压裂管汇材料冲蚀磨损性能的试验研究.pdf

石油天然气学报2012年5月第34卷第5期
Journal of Oil and Gas Technology May 2012 Vol 34 No 5
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压裂管汇材料冲蚀磨损性能的试验研究
肖文汉(中石化华东石油局装备处,江が南京21001
摘要]采用自制的冲蚀磨损试验装置,对压裂管汇材料30CrMo进行了冲蚀磨损试验。通过改变冲蚀速
度,研究了冲蚀速度对冲蚀失重的影响规律,得到了冲蚀速度和冲蚀失重量之间的冲蚀磨损预测模型。
试验结果表明,就整个冲蚀坑的全区段而官,30CrMo材料在冲蚀角为30°的条件下的冲蚀磨损机理主要
是微切削作用,伴随少量的锻压挤压脱落磨损。
关键词]压裂管汇;冲蚀作用;冲蚀速度;磨损;30CrMo
[中图分类号]TE934.204
文献标识码]A
文章编号]1000-9752(2012)05-0345-03
压裂技术是目前广泛采用的一种增产方法。管汇的冲蚀失效又是制约压裂增产的重要因素。弄清管
汇的失效原因和机理对压裂增产技术具有重要意义。下面笔者对压裂管汇常用材料30CrMo的冲蚀磨损
性能进行试验,主要研究冲蚀速度对冲蚀磨损量的影响规律。
1试样制备与试验方法
1.1试样制备
选用的材料为30CrMo,所有试样均加工长方形条状,试验前用丙酮清洗试样表面的油污,并用烘
干机烘干试样。冲蚀介质所需水为自来水,沖蚀砂采用30~50目的油田酸化压裂所用的压裂砂。试样
的力学性能与化学成分参见文献[1
1.2试验方法
试验在自制的冲
蚀磨损试验装置(图
冲蚀试样加载单元
1)上进行。试验时
喷
电磁流量计O
温度传感器こ感器
把准备好的冲蚀试?
多相流浆系统
夹持在试验台架上的
调节阀
冲蚀机内。然后调节
试样和喷嘴的之间的
试验台架
角度达到试验的设计
电破流量计()止回阀
要求。开动试验装置,
含砂水在搅拌筒内被
搅拌均匀后,在砂浆
砂浆泵
PLC控制系统
泵的驱动下经过电磁
流量计、压力传感器、
图1自制的冲蚀磨损试验装置
温度传感器被输送到
冲蚀机内的喷嘴中,以一定的速度冲击固定着的试样表面。从而实现对试样表面的冲蚀磨损模拟试验。
通过调整冲击的速度和试样的角度,可以实现含砂水以不同的速度和角度冲击试样表面。试验装置
[收稿日期]2012-04-26
[作者简介]肖文汉(1961-),男,1983年大庆石油学院毕业,高级工程师,现从事石油设备管理工作。
Ww. xuc. l.con
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石油天然气学报石油机槭工程
2012年5月
的流量计、压力传感器、温度传感器能够实时地监测整个冲蚀磨损试验过程中流体的各个参数和状态。
另外,试验装置还配备了加载单元,可以对试样两端进行加载,能够完成试样在承受拉伸应力的情況下
的冲蚀磨损试验
试验参数:冲蚀角30°,含砂量7%(体积分数),冲蚀液温度为常温,比较冲蚀速度分别为
15、18、20/s时对冲蚀失重量的影响。
2试验结果分析
2.1冲蚀磨损机理的揭示
图2为试样在30°冲蚀角的条件下冲蚀坑的形貌。冲蚀介质
的冲蚀方向是由图2中点1的位置到点3的位置,所形成的冲蚀
坑边缘呈现椭圆形的形状。由冲蚀坑的入口至冲蚀坑的最深处,
冲蚀坑的深度是缓慢逐渐增加的,这段长度约占整个冲蚀坑长度
的3/4:而由冲蚀坑最深处至冲蚀坑出口这段长度仅占整个冲蚀
坑长度的1/4,并且冲蚀坑的深度快速减小。冲蚀坑的这种形貌
是与沖蚀的角度密切相关。从图2中还可以看到冲蚀坑比较光
滑,但对冲蚀坑的不同区段进行扫描电镜拍照后,发现其不同区
段的微观冲蚀形貌有着很大的不同。
图3是冲蚀坑的点1、2、3位置的微观形貌。从点1位置照
图2冲蚀坑形貌图
片可以看到条形冲痕非常明显,而且都是很长的犁沟。呈现这种
特征是因为,在冲蚀坑的入口段,冲蚀介质能量最大,压裂砂粒
子对表面材料的冲刷实际上是一种微切削作用2。由压裂砂冲蚀前后的微观形貌对比可以看到,试验所
用压裂砂冲蚀后表面变的更加光滑,基本保持了冲蚀前的形状。同时,由对压裂砂冲蚀前后进行质谱分
析可以看出,冲蚀后的压裂砂保持了稳定的化学成分。在这种化学性质稳定且有较高硬度的压裂砂以
30°冲击角的作用下,造成了试样在点1位置呈现条形长冲痕的微观冲蚀形貌
5
图3冲蚀坑点1、2、3位置(从左至右)扫描电子显微照片(5000×)
点2位置的微观形貌是在冲蚀坑的最深处通过扫描电镜拍到的,能够看出它的冲蚀微观形貌与点1
位置有很大的区别、冲痕的长度变短,而且出现了撞击坑和剥落坑。这是由于压裂砂粒子对试样表面施
加挤压力,使试样表面出现回坑及凸起的唇口,随后粒子对唇片进行“锻打”,在严重的塑性变形后,
试样材料呈片屑被冲蚀介质带走。这揭示了在冲蚀坑的最深处的冲蚀磨损机理已经不只是微切削的作
用,还伴随着锻压挤压。冲痕长度的变短也说明了冲蚀介质的能量在此处已经比入口处小很多。但大部
分冲痕的方向基本还是与冲蚀介质的流动方向保持一致并且比较明显。这表明了冲蚀介质虽然由于前面
区段的冲蚀能量耗损而使其到达此区段能量减少了很多,但仍然具有较大能量。