沖擊角度和噴射速度對超級13Cr油管沖蝕速率影響實驗研究

王治國，竇益華，羅俊生

(1.西安石油大學 機械工程學院，陜西 西安 710065； 2.中國石油集團西部鉆探工程有限公司 試油公司，新疆 克拉瑪依 834000)

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沖擊角度和噴射速度對超級13Cr油管沖蝕速率影響實驗研究

王治國1，竇益華1，羅俊生2

(1.西安石油大學 機械工程學院，陜西 西安 710065； 2.中國石油集團西部鉆探工程有限公司 試油公司，新疆 克拉瑪依 834000)

利用自制的噴射式?jīng)_蝕實驗裝置，在胍膠壓裂液與40/70目石英砂混合形成的液固兩相流體中，研究了沖擊角度和噴射速度對超級13Cr油管沖蝕速率的影響。采用掃描電鏡分析了沖擊角度和噴射速度對超級13Cr油管的沖蝕形貌的影響。實驗結(jié)果表明，超級13Cr油管沖蝕速率隨噴射速度的增大呈冪率關(guān)系增長。沖擊角度為30°時超級13Cr油管的沖蝕速率最大，但冪指數(shù)較??；沖擊角度為45°時，沖蝕速率居中，但冪指數(shù)最大；而沖擊角度為90°時，沖蝕速率最低，冪指數(shù)最小。掃描電鏡分析結(jié)果表明，在較小的沖擊角度和較高的噴射速度下，石英砂顆粒對超級13Cr油管表面產(chǎn)生了較深的切削犁溝。而在較大的沖擊角度和較高的噴射速度下，超級13Cr油管表面產(chǎn)生微裂紋，主要損傷機理為沖擊鍛打造成的材料擠壓成片脫落。

超級13Cr油管；沖擊腐蝕；沖擊角度；噴射速度；沖蝕速率

王治國，竇益華，羅俊生.沖擊角度和噴射速度對超級13Cr油管沖蝕速率影響實驗研究[J].西安石油大學學報(自然科學版)，2016，31(5):100-105.

WANG Zhiguo,DOU Yihua,LUO Junsheng.Experimental study on influence of impact angle and jet velocity on erosion rate of super 13Cr tubing steel[J].Journal of Xi'an Shiyou University (Natural Science Edition),2016,31(5):100-105.

引　言

水平井分段、直井分層等大規(guī)模壓裂作業(yè)中，壓裂攜砂液流過壓裂管柱、井下工具進入地層，對管柱造成了嚴重的沖蝕，沖蝕造成油管壁厚損失，在高泵壓施工過程中容易引起安全事故[1]。超級13Cr油管具有優(yōu)良的抗SCC腐蝕[2]以及酸性環(huán)境下的抗點蝕能力[3]。目前的沖蝕預測多采用數(shù)值模擬方法研究壓裂返排中液固兩相流體對節(jié)流閥的沖蝕[4]以及氣體鉆井過程中鉆桿的沖蝕[5]。而對大規(guī)模壓裂過程中超級13Cr油管的沖蝕實驗研究較少。張福祥等[6]采用噴射式?jīng)_蝕實驗研究了清水與石英砂兩相流體中超級13Cr不銹鋼的沖刷腐蝕交互作用。Zhu等[7]發(fā)現(xiàn)在高溫高壓深井中，超級13Cr 油管的Fox接箍內(nèi)部由于存在湍流導致了沖蝕和局部腐蝕的加劇。在大規(guī)模壓裂過程中，常用的攜砂液為胍膠壓裂液，工程上需要采用常用的胍膠非牛頓壓裂液與石英砂作為沖蝕介質(zhì)，研究此類非牛頓流體攜砂兩相流體中油管的沖蝕情況，從而指導現(xiàn)場施工工藝，防止油管由于沖蝕而導致壁厚減薄，安全性降低。

對材料的沖蝕作用包括流體力學因素、材料因素以及環(huán)境因素等。在壓裂過程中，顆粒沖擊材料表面的沖擊角度以及沖擊速度是影響沖蝕速率的主要因素。本文擬采用自制的液固兩相流體噴射式?jīng)_蝕實驗裝置，研究沖擊角度和噴射速度對超級13Cr不銹鋼沖蝕速率的影響。采用掃描電鏡分析超級13Cr不銹鋼在不同沖擊角度和噴射速度下的沖蝕形貌。研究結(jié)果將為超級13Cr油管壓裂過程的沖蝕預測提供依據(jù)，便于優(yōu)化壓裂施工參數(shù)，防止油管由于沖蝕導致壁厚減薄，安全性降低。

