高压管汇三通冲蚀磨损特性研究

张蒙

摘要：随着页岩气等非常规油气成为开发的热门资源，分段压裂技术能够明显改善低渗致密储层的渗流环境，增加油气井产量，在各大油田使用广泛。在压裂作业中，高压管汇是整个系统中的关键部件，工作环境十分恶劣：腐蚀流体冲刷和交变载荷，致使其在压裂作业中极易发生爆管、破裂、刺漏等事故，严重威胁着工作人员和井场设备的安全。

关键词：高压管汇;三通;冲蚀磨损;

引言

在页岩气井水力压裂作业中，需要并联多台压裂车同时作业，导致含有大量弯头的地面高压管汇布置安装复杂，再加上高压作业的特性与压裂液含有颗粒，导致高压弯头冲蚀磨损现象严重，极大地缩短了高压弯头的使用寿命。弯头作为转折结构，存在非常普遍的冲蚀磨损的状况，因此弯头相比于直管、法兰、等其他水力压裂构件平均寿命较低，从而限制了全部压裂机组设备的可靠性和实用性。所以研究高压弯头的冲蚀因素，得出各因素对弯头冲蚀磨损机理，总结各因素对弯头冲蚀磨损规律，提出改进措施，对提高高压管汇可靠性和寿命具有重要意义。

1三通管件

为了满足压裂作业所需的压力和压裂液流量，需将多台压裂车并联，使从各车流出的压裂液汇流在一起后再注入井底，三通管在整个高压管汇中起到了至关重要的连接作用，它承受着高压流体带来的压力、高速固相颗粒的冲击、温度及压力波动作用，极易发生冲蚀和应力腐蚀等现象。因此对三通管进行冲蚀行为研究具有重要的意义。

2冲蚀磨损理论模型

2.1几何模型

利用对高压管汇冲蚀结合模型的构建，可对数值进行仿真，以便对高压管汇内部冲蚀的磨损规律进行深入的分析。其中，将90°弯曲的高压管汇当作分析的对象，构建的模型如图1所示。其中，内径长度为45mm，曲率半径为90mm，直管段的实际长度为225mm.

2.2控制方程

压裂液在任何细微切应力的作用下都会发生永不间断的变形而显示出流动性。压裂液流动遵循物理守恒定律，结合牛顿第二定律，可以得到三通管内压裂液流体的控制方程。



式中：U为流体速度矢量，m/s；eff为等效黏度，Pas；P为修正压强，Pa；htot为总焓，J/mol；为导热系数，W/mK；T为绝对温度，K；为应力，Pa；SM为动量源，22kg/mS；SE为能量源，3W/m。

2.3冲蚀磨损模型

冲蚀磨损率是根据单一颗粒对靶材的累积损失计算得出，如式所示:

Ｒerosion=∑Nparticlesp=1˙mpC(dp)f(α)vb(v)Aface

式中:˙mp为颗粒质量流量，kg/s;C(dp)为颗粒粒径函数，定义为常数，取值为1．8e－9;Aface为靶材的面积，m2;α为颗粒冲击角度，°;f(α)为颗粒冲击角度函数，一般取1;v为颗粒的相对速度，m/s;b(v)为颗粒的相对速度指数，为模型中的边界条件，由现场提供取值2．6;Ｒerosion为冲蚀磨损率，kg/(m2·s);Nparticles为靶材单位面积上冲蚀的颗粒数。

2.4壁面碰撞恢复系数

近壁处的颗粒在与壁面碰撞过程中，能量转化为碰撞产生的热能和靶材的应变能，动能减小，反弹速度低于入射速度。基于CFD的冲蚀计算，用颗粒-壁面碰撞反弹模型来求解颗粒的速度变化，该模型利用不同的恢复系数来衡量能量损失。通过对比6种常见壁面碰撞恢复方程发现:在冲蚀模拟过程中提出的恢复系数方程具有突出优势，能有效表征颗粒碰撞壁面后的速度特性，且比较符合本文的研究模型。本文所研究的高压管汇材质为40CrNiMO，故采用的壁面碰撞方程为：

