水力壓裂管柱彎管處的固體顆粒沖蝕研究

嚴淳鳀

水力壓裂管柱彎管處的固體顆粒沖蝕研究

嚴淳鳀

（長江大學機械工程學院，湖北 荊州 434023）

為了研究固/液兩相流體對壓裂管柱彎管處的沖蝕問題，運用DPM沖蝕模型對彎管處在不同固相顆粒體積分數條件下的沖蝕進行計算與分析，追蹤固體顆粒粒子路徑，研究結果表明：彎管內壁管徑最大區域最易產生沖蝕；在不同固相顆粒體積分數條件下，彎管最大沖蝕率隨著固體顆粒含量的增加而增加，且固相顆粒體積分數與彎管的沖蝕率呈線性變化趨勢。

壓裂彎管；固體顆粒；沖蝕；液/固兩相流

在非常規油氣井開采中，水力壓裂技術是提高采收率和可采儲量的重要手段之一；而且水力壓裂在低滲透油氣田中是目前最有效的開發技術。目前，水力壓裂工藝向大的施工排量和大的加砂量趨勢發展，這就對管柱和工具的耐磨性和安全性提出了新的要求[1]。

水力壓裂就是利用壓裂車將壓裂液以高壓力和高流速從井筒注入井口的過程，在壓裂過程中，油氣層產生裂縫后還會注入含有支撐劑的混砂液；在水力壓裂施工工序中，注入支撐劑、泵入頂替液和反洗都將會產生固體顆粒，凡是與運動流體產生直接接觸的所有類型的設備，都將會產生沖蝕磨損[2]；因此，本文對井下管柱的彎管處進行沖蝕研究。

管道產生沖蝕是一個極為復雜的過程，當流體運動為湍流時，其運動狀態非常無序，流體可從各個方向對金屬壁面進行沖擊，金屬壁面受沖蝕較為嚴重，因此，在管道的變徑處和彎曲段壁面受到的沖蝕更加明顯。而且，管道沖蝕與流體內固體顆粒含量、管線材料、管道幾何結構、管道彎曲處彎曲角度、流體沖擊角度等許多因素都有一定的關系[3]。

文中利用SolidWorks對彎管模型進行構建，再將模型導入Ansys的計算流體模型Fluent中，開展固/液兩相流體流動特性仿真模擬計算，研究混砂液在彎管處的內部流場分布規律，對不同固相顆粒體積分數條件下彎管的沖蝕進行計算與分析，得出了相關結論。

1 模型建立

1.1 沖蝕磨損模型

影響液/固兩相流沖蝕的因素有很多，Mixture- discrete phase model（DPM）分析法模型不僅考慮了沖擊速度和角度的影響，還將管線的材料管線的壁厚、顆粒粒徑、顆粒形狀和顆粒材料性質一起考慮進去[4]，文中采用此模型完成沖蝕計算[5]：

式中：R—彎管沖蝕速率，kg·（m2·s）-1；

（d）—離散相顆粒直徑函數；

N—顆粒數目；

m—固體顆粒質量流量，kg·s-1；

—固體顆粒與彎管壁面的碰撞角，（°）；

A—彎管壁面計算單元面積，m2；

（）—侵入角函數。

1.2 幾何模型及網格

模型如圖1所示，由上游直管入口段、下游直管出口段和彎管段組成，管道采用3 1/16″彎頭規格，彎管角度為90°，曲率半徑=3D，管徑=100 mm，壁厚=15 mm，==300 mm，含顆粒的流體從入流端以30 m·s-1的速度垂直進入；在Ansys中建立流道模型后，并進行網格劃分，采用六面體網格單元，得到網格數為1 441 872，如圖2所示。

圖1 彎管幾何模型

圖2 彎管模型網格

2 計算結果及比較

2.1 計算前處理

入口邊界條件為速度入口，設置固相顆粒和沖蝕磨損模型，固相顆粒的入射速度和流體相同；彎管內連續相介質為壓裂液，分散相為砂粒；出口邊界采用outflow。

固相顆粒體積分數分別設置為1%、3%、5%、7%、9%、11%；入口速度為30 m·s-1；砂粒顆粒視密度為=1 500 kg·m-3，顆粒粒徑為= 0.35 mm；沖擊角函數定義為線性數值，如表2所示。