1　實驗材料及設(shè)備

實驗材料選自寶山鋼鐵股份有限公司生產(chǎn)的超級13Cr馬氏體不銹鋼，成分如表1所示，力學性能如表2所示。從油管切割試樣，加工成長×寬×高=19×12.2×6.4 mm的長方體，用環(huán)氧樹脂和乙二胺以及酒精配制成封裝液，灌入PVC管，封裝長方體的5個不沖刷表面。封裝液凝固后，依次用360#、600#、800#和1 200#水磨砂紙對試樣上表面逐級打磨，直至表面平整、光亮。用無水乙醇清洗，冷風吹干后稱重并記錄初始重量。裝入如圖1所示的噴射式?jīng)_蝕實驗臺的試樣夾持器中，按一定角度安裝好試樣夾持器。

表1　超級13Cr鋼的化學成分Tab.1　Chemical composition of super 13Cr steel

表2　超級13Cr鋼力學性能Tab.2　Mechanical properties of super 13Cr steel

圖1　沖蝕實驗裝置原理示意圖Fig.1　Principle diagram of erosion experiment device

在儲液桶中配置質(zhì)量分數(shù)為0.2%的羥丙基胍膠水溶液，加入一定比例的硼砂作為交聯(lián)劑，攪拌均勻。靜置24 h，待溶液中無氣泡時，開啟砂漿泵，調(diào)節(jié)變頻器控制泵轉(zhuǎn)速，然后均勻加入40/70目石英砂，視密度2 600 kg/m3。加入比例控制在50 kg/m3。通過變頻器調(diào)節(jié)泵的轉(zhuǎn)速實現(xiàn)流量的調(diào)節(jié)，電磁流量計測量流體流量。試樣稱重采用上海良平儀器儀表有限公司生產(chǎn)的電子天平完成，精度0.1 mg，沖蝕形貌分析采用日本電子公司生產(chǎn)的JSM-6390型掃描電鏡。

為了方便油田現(xiàn)場預測油管的壁厚損失，采用每小時材料的壁厚損失計算沖蝕速率：

(1)

式中：EV為沖蝕速率，mm/h； m0為試樣沖蝕前的質(zhì)量，g；m1為試樣沖蝕后的質(zhì)量，g；Δt為沖蝕時間，h；ρ為超級13Cr材料的密度，g/cm3，計算時取7.8；A為試樣暴露面積，cm2。

2　實驗結(jié)果分析及討論

2.1沖擊角度對超級13Cr油管沖蝕速率的影響

表3列出了不同沖蝕角度時超級13Cr油管的失重量以及以90°沖擊角度作為基準失重率的沖擊角度函數(shù)數(shù)據(jù)。由表3可以看出，超級13Cr油管在沖擊角度為45°時沖蝕最為嚴重，當沖擊角度大于45°時，沖蝕失重量隨沖擊角度的增加而逐漸減小，當沖擊角度小于45°時，沖蝕失重量隨沖擊角度的增加而逐漸增加。

表3　沖擊角對超級13Cr油管的沖蝕速率影響實驗結(jié)果Tab.3　Influence of impact angle on erosion rate of super 13Cr steel

在角度函數(shù)的經(jīng)驗模型中，工程上常采用日本廣島大學的Oka模型和美國沖蝕腐蝕中心ERC模型，其中Oka模型的角度函數(shù)為[8-9]：

f(θ)=(sinθ)n1[1+HV(1-sinθ)]n2。

(2)

式中：HV為材料的維氏硬度，GPa；n1和n2為模型中與材料的維氏硬度HV有關(guān)的系數(shù)，n1=S1(HV)q1，n2=S2(HV)q2，S1=0.71，q1=0.14；S2=2.4，q2=-0.94。當θ=0°時，f(θ)=0；θ=90°時，f(θ)=1。美國沖蝕腐蝕中心和BakerOilTools則采用直接沖擊試驗得到了Inconel718材料的沖擊角度函數(shù)[9]：

(3)