3冲蚀磨损因素分析

3.1流速对冲蚀的影响分析

按照控制变量法，针对流速范围为1～30m/s，仿真计算出不同流速下弯头最大冲蚀磨损率。随着压裂液流速的不断增大，弯头所受到的最大冲蚀磨损率逐渐增加，压裂液流速与最大冲蚀磨损率呈现指数关系。主要原因是颗粒与压裂液一起流动的过程中有较强的跟随性质，因此在压裂液流速增加的过程中，单位时间经过弯头内部的颗粒数逐渐增多，速度增大，导致压裂液中的颗粒在单位时间内冲击弯头壁面的几率也因此增大，表现出弯头内管壁所受的冲蚀磨损率增大。

3.2歧型三通工况因素对冲蚀速率的影响

歧型三通的最大冲蚀速率均随着流量和体积分数的增加而变大。随着流量从1/min3m增加到4/min3m，其最大冲蚀速率增大了7.5倍，冲蚀速率先缓慢变大后迅速变大，拐点在2/min3m左右；随着体积分数从2%增加到10%，冲蚀速率一直呈现出缓慢增大的趋势，其最大冲蚀速率增大了4.4倍。故在现场施工时，从压裂车泵出的流量在2/min3m左右时对三通的冲蚀磨损较低；而体积分数对冲蚀速率的影响较小，因此在满足施工条件的前提下，选择低体积分数的压裂液更具有实际意义。歧型三通的最大冲蚀速率随颗粒直径的增加而减小，而密度对冲蚀速率几乎没有影响。随着颗粒直径从200m增加到600m，其最大冲蚀速率增大了0.58倍，并且在粒径大于400m后，冲蚀速率基本保持不变。因此在现场施工时，选择颗粒直径为400m对歧型三通的冲蚀较小，而密度可根据施工要求来选择，并不影响最终结果。

3.3Y型三通工况因素对冲蚀速率的影响

Y型三通的最大冲蚀速率均随着流量和体积分数的增加而变大。随着流量从0.5/min3m增加到2.5/min3m，其最大冲蚀速率增大了232.5倍，冲蚀速率先缓慢变大后急剧变大，拐点在1.5/min3m左右；随着体积分数从2%增加到10%，冲蚀速率一直呈现出缓慢增大的趋势，其最大冲蚀速率增大了4.4倍。可以看出，流量对最大冲蚀速率的影响远大于体积分数。故在现场施工时，从压裂车泵出的流量在1.5/min3m左右时不仅能满足单位时间注入量，而且对三通的冲蚀磨损也较低；而体积分数对冲蚀速率的影响较小，因此在满足施工条件的前提下，选择低体积分数的压裂液更具有实际意义。Y型三通的最大冲蚀速率随着颗粒直径的增加而减小，随压裂液密度的增加而变大。随着颗粒直径从200m增加到600m，其最大冲蚀速率增大了0.63倍；随着压裂液密度从10003kg/m增加到14003kg/m，其最大冲蚀速率增大了1.3倍。并且颗粒直径在大于400m后以及压裂液密度在大于12003kg/m后冲蚀速率基本保持不变。

结束语

(1)Y型三通与歧型三通冲蚀最严重的部位均在支管与主管相交处的相贯线上。故对施工现场的三通进行壁厚检测时，需对相交处进行重点检测且需进行多点检测。(2)Y型三通的最大冲蚀速率随两支管间空间夹角、入口流量、固相颗粒体积分数、压裂液密度的增加而变大，随颗粒直径的增加而减小。且空间夹角在90°~120°之间可以在一定程度上减小Y型三通的最大冲蚀速率。(3)歧型三通的最大冲蚀速率随入口流量、固相颗粒体积分数的增加而变大，随颗粒直径的增加而减小，压裂液密度对其影响较小，且在支管与主管间的空间夹角为60°时达到最大。

参考文献

[1]祝效华,张覃,张洋铭,董亮亮.高压管汇三通冲蚀磨损特性研究[J/OL].表面技术:1-9[2021-01-27].

[2]张羽.高压管汇弯头的冲蚀影响分析及结构改进研究[D].长江大学,2020.

[3]涂亚东,徐小兵,殷华锋,杜娇,陈飞跃,邱杰.高压管汇冲蚀磨损规律研究[J].石油机械,2018,46(02):84-88.

[4]张继信,康健,樊建春,高建村.高压弯管冲蚀失效分析及数值模拟[J].润滑与密封,2016,41(10):40-46.