圖 1沖蝕試驗(yàn)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(jī)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(diǎn),已廣泛應(yīng)用于大慶、長(zhǎng)慶、新疆等油田[1]。采用連續(xù)油管攜砂壓裂作業(yè)進(jìn)行油氣儲(chǔ)層改造時(shí),攜砂液高速流經(jīng)管內(nèi)會(huì)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(wèn)題[2-3]。
目前,對(duì)于石油管在壓裂工況下沖蝕問(wèn)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(lái)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(xiǎn)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(wú)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(jìn)行有關(guān)砂類型對(duì)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(wèn)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(rèn)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(shí)需要考慮這些關(guān)鍵影響因素。
QT1100鋼是一種高強(qiáng)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(yàn)裝置對(duì)該油管鋼進(jìn)行液固兩相流沖蝕試驗(yàn),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(duì)其沖蝕性能的影響規(guī)律,分析了其沖蝕磨損機(jī)理。
1. 試樣制備與試驗(yàn)方法
試驗(yàn)材料為QT1100連續(xù)油管鋼,由長(zhǎng)慶油田提供,化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）為0.16C,1.65Mn,0.025P,0.005S,0.5Si,余Fe；抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度分別為758MPa和689MPa,硬度為28HB,斷后伸長(zhǎng)率為16%。在試驗(yàn)鋼上截取尺寸為20mm×20mm×5mm的長(zhǎng)方體沖蝕試樣,用360#,600#,800#和1200#水磨砂紙逐級(jí)打磨測(cè)試表面,直至表面平整光滑,達(dá)到ASTM G73：2010標(biāo)準(zhǔn)要求。將打磨好的試樣用無(wú)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(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行液固兩相流沖蝕試驗(yàn)：將試樣固定在沖蝕試驗(yàn)臺(tái)的夾具上,通過(guò)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(chǔ)液罐,開(kāi)啟攪拌器進(jìn)行充分?jǐn)嚢韬?對(duì)試樣進(jìn)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(shí)間為1.5h。試驗(yàn)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(jì)算沖蝕速率[15],計(jì)算公式為
式中：ER為沖蝕速率,mm·h−1；m0,m1分別為沖蝕試驗(yàn)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(shí)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(yàn)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(jiàn),試驗(yàn)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(shí)沖蝕速率最大。
圖 2不同沖刷速度下試驗(yàn)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(yàn)鋼表面出現(xiàn)較長(zhǎng)的切削犁溝和少量沖擊坑；當(dāng)沖刷角度增大至45°時(shí),表面切削犁溝長(zhǎng)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(yàn)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(shí),切削痕跡基本消失,出現(xiàn)了無(wú)方向性的沖擊坑和裂紋。這說(shuō)明以清水和天然石英砂粒混合的攜砂液對(duì)試驗(yàn)鋼進(jìn)行不同角度沖刷時(shí),其沖蝕機(jī)理均為物理性的機(jī)械沖刷磨損。當(dāng)以小角度（小于45°）沖刷時(shí),攜砂液主要以切應(yīng)力形式作用于試驗(yàn)鋼表面,對(duì)試驗(yàn)鋼表面進(jìn)行微切削而引起較長(zhǎng)的切削犁溝；當(dāng)以大角度（大于45°）沖刷時(shí),攜砂液主要以正應(yīng)力鑿壓和擠壓方式作用于試驗(yàn)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(shí),試驗(yàn)鋼表面承受切應(yīng)力和正應(yīng)力共同作用,沖蝕磨損最嚴(yán)重,其表面沖擊坑和切削犁溝都較明顯。這與文獻(xiàn)[16]中304不銹鋼經(jīng)液固兩相流蝕刷后的沖蝕損傷機(jī)理相符。
圖 3不同沖刷角度和沖刷速度沖刷后試驗(yàn)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(shí),試驗(yàn)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(shí),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(dá)到12m·s−1時(shí),試驗(yàn)鋼表面沖擊坑的范圍擴(kuò)大,切削犁溝變得更長(zhǎng)。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(dòng)能也隨之增大,對(duì)試驗(yàn)鋼表面產(chǎn)生的切削和擠壓作用增強(qiáng),引起的沖蝕損傷越發(fā)嚴(yán)重[17]。不同沖刷速度下的沖蝕磨損機(jī)理仍以機(jī)械沖刷磨損為主。
2.2 砂質(zhì)量濃度的影響
由圖4可見(jiàn),隨著攜砂液中天然石英砂質(zhì)量濃度的增大,試驗(yàn)鋼的沖蝕速率先緩慢增加,在砂質(zhì)量濃度為60kg·m−3時(shí)下降,隨后快速增大。推測(cè)當(dāng)砂質(zhì)量濃度為60kg·m−3時(shí),砂粒之間碰撞加劇,削弱了砂粒對(duì)試驗(yàn)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(shí),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(yàn)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(jiàn)：在砂質(zhì)量濃度為15kg·m−3時(shí),試驗(yàn)鋼表面經(jīng)過(guò)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(shí),試驗(yàn)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?yàn)殡S著砂質(zhì)量濃度的增大,試驗(yàn)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(shí),沖擊坑的深度增大且范圍擴(kuò)大；繼續(xù)增大砂質(zhì)量濃度至60kg·m−3,試驗(yàn)鋼表面出現(xiàn)凸起部分,沖擊坑的深度減小,這是因?yàn)樯傲Ｖg碰撞加劇,削弱了對(duì)試樣表面的沖蝕作用；當(dāng)砂質(zhì)量濃度為75kg·m−3時(shí),沖擊坑的深度再次加大,這是因?yàn)楫?dāng)砂質(zhì)量濃度過(guò)大時(shí),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(jī)理以機(jī)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(yàn)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(jiàn),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(shì),其中粒徑0.150~0.180mm的天然石英砂沖刷后試驗(yàn)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(dòng)能,對(duì)試驗(yàn)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?jī)?nèi)砂粒的數(shù)量減少,砂粒對(duì)試驗(yàn)鋼的沖刷次數(shù)減少,引起的沖蝕損傷減輕[19]。
圖 6試驗(yàn)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(jiàn),天然石英砂沖蝕后試驗(yàn)鋼的沖蝕速率更大,產(chǎn)生的沖擊坑更深,切削犁溝更長(zhǎng),造成的沖蝕損傷更大。這說(shuō)明尖角形天然石英砂對(duì)試驗(yàn)鋼的沖蝕損傷遠(yuǎn)大于近球形人工陶粒砂,與文獻(xiàn)[14]中的結(jié)論吻合。
圖 7不同砂類型下試驗(yàn)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(yàn)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(yàn)參數(shù)下進(jìn)行沖蝕后,QT1100連續(xù)油管鋼均主要發(fā)生機(jī)械沖刷磨損,損傷機(jī)理為微切削和沖擊擠壓；在小角度（15°~45°）沖刷時(shí)磨損以微切削為主,在大角度（45°~90°）沖刷時(shí)磨損以沖擊擠壓為主。
（2）試驗(yàn)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(shí),表面沖蝕磨損最嚴(yán)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(shí)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(yàn)鋼的沖蝕速率先增大后減小,當(dāng)粒徑為0.150~0.180mm時(shí)最大；與近球形人工陶粒砂相比,尖角形天然石英砂對(duì)試驗(yàn)鋼的沖蝕磨損更大。
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