公式(3)中的系數(shù)如表4所示。本文的實驗結(jié)果與Oka模型以及ERC模型的對比如圖2所示。在30°時實驗得到的沖擊角度函數(shù)最大，而Oka模型預測出的結(jié)果在較小的沖擊角度θ≈15°時角度函數(shù)出現(xiàn)最大值，ERC模型則在更大的沖擊角度θ≈52.5°時出現(xiàn)最大值。在沖擊角度30°≤θ≤75°時，實驗值比Oka模型和ERC模型預測出的值都偏大。其主要原因是Oka模型僅僅考慮了硬度對沖擊角度的影響，其實驗條件是基于氣固兩相流沖蝕條件下得到的實驗回歸系數(shù)[8]，而ERC模型則是采用對硬度更大的Inconel 718材料的直接沖擊實驗得到的沖擊角度函數(shù)。因此，現(xiàn)有的2個工程上常用的模型都不適用于大規(guī)模壓裂過程沖蝕速率的預測。

圖2　超級13Cr不銹鋼沖擊角度函數(shù)擬合以及 與Oka模型、ERC模型的對比Fig.2　Comparison of impact angle fitting function of super 13Cr steel with Oka and ERC models

除了材料硬度外，沖擊角度對沖蝕速率的影響還受到顆粒因素諸如顆粒形狀、直徑、硬度以及噴射速度、流態(tài)、非牛頓流變性以及顆粒濃度分布等流體力學因素的影響。因此，很難得到能夠適用于任何工況的具有實際物理意義的沖擊角度函數(shù)。美國沖蝕腐蝕研究中心ERC和挪威船級社都采用直接對實驗數(shù)據(jù)進行多項式回歸的方法得到?jīng)_擊角度函數(shù)。本文也同樣采用該方法對實驗數(shù)據(jù)進行了5次多項式回歸，擬合曲線如圖2中的藍色細實線所示。得到如公式(3)的適用于壓裂工況的沖擊角度函數(shù)，其各項擬合系數(shù)如表4所示?？梢钥闯?，擬合得到的二階以上高階項系數(shù)的絕對值都大于ERC模型。

表4　超級13Cr鋼沖擊角度函數(shù)擬合系數(shù)Tab.4　Coefficients of impact angle fitting function of super 13Cr steel

2.2沖擊角度對超級13Cr油管沖蝕面形貌影響分析

當液固兩相流體噴射到試樣表面時，產(chǎn)生的沖擊力可以分解為切向力和法向力。在流速相同時，隨著沖擊角度的變化，切向力和法向力的大小會發(fā)生變化，兩者共同作用導致材料流失。在沖擊角度為30°時，如圖3(a)所示，超級13Cr油管鋼表面形貌呈波浪狀的褶皺，同時有明顯切削痕跡。高速固體顆粒不斷切削試樣表面，使材料不斷地流失。在30°沖擊角度下超級13Cr油管的沖蝕主要是由切向力引起的微切削損失。這與Finnie[10]提出的微切削理論預測結(jié)果一致。表明超級13Cr油管在低沖擊角度時主要以切向力產(chǎn)生的微切削損傷為主。在60°沖擊時，如圖3(b)所示，沖蝕表面既有微切削產(chǎn)生的片狀劃痕也有垂直沖擊產(chǎn)生的凹坑，表明此時是切向力和法向力共同作用導致材料損傷。在90°沖擊角度下，超級13Cr油管表面有大量的沖蝕剝落坑，沖蝕形貌為坑狀，無明顯的方向性(圖3(c))。由于此時的切向力為零，法向力達到最大，使得試樣表面產(chǎn)生較大的擠壓，產(chǎn)生凹坑以及凸起擠壓唇，隨后砂粒對唇片進行鍛打，在嚴重的塑性變形后，材料呈片屑狀由表面脫落。

綜上所述，超級13Cr油管在胍膠壓裂液中的材料損傷機理為切向力產(chǎn)生的“微切削”與法向力產(chǎn)生的“擠壓成片”兩種機理并存。當沖擊角度為30°時，沖蝕速率達到最大值。而在90°沖擊角度時，材料的沖蝕速率較低。表明超級13Cr材料的損傷以“微切削”為主。