表1 沖擊角函數參數設置

2.2 仿真結果分析

利用上述仿真方法在固相顆粒體積分數分別為1%、3%、5%、7%、9%、11%時進行模擬計算，得到固體顆粒體積分數對彎管沖蝕的影響。經沖蝕仿真計算后，觀察固體顆粒通過彎管時的運動軌跡，如圖3所示。固體顆粒在0 s時刻，從下方入口處進入彎管中，在彎管彎曲處于管壁發生碰撞，隨后在0.052 6 s時刻從出口處流出。

在Fluent軟件中計算不同固體顆粒體積分數下的彎管沖蝕率，其云圖如圖4所示。不同固體顆粒體積分數與最大沖蝕率的曲線圖如圖5所示。

圖3 固體顆粒運動軌跡圖

圖4 不同固體顆粒含量下彎管沖蝕云圖

圖5 最大沖蝕率-固相顆粒體積分數曲線圖

由圖5相關結果可知，隨著固相顆粒含量的增加，彎管內壁面最大沖蝕速率呈近似線性增長。壓裂液質量濃度增加，使得在單位時間、單位體積內壓裂液中固體顆粒增加，則導致在單位時間、單位面積上與彎管內壁的碰撞次數增多，從而使得最大沖蝕速率增大。

3 結 論

本文主要分析水力壓裂管柱彎管處在不同的固體顆粒含量下對管柱的沖蝕影響。通過Fluent的仿真模擬，可以得到以下結論：

1）根據彎管沖蝕云圖可知，易產生沖蝕區域在彎管內壁管徑最大區域，在上游直管段和下游直管段產生沖蝕較小，應重點關注易產生沖蝕區域，以免造成重大安全事故。

2）彎管沖蝕率隨著固體顆粒體積分數的增加而增加，固相顆粒體積分數在1%、3%、5%、7%、9%、11%時，最大沖蝕率分別為0.000 064 7、0.000 065 3、0.000 352、0.001 07、0.001 67、0.002 01 kg·m-2·s-1，且固相顆粒體積分數與彎管的沖蝕呈線性變化趨勢。

［1］路鑫, 常宗瑜, 趙林, 等. 大口徑海洋輸氣管道彎管處的固體顆粒沖蝕效果分析[J]. 機械設計, 2019, 36 (S1): 34-39.

［2］周蘭, 張紅, 陳文康, 等. 頁巖氣壓裂管匯彎頭的沖蝕磨損影響分析[J]. 中國安全生產科學技術, 2020, 16 (10): 53-58.

［3］董春朋. 分層壓裂工藝下管柱及工具易沖蝕部件研究[D]. 大慶：東北石油大學, 2015.

［4］王健剛, 孫巧雷, 嚴淳鳀, 等. 測試地面流程彎管沖蝕磨損的影響研究[J]. 石油機械, 2021, 49 (1): 88-94.

［5］ZHANG Y, REUTERFORS E P, MCLAURY B S, et al. Comparison of computed and measured particle velocities and erosion in water and air flows[J]., 2006, 263 (1)：330-338.

Research on Solid Particle Scouring in Bends of Hydraulic Fracturing Pipe Columns

（School of Mechanical Engineering, Yangtze University, Jingzhou Hubei 434023, China）

In order to investigate the erosion of fracture tubes at bends of fracture tube columns by solid/liquid two-phase fluids, the erosion model of DPM was used to calculate and analyze the erosion of bends at different solid-phase particle volume fractions and to trace the path of solid particles. The results showed that, the area with the largest pipe diameter on the inner wall of the elbow was most likely to be eroded, the maximum erosion rate of the elbow increased with the increase of the solid particle content, and the volume fraction of solid particles and the erosion rate of the elbow showed a linear change trend.

Fracture bends; Solid particles; Erosion; Liquid/solid two-phase flow

2020-11-30

嚴淳鯷（1994-），女，湖南常德人，碩士研究生，研究方向：機械系統仿真與診斷技術。

TQ050.9

A

1004-0935（2021）04-0526-03