粒子沖擊鉆井中管匯沖蝕磨損試驗研究

王世棟 譚夢菲 耿雪樵 盧秋平

（1.廣州海洋地質調查局，廣東 廣州 510760；2.中國石油大學（北京），北京 102249；3.中國石油鉆井工程技術研究院，北京 100097）

0 引言

粒子沖擊鉆井工藝技術是一種適合深井、超深井硬地層的高效破巖新方法。但粒子沖擊鉆井中鉆井液攜帶高速流動的鋼粒在高效沖擊破碎巖石的同時也會對管匯系統造成沖蝕磨損，引起斷鉆具等鉆井安全事故。尤其是管匯系統中管徑變化以及管道彎曲處部件，例如沖管、鵝頸管、鉆頭噴嘴、彎管、鉆桿接頭等，容易出現安全問題。為使粒子沖擊鉆井技術得以應用，需要對工藝應用時造成的磨損情況進行精確預測，確定管路安全使用的標準，從而確保鉆井安全。

1 沖蝕磨損影響因素分析

1.1 入射角度

入射角度又稱攻角或者沖擊角度，指的是顆粒的速度方向與碰撞的材料壁面之間的夾角。根據眾多的試驗結果顯示，沖蝕率隨入射角度的改變而改變，有導致最大沖蝕率的入射角度。材料的不同，其導致最大沖蝕率的入射角度也是不同的[1]。正常情況下對像金屬或者合金之類的塑性材料，入射角度為0°～15°時會產生最大的沖蝕磨損；像陶瓷或者玻璃之類的脆性材料，入射角度為90°時會產生最大的沖蝕磨損；其他類型的材料，產生最大沖蝕磨損的入射角度則處于塑、脆性材料之間。入射角度α與沖蝕速率Er之間存在一定的函數關系，如式（1）所示[2]：

式中，Er為沖蝕速率，m／s；α為入射角度，（°）；B′、A′均為常數（脆性材料A′＝0；塑性材料B′＝0）；n為常數，n＝π／2α。

1.2 沖擊速度

沖擊速度也會對材料的沖蝕磨損產生影響。其影響存在一定的規律：材料的沖蝕速率隨著沖擊速度的增大而增大。但是，只有當沖擊速度大于一定值時才會對材料產生沖蝕磨損。這一數值的大小由材料的性質以及顆粒的性質共同決定[3-4]。能夠產生沖蝕磨損的速度V與沖蝕速率Er之間存在一定的函數關系，如式（2）所示：

式中，K為常數；v為粒子速度，m／s；n為常數（一般情況下n為2.0～3.0）。

1.3 沖蝕時間

在沖蝕開始的一段時間，顆粒對材料的壁面一直產生沖蝕會導致壁面發生塑性變形，顆粒在材料的壁面形成一定的殘余沉積，壁面材料不僅不會流失反而會有一個增重過程。入射角度和沖擊速度都會對這一階段的時間長短產生影響，入射角度越大，時間越長；沖擊速度越大，時間越短。在此之后，沖蝕磨損開始進入下一個階段，隨著時間的增加材料逐漸流失，并且沖蝕時間越長，材料流失越嚴重[5]。

入射角度、沖擊速度、沖蝕時間是影響沖蝕磨損的主要因素，還有一些次要因素例如材料性質、顆粒形狀、粒子大小、粒子濃度等也會對沖蝕磨損產生影響。

2 沖蝕磨損試驗研究

2.1 試驗裝置

為分析不同沖蝕時間、沖擊速度下的鉆井管匯系統不同部位的沖蝕磨損情況，從而得到粒子沖擊鉆井中管匯沖蝕磨損一般規律，設計了一套試驗裝置進行地面模擬，裝置設計和裝置連接圖分別如圖1、圖2所示。

圖1 粒子沖擊鉆井鉆具磨損試驗裝置示意圖

2.2 試驗方法

試驗研究在粒子沖擊鉆井工藝中，鉆井液加入直徑1～2mm、含量1%～3%的鋼粒時，對沖管、彎接頭、鵝頸管、水龍帶等鉆井管匯系統的沖蝕磨損情況。試驗過程中保持鉆井液粘度和密度等性能穩定，相關參數如表1所示。

圖2 試驗裝置連接圖

在下料漏斗中注入一定量的粒子，使之與鉆井液充分混合，當粒子流經各管匯系統部件后，通過磁選機分離出鋼粒，再經過脫磁器處理，使脫磁后的鋼粒重新返回下料漏斗，然后繼續進行下一次系統的循環沖蝕。下料漏斗中的蝶閥部件可以實現控制粒子注入量的目的。粒子含量達到規定值時，保持蝶閥的位置不變，使經過分離脫磁后返回到下料漏斗的粒子能夠實現自動注入，即可實現整個試驗裝置的自動循環運作。

2.3 試驗結果

通過試驗發現：沖擊50h和100h后，鵝頸管磨損率分別為1.06%和3.03%；沖管磨損率分別為0.51%和2.05%；彎接頭磨損率分別為0.25%和0.37%；水龍帶磨損率分別為0.41%和1.01%。試驗結果表明：① 對于普通鋼材，其抗沖蝕磨損能力較弱。鵝頸管、沖管較其余部件沖蝕更為嚴重，彎接頭和水龍帶沖蝕較輕，鉆桿和鉆鋌部件幾乎沒有產生沖蝕。② 隨著時間的推移，沖擊造成管匯系統磨損量越來越大。③ 沖蝕磨損程度與入口排量有關，即與粒子入射速度有關，排量越大，所產生的沖蝕磨損越嚴重。④ 較易受到沖蝕磨損的鵝頸管、沖管等部件，可以沖蝕磨損50h，但是從絕對安全角度出發，仍需要對易磨損部位進行防磨耐磨處理。

表1 試驗所用參數表

3 結論與建議

1）粒子沖擊鉆井對鉆井管匯系統部件的磨損影響程度不同：鵝頸管、沖管較其余部件沖蝕更為嚴重，彎接頭和水龍帶沖蝕較輕，鉆桿和鉆鋌部件幾乎沒有產生沖蝕。

2）從絕對安全角度出發，需要對易磨損部件的易磨損部位進行防磨耐磨處理。

3）根據試驗研究結果，提出幾點可采取的現場安全措施：① 設計改良：彎管可以改進管路的形狀，采取前段帶盲管的彎頭，有效減少沖蝕磨損的產生；鵝頸管沖蝕磨損嚴重部位采取加厚的方法，提高安全使用壽命；增大彎管、鵝頸管的曲率半徑，減少彎曲處的磨損；在部件內部安裝耐沖蝕材質、可更換內襯；② 在材料選擇時，可對易磨損部位使用耐磨材料或者進行鎳鍍處理，以增加其耐磨性；③ 利用實際工況對管匯磨損情況及時進行模擬計算，并加強現場超聲波壁厚檢測，及時發現預測的差異，發現磨損到強度不滿足安全需要時及時更換管線配件，確保安全。

[1]孫軍龍.新型B4C基復合陶瓷噴嘴研究開發及其沖蝕機理研究[D].山東：山東大學，2007.

[2]張兆順，崔桂香.流體力學[M].北京：清華大學出版社，2006.

[3]梁在潮.工程湍流[M].武漢：華中理工大學出版社，1999.

[4]閻超.計算流體力學及其應用[M].北京：北京航空航天大學出版社，2006：102-143.

[5]I.M.Hutchings.A modelforthe erosion ofmetalsby sphericalparticlesatnormalincidence[J].Wear，1981，70（3）：269-281.