粒子沖擊鉆井中管匯沖蝕磨損模擬分析

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

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[1-4]。在粒子沖擊鉆井中，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性事故[5-7]。尤其是管匯系統中管徑變化以及管道彎曲處，例如沖管、鵝頸管、鉆頭噴嘴、彎管、鉆桿接頭等，會導致鉆井工作的安全性降低[8-10]。這些問題使粒子沖擊鉆井技術的發展受到限制，因此，需要對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，使粒子沖擊鉆井技術得以廣泛的應用。

1 沖蝕磨損結果分析

1.1 90°彎管

選取的90°彎管物理模型為彎管內徑?55 mm、外徑?71 mm、曲率半徑為150 mm、彎管延伸長度150 mm。對彎管內部，即沖蝕磨損研究的計算域進行Gambit繪制以及網格劃分，網格質量良好。如圖1所示。

將彎管的模型圖導入Fluent軟件，設置相應參數，進行排量、粒徑、粒子濃度對沖蝕磨損影響的模擬分析。得到結果如圖2所示。

彎管沖蝕最嚴重的部位是曲率發生變化處，位于彎管下半部區域的內表面，條件允許時，增大易磨損部位壁厚或內徑，或對易磨損部位進行鍍鎳耐磨處理。

圖1 90°彎管模型

a 云圖1

b 云圖2

1.2 沖管

選取的沖管物理模型為沖管直徑76 mm、長度150 mm。對沖管沖蝕磨損研究的計算域進行Gambit繪制以及網格劃分，網格質量良好。如圖3所示。

圖3 沖管模型

將沖管的模型圖導入Fluent軟件，設置相應參數，進行排量、粒徑、粒子濃度對沖蝕磨損影響的模擬分析。得到結果如圖4所示。

a 云圖1

b 云圖2

由圖4可知，沖管的磨損較為均勻，主要集中在沖管的下部區域。可適當增加沖管的壁厚。與彎管的磨損相比，沖管的磨損程度相對較小。

1.3 鵝頸管

選取的鵝頸管物理模型為鵝頸管直徑?76 mm、兩端直管長度為150 mm、彎管部分曲率半徑為114 mm。對鵝頸管內部，即沖蝕磨損研究的計算域進行Gambit繪制以及網格劃分，網格質量良好。如圖5所示。

圖5 鵝頸管模型

將鵝頸管的模型圖導入Fluent軟件，設置相應參數，進行排量、粒徑、粒子濃度對沖蝕磨損影響的模擬分析。鵝頸管沖蝕磨損如圖6所示。

a 云圖1

b 云圖2

鵝頸管磨損最嚴重的部位是曲率變化處，位于鵝頸管上半部分內表面。條件允許時，可增大易磨損部位壁厚、曲率半徑和內徑，使用耐磨材料(碳化鎢、錳鋼、鎳基合金等)加工，或者鑲嵌可更換耐磨襯里。

1.4 鉆桿接頭

對鉆桿接頭內部，即沖蝕磨損研究的計算域進行Gambit繪制以及網格劃分，網格質量良好。如圖7所示。

圖7 鉆桿接頭模型

將鉆桿接頭的模型圖導入Fluent軟件，設置相應參數，進行排量、粒徑、粒子濃度對沖蝕磨損影響的模擬分析。鉆桿接頭沖蝕磨損如圖8所示。

a 云圖1

b 云圖2

鉆桿接頭的易磨損部位為管徑變化處，可對此部位進行耐磨處理。

1.5 鉆頭噴嘴

對13°噴嘴、40°噴嘴和13°+ 40°兩級噴嘴3種不同類型噴嘴進行沖蝕磨損研究。其模型如圖9所示。

a 13°噴嘴

b 40°噴嘴

c 13°+40°噴嘴

所得到的3種噴嘴沖蝕磨損對比如圖10所示。

圖10 不同噴嘴沖蝕磨損對比

圖10中，橫坐標1為13°噴嘴沖蝕磨損量；橫坐標2為40°噴嘴沖蝕磨損量；橫坐標3為13°+40°噴嘴沖蝕磨損量。

由圖10可知，對于3種不同類型噴嘴的沖蝕磨損速率，40°>13°+40°>13°噴嘴。13°噴嘴的沖蝕磨損量最小，建議在粒子沖擊鉆井過程中使用小度數的噴嘴進行鉆進工作，可有效減少沖蝕磨損。