圖3　超級13Cr油管鋼在不同沖擊角度下的電鏡掃描圖(v=10.62 m/s)Fig.3　SEM photographs of super 13Cr tubing steel at different impact angle(v=10.62 m/s)

2.3噴射速度對超級13Cr油管沖蝕速率的影響

固定沖擊角度分別為30°、45°及90°，含砂量為50 kg/m3，沖蝕時間為90 min，研究超級13Cr鋼的沖蝕速率隨噴射速度的變化規(guī)律。實驗結(jié)果見表5。可以看出，3種沖擊角度下超級13Cr鋼的沖蝕速率都隨著噴射速度的增大而增大。其中，在實驗最高噴射速度12.03 m/s時，90°的沖蝕速率最小，為0.002 7 mm·h-1，30°沖擊角度下沖蝕速率值最大，為90°沖擊角度時沖蝕速率的5.81倍。而45°沖擊角度時沖蝕速率居中，其值為0.014 3 mm·h-1。

表5　超級13Cr油管的沖蝕速率隨 噴射速度變化實驗結(jié)果Tab.5　Erosion rate of super 13Cr steel at different slurry velocity and impact angle

為了更加直觀地分析3個不同沖擊角度時沖蝕速率隨噴射速度的變化，采用冪函數(shù)關(guān)系式EV=Kvn對3組實驗數(shù)據(jù)進行最小二乘擬合，得到的K、n值如表6所示。沖擊角度為30°時，超級13Cr鋼的沖蝕速率絕對值最大，因此擬合得到的K值最大，而n值居于45°和90°沖擊角度時的n值之間。90°沖擊角度時，超級13Cr鋼的沖蝕速率隨噴射速度增加最為緩慢，其n值最小。而沖擊角度為45°時，雖然其絕對沖蝕速率小于30°沖擊角，但隨噴射速度的增加呈現(xiàn)最快增長，因此n值最大。AminulIslam和Farhat[11]研究了APIX42管線鋼在沖擊角度分別為30°、45°、60°及90°時沖蝕速率隨噴射速度的變化關(guān)系，發(fā)現(xiàn)兩者的關(guān)系也符合冪率方程EV=Kvn。其中n值隨沖擊角度的增大而減小。即在30°沖擊角度時APIX42的沖蝕速率隨噴射速度增長較快。而實驗發(fā)現(xiàn)超級13Cr油管的沖蝕破壞也主要發(fā)生在沖擊角度為30°～45° 之間，雖然θ=30°時沖蝕速率的絕對值最大，但在θ=45°時其n值最大，即在θ=45°時沖蝕速率對噴射速度最為敏感。因此在高噴射速度大排量施工過程中，應盡量避免顆粒以45°沖擊角度沖擊油管表面。

表6　噴射速度對超級13Cr油管沖蝕速率的 影響擬合參數(shù)(EV=Kvn)Tab.6　Influence of jet velocity on fitting parameters of the erosion rate of super 13Cr steel(EV=Kvn)

2.4噴射速度對超級13Cr油管沖蝕形貌的影響

圖5(a)和5(b)分別為沖擊角度為 30°時噴射速度分別取6.30 m/s和9.56 m/s時的超級13Cr油管沖蝕后的掃描電鏡圖。θ=30°時超級13Cr油管的沖蝕速率隨著噴射速度的增加而增加，噴射速度為6.30 m/s時，材料表面已經(jīng)出現(xiàn)了較為明顯的褶皺和犁溝(圖5(a))，但由于液固兩相流體的速度較小，顆粒沖擊試樣表面的動量較小，這些褶皺和犁溝還沒有完全脫離材料基體，因此沖蝕速率較低。如圖4所示，當噴射速度達到9.56 m/s時，沖蝕速率急劇上升。此時流體中顆粒動能較大，大量的固體顆粒不斷累積沖擊試樣表面，在試樣表面產(chǎn)生較大的切削力，將試樣表面已產(chǎn)生的凸起部分推平，剝離表面材料(圖5(b))[12-13]。由以上分析可知，含砂流體的噴射速度是影響超級13Cr油管沖蝕速率的主要因素[10]。

