中：ER為沖蝕速率,mm·h−1；m0,m1分別為沖蝕試驗前后試樣的質(zhì)量,g；S為試樣沖蝕面的面積,m2；t為沖刷時間,h；ρw為材料密度,kg·m−3。
采用Gemini SEM 360型掃描電子顯微鏡（SEM）觀察沖蝕試樣表面微觀形貌。
2. 試驗結(jié)果與討論
2.1 沖刷角度和沖刷速度的影響
由圖2可見,試驗鋼的沖蝕速率隨著沖刷速度提高而增大,隨著沖刷角度增加先增大后減小,在45°角沖刷時沖蝕速率最大。
圖 2不同沖刷速度下試驗鋼沖蝕速率隨沖刷角度的變化曲線
Figure 2.Erosion rate vs scouring angle curves of test steel at different scouring speeds
由圖3可以看出：在沖刷速度12m·s−1下小角度（15°,30°）沖刷后,試驗鋼表面出現(xiàn)較長的切削犁溝和少量沖擊坑；當(dāng)沖刷角度增大至45°時,表面切削犁溝長度變短,沖擊坑數(shù)量增多,沖蝕面積更大且深度更深；隨著沖刷角度繼續(xù)增大,試驗鋼表面切削痕跡減少,主要存在沖擊凹坑,當(dāng)沖刷角度增大至90°時,切削痕跡基本消失,出現(xiàn)了無方向性的沖擊坑和裂紋。這說明以清水和天然石英砂粒混合的攜砂液對試驗鋼進行不同角度沖刷時,其沖蝕機理均為物理性的機械沖刷磨損。當(dāng)以小角度（小于45°）沖刷時,攜砂液主要以切應(yīng)力形式作用于試驗鋼表面,對試驗鋼表面進行微切削而引起較長的切削犁溝；當(dāng)以大角度（大于45°）沖刷時,攜砂液主要以正應(yīng)力鑿壓和擠壓方式作用于試驗鋼表面,導(dǎo)致表面產(chǎn)生明顯的沖擊坑；當(dāng)沖刷角度為45°時,試驗鋼表面承受切應(yīng)力和正應(yīng)力共同作用,沖蝕磨損最嚴重,其表面沖擊坑和切削犁溝都較明顯。這與文獻[16]中304不銹鋼經(jīng)液固兩相流蝕刷后的沖蝕損傷機理相符。
圖 3不同沖刷角度和沖刷速度沖刷后試驗鋼表面的SEM形貌(粒徑0.150~0.180mm天然石英砂,砂質(zhì)量濃度15kg·m−3)
Figure 3.SEM morphology of surface of test steel after erosion with different scouring angles and scouring speeds (0.150–0.180mm particle size of natural quartz sand, sand mass concentration of 15kg·m−3)
在沖刷角度45°下,當(dāng)沖刷速度為2.4m·s−1時,試驗鋼表面出現(xiàn)一些輕微切削痕跡和不太明顯的沖擊坑；當(dāng)沖刷速度升高至7.2m·s−1時,沖擊坑深度加深且其周圍出現(xiàn)輕微裂痕；當(dāng)沖刷速度達到12m·s−1時,試驗鋼表面沖擊坑的范圍擴大,切削犁溝變得更長。這是由于隨著攜砂液流速的升高,其攜帶砂粒的速度增大,砂粒的動能也隨之增大,對試驗鋼表面產(chǎn)生的切削和擠壓作用增強,引起的沖蝕損傷越發(fā)嚴重[17]。不同沖刷速度下的沖蝕磨損機理仍以機械沖刷磨損為主。
2.2 砂質(zhì)量濃度的影響
由圖4可見,隨著攜砂液中天然石英砂質(zhì)量濃度的增大,試驗鋼的沖蝕速率先緩慢增加,在砂質(zhì)量濃度為60kg·m−3時下降,隨后快速增大。推測當(dāng)砂質(zhì)量濃度為60kg·m−3時,砂粒之間碰撞加劇,削弱了砂粒對試驗鋼表面的沖蝕作用,導(dǎo)致沖蝕速率下降；而當(dāng)砂質(zhì)量濃度為75kg·m−3時,沖蝕面結(jié)構(gòu)破壞,沖蝕面發(fā)生剝落,導(dǎo)致沖蝕速率上升。
圖 4試驗鋼沖蝕速率隨砂質(zhì)量濃度的變化曲線
Figure 4.Erosion rate vs sand mass concentration curve of test steel