2 變量對管匯沖蝕磨損對比[11-14]

2.1 排量

設定排量為單一變量參數，其余參數設置為粒徑2 mm，體積濃度5%，鉆井液密度1.2 g/cm3，黏度70 mPa·s，鋼粒密度7.85 g/cm3。

排量的對比值為24 、 26 、 28 、 30 、 32 L/s。

排量對90°彎管、鉆桿接頭、鵝頸管、沖管及鉆頭噴嘴的磨損程度對比如圖11所示。

圖11 排量對管匯沖蝕影響對比

由圖11可知，管匯磨損量隨排量的增大基本呈線性增加，水龍帶增加不明顯；磨損量排序為鵝頸管> 90°彎管>噴嘴、鉆桿接頭、沖管

2.2 粒徑

設置粒徑為單一變量參數，其余參數設置為排量30 L/s，體積濃度3%，鉆井液密度1.2 g/cm3，黏度70 mPa·s，鋼粒密度7.85 g/cm3。

粒子直徑對比值為0.6、0.8、1.0、2.0、3.0 mm。

粒子直徑對90°彎管、鉆桿接頭、鵝頸管、沖管及鉆頭噴嘴的磨損程度對比如圖12所示。

圖12 粒子直徑對管匯沖蝕影響對比

由圖12可知，管匯磨損量隨粒子直徑的增大而增大；粒子直徑2 mm時，磨損量排序為鵝頸管>90°彎管>噴嘴、鉆桿接頭、沖管。

2.3 粒子濃度

設置粒子體積濃度為單一變量參數，其余參數設置為排量30 L/s，粒徑2 mm，鉆井液密度1.2 g/cm3，黏度70 mPa·s，鋼粒密度7.85 g/cm3。

體積濃度的對比值為1%、2%、3%、4%、5%。

體積濃度對90°彎管、鉆桿接頭、鵝頸管、沖管及鉆頭噴嘴的磨損程度對比如圖13所示。

圖13 體積濃度對管匯沖蝕影響對比

由圖13可知，管匯磨損量隨粒子濃度的增大呈非線性增加，粒徑超過2 mm后增加較快；體積濃度為3%時，磨損量排序為鵝頸管> 90°彎管>噴嘴、鉆桿接頭、沖管。

3 結論

本文使用FLUENT軟件中的DPM模型，分析了90°彎管、沖管、鵝頸管、鉆桿接頭、鉆頭噴嘴幾種不同的管匯部件在不同排量、粒徑、粒子濃度下的沖蝕磨損情況；分析了排量、粒子直徑、粒子濃度3個不同變量對管匯系統不同部件沖蝕磨損情況的整體對比。

1) 90°彎管的沖蝕磨損速率隨排量和粒子濃度的增加而增大，隨粒子直徑的增加先增大后減小，在粒徑為2 mm時達到最大的沖蝕磨損速率。彎管沖蝕最嚴重的部位是曲率發生變化的部位，主要位于下半部區域的內表面。

2) 沖管的沖蝕磨損速率隨排量和粒子濃度的增加而增大，隨粒子直徑的增大而減小。磨損主要發生在沖管的下部區域。可以適當增加沖管的壁厚。

3) 鵝頸管的沖蝕磨損速率隨排量、粒子濃度的增加而增大；隨粒子直徑的增加而增大，粒徑大于1 mm時，沖蝕磨損快速增大；鵝頸管磨損最嚴重的部位是曲率變化處，位于鵝頸管上半部分的內表面。

4) 鉆桿接頭的沖蝕磨損速率隨排量、粒子直徑和粒子濃度的增加而增大。鉆桿接頭的沖蝕磨損嚴重部位位于管徑變化處。

5) 對13°、40°和13°+40°兩級噴嘴3種不同類型噴嘴進行了沖蝕磨損研究，對于3種不同類型噴嘴的沖蝕磨損速率，40°>13°+40°>13°噴嘴。13°噴嘴的沖蝕磨損量最小，建議在粒子沖擊鉆井過程中使用小度數的噴嘴進行鉆進工作，可有效減少沖蝕磨損的發生。

6) 鵝頸管和90°彎管受到的沖蝕磨損程度明顯大于鉆頭噴嘴、鉆桿接頭以及沖管。應對較易受到磨損的鵝頸管和90°彎管進行結構改進以及防磨耐磨處理。