圖5(c)和圖5(d)是θ= 90°時噴射速度分別為6.30 m/s和9.56 m/s時的掃描電鏡圖。與圖5(a)、圖5(b)比較分析， 在θ=90°時材料表面大多為流體和顆粒造成的沖擊鍛打作用產(chǎn)生的微裂紋。當噴射速度為6.30 m/s時，顆粒的動量較小，產(chǎn)生的沖擊坑較小，超級13Cr油管表面材料流失較少，因此沖蝕速率較低。隨著噴射速度增加至9.56 m/s時，材料表面產(chǎn)生的沖擊坑的直徑開始增大，沖擊坑的深度也增加。更多的材料在顆粒的不斷沖擊下產(chǎn)生疲勞損傷，從材料基體脫落，造成沖蝕速率的增大。但由于沒有明顯的切削作用，沖蝕速率的增加較30°時偏低很多。

圖4　不同噴射速度和沖擊角度時超級13Cr油管的 沖蝕速率及冪律擬合曲線Fig.4　Experimental data and fitting curves of erosion rate-jet velocity steel relation of super 13Cr tubing steel at different impact angles

圖5　不同噴射速度和沖擊角度時超級13Cr材料的沖蝕形貌Fig.5　SEM photographs of super 13Cr tubing steel at different impact angle and jet velocity

3　結(jié)　論

(1)在沖擊角度為30°時，超級13Cr的沖蝕速率達到最大。隨著沖擊角度的增加，沖蝕速率逐漸降低。

(2)沖擊角度分別為30°、45°以及90°時超級13Cr油管沖蝕速率隨噴射速度的變化符合冪函數(shù)關(guān)系式EV=Kvn。其中n值在沖擊角度為45°時較大，在90°時較小，而在30°時位于兩者之間。

(3)對超級13Cr油管沖蝕形貌進行的掃描電鏡分析，發(fā)現(xiàn)不同沖擊角度下材料沖蝕損失機制不同。較小的沖擊角度材料損失機制主要以微切削為主，而在高沖擊角度下超級13Cr油管損傷機制以沖擊鍛打產(chǎn)生的擠片脫落為主。

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責任編輯：董瑾

Experimental Study on Influence of Impact Angle and Jet Velocity on Erosion Rate of Super 13Cr Tubing Steel

WANG Zhiguo1,DOU Yihua1,LUO Junsheng2

(1.College of Mechanical Engineering,Xi'an Shiyou University,Xi'an 710065,Shaanxi,China;2.Well Testing Company,Western Drilling Engineering Co.,Ltd.of CNPC,Karamay 834000,Xinjiang,China)

The effects of impact angle and jet velocity on the erosion rate of super 13Cr steel were investigated by the self-made jet erosion experiment device.The erosion fluid is the solid-liquid dual-phase fluid composed of the guar fracturing fluid 0.2 % and the quartz sand of 40/70 meshes.The morphology of erosion surface was studied by SEM technology.It is found that the erosion rate of super 13Cr tubing steel increases with the increase of the jet velocity by a function of power law.When the impact angle is 30°,the erosion rate of super 13Cr tubing steel is the highest,but the power exponent is moderate.When the impact angle is 45°,the erosion rate is moderate,but the power exponent is the greatest.When the impact angle is 90°,the erosion rate is the lowest,and the power exponent is the smallest.SEM results show that when the impact angle is small and the jet velocity is high,deep grooves are formed in the surface of super 13Cr tubing steel.As a contrast,when the impact angle is large and the jet velocity is high,some microcracks are formed in the surface of super 13Cr tubing steel,and the main damage mechanism is that the material is extruded into piece and falls off because of impact forging.

super 13Cr tubing steel;impact corrosion;impact angle;jet velocity;erosion rate

2016-03-02

國家科技重大專項“超深超高壓氣井油套管柱安全評價與控制技術(shù)研究”(編號：2011ZX05046-03-07)；陜西省自然科學基礎(chǔ)研究計劃-面上項目“大排量高砂比水力壓裂管柱沖蝕機理研究”(編號：2015JM5223)

王治國(1977-)，男，博士，講師，主要從事石油工程多相流動及試油完井設(shè)備沖蝕研究。E-mail:wangzhiguo029@hotmail.com

竇益華(1964-)，男，博士，教授，主要從事試油與完井系統(tǒng)評價及控制技術(shù)、石油管柱設(shè)計及強度分析研究。E-mail:yhdou@vip.sina.com

10.3969/j.issn.1673-064X.2016.05.017

TE983

1673-064X(2016)05-0100-06

A