由圖5可見：在砂質(zhì)量濃度為15kg·m−3時,試驗鋼表面經(jīng)過沖刷出現(xiàn)了切削犁溝和沖擊坑；當(dāng)砂質(zhì)量濃度為30kg·m−3時,試驗鋼表面出現(xiàn)大量凹凸不平的沖擊坑,切削犁溝痕跡基本消失,這是因為隨著砂質(zhì)量濃度的增大,試驗鋼表面的損傷面積也隨之增大,較大的損傷面積掩蓋了切削犁溝的痕跡；當(dāng)砂質(zhì)量濃度增加到45kg·m−3時,沖擊坑的深度增大且范圍擴大；繼續(xù)增大砂質(zhì)量濃度至60kg·m−3,試驗鋼表面出現(xiàn)凸起部分,沖擊坑的深度減小,這是因為砂粒之間碰撞加劇,削弱了對試樣表面的沖蝕作用；當(dāng)砂質(zhì)量濃度為75kg·m−3時,沖擊坑的深度再次加大,這是因為當(dāng)砂質(zhì)量濃度過大時,沖蝕面結(jié)構(gòu)被完全破壞,沖蝕面發(fā)生剝落,沖蝕磨損加劇[18]。不同砂質(zhì)量濃度下的沖蝕磨損機理以機械沖刷磨損為主。
圖 5不同砂質(zhì)量濃度攜砂液以12m·s−1速度、45°角沖刷后試驗鋼表面的SEM形貌(0.150~0.180mm天然石英砂)
Figure 5.SEM morphology of surface of test steel after erosion with different sand mass concentrations of carrying fluid at speed of 12m·s−1and angle of 45° (0.150–0.180mm of particle size of natural quartz sand)
2.3 砂粒徑的影響
由圖6可見,隨著天然石英砂粒徑的增大,沖蝕速率呈先增后減的變化趨勢,其中粒徑0.150~0.180mm的天然石英砂沖刷后試驗鋼的沖蝕速率最大。這是由于在相同沖刷速度下,粒徑較大的砂粒相較于粒徑小的砂粒具有更大的動能,對試驗鋼表面造成的沖蝕損傷更為顯著；但是由于砂質(zhì)量濃度保持不變,隨著砂粒粒徑的繼續(xù)增大,單位流量內(nèi)砂粒的數(shù)量減少,砂粒對試驗鋼的沖刷次數(shù)減少,引起的沖蝕損傷減輕[19]。
圖 6試驗鋼沖蝕速率隨天然石英砂粒徑的變化曲線
Figure 6.Erosion rate vs particle size of natural quartz sand curve of test steel
2.4 砂類型的影響
由圖7和圖8可見,天然石英砂沖蝕后試驗鋼的沖蝕速率更大,產(chǎn)生的沖擊坑更深,切削犁溝更長,造成的沖蝕損傷更大。這說明尖角形天然石英砂對試驗鋼的沖蝕損傷遠大于近球形人工陶粒砂,與文獻[14]中的結(jié)論吻合。
圖 7不同砂類型下試驗鋼沖蝕速率隨沖刷速度的變化曲線
Figure 7.Erosion rate vs scouring speed curves of test steel with different sand types
圖 8不同砂類型沖刷后試驗鋼的SEM形貌
Figure 8.SEM morphology of surface of test steel after scouring with different types of sand: (a) 0.150–0.180mm particle size of natural quartz sand and (b) 0.2mm particle size of artificial ceramsite sand
3. 結(jié)論
（1）在試驗參數(shù)下進行沖蝕后,QT1100連續(xù)油管鋼均主要發(fā)生機械沖刷磨損,損傷機理為微切削和沖擊擠壓；在小角度（15°~45°）沖刷時磨損以微切削為主,在大角度（45°~90°）沖刷時磨損以沖擊擠壓為主。
（2）試驗鋼的沖蝕速率隨攜砂液的沖刷角度增大先增大后減小,當(dāng)沖刷角度為45°時,表面沖蝕磨損最嚴重；沖蝕速率隨沖刷速度增大而增大,隨著砂質(zhì)量濃度增加先增大,當(dāng)砂質(zhì)量濃度為60kg·m−3時減小,隨后快速增大。
（3）隨著攜砂液中天然石英砂粒徑的增大,試驗鋼的沖蝕速率先增大后減小,當(dāng)粒徑為0.150~0.180mm時最大；與近球形人工陶粒砂相比,尖角形天然石英砂對試驗鋼的沖蝕磨損更大。
文章來源——材料與測試網(wǎng)