油田鉆采設備過流部件沖蝕磨損研究進展*

朱紅波，王 偉，周永新

(克拉瑪依職業技術學院，新疆 克拉瑪依 834000)

隨著油田開發的不斷深入，各種深井、超深井、定向井、水平井日益增多，導致鉆采設備的工作環境不斷惡化；同時，為了進一步提高油井開采效率，常常采用水力噴射、加砂壓裂等儲層改造方法，對鉆采設備及工藝提出更高要求，鉆桿、套管、壓裂設備以及井下作業工具和采油設備的過流部件會因受到流體沖刷而引起磨損，特別是當采出液或鉆井液、壓裂液中含有固體顆粒情況下，液固兩相流對設備的沖蝕磨損會愈發嚴重[1-2]。沖蝕磨損是指固體表面受到含有固體顆粒的流體介質沖刷而造成材料表面出現的損耗[3-4]，沖蝕磨損會導致石油鉆采、集輸設備過流部件壁面材料損耗、壁厚變薄，降低材料力學性能[5]，嚴重時會引起部件損壞、管件刺漏、密封失效，造成設備不能正常工作甚至引發安全事故。由于沖蝕磨損問題涉及多個學科，沖蝕磨損過程同時受到沖蝕環境、流場狀態和材料屬性等多種因素影響[6]，以至于沖蝕磨損造成設備損壞的動態過程和機理相對復雜，因此，深入開展石油鉆采設備沖蝕磨損研究，分析不同設備在不同工況條件下造成沖蝕磨損的主要原因及影響程度，對于豐富沖蝕理論、探究沖蝕磨損發展規律，為油田鉆采設備沖蝕磨損評估、預防提供指導，保障油田設備安全、高效運行具有重要意義。通過總結已有沖蝕磨損理論，綜述典型沖蝕理論模型、對比分析沖蝕磨損研究方法以及在石油鉆采設備領域研究現狀，并對今后鉆采設備沖蝕磨損防護的研究提出建議。

1 沖蝕磨損理論

由于沖蝕磨損在石油化工、煤礦、冶金、機械等各個工業領域廣泛存在，眾多學者對沖蝕磨損的研究給與高度的重視，開展了廣泛的研究，并形成多種沖蝕磨損理論和相關模型。其中，比較典型的主要有微切削磨損理論、變形磨損理論、擠壓鍛造理論、絕熱剪切理論以及二次沖蝕理論等。

1.1 微切削磨損理論

1958年，Finnie[7]首次提出了塑性材料沖蝕的微切削理論。認為塑性材料表面沖蝕是由于一定速度和角度的較硬固體粒子侵入被沖擊材料表面，導致材料因切削作用發生遷移的沖蝕磨損理論；同時指出沖蝕磨損體積與固體顆粒質量和速度的平方成正比，與靶材的流動應力成反比。通過對比大量試驗數據，Finnie[8]于1960年對該理論模型進行修正，確定沖蝕磨損體積V隨入射角α變化的數學表達式為：

(1)

(2)

式中：V為沖蝕磨損體積，m3；K為粒子分子數；m為粒子的質量，；vs為粒子沖擊速度，m/s；σy為靶材的屈服強度，Pa；n為粒子沖擊速度對沖蝕磨損量的影響度，即速度指數；α為沖蝕粒子入射角，°；α0為粒子臨界入射角，°。

通過將切削模型預測結果和大量試驗結果對比發現，對于沖蝕磨損量和沖擊入射角的關系曲線，兩者在低角度沖擊時吻合的較好，但在大角度沖擊或者脆性材料的沖蝕磨損預測中存在較大偏差，特別是正向沖擊(沖擊角為90°)時，按切削模型計算沖蝕磨損量為零，而實際上材料表面存在一定的磨損，這說明還有其他的機制造成材料的磨損。盡管這樣，微切削理論仍然為沖蝕磨損行為的其他研究模型提供可靠的理論依據。

1.2 變形磨損理論

1963年，Bitter[9-10]提出了基于能量平衡角度的變形磨損理論，指出由變形磨損和切削磨損兩部分組成了材料的沖蝕磨損。當材料表面自身屈服強度高于固體顆粒對材料表面的沖擊應力時，材料表面只產生彈性變形，反之，材料表面不僅發生彈性變形，同時也會產生塑性變形，當塑性變形增大到一定程度就會引起材料表層發生破壞、剝落，進而形成變形磨損；切削磨損即固體顆粒對材料表面的犁削現象，而總的沖蝕磨損量則為兩者代數和，變形磨損理論的模型公式為[11]：

(3)

式中：m為顆粒質量，v為顆粒速度，a為顆粒入射角，φ和?分別為剪切和切削變形所消耗的能量。

1.3 擠壓鍛造理論

1986年，Levy[12]在總結眾多學者對于材料表面發生沖蝕磨損行為探究數據的基礎上，通過大量試驗提出沖蝕磨損的擠壓鍛造理論，指出材料表面發生的沖蝕磨損行為是流體攜帶固體粒子對材料表面不斷鍛打和擠壓的過程。沖擊時粒子對靶材表面施加擠壓力，使靶材表面形成凹坑和凸起的唇片，隨后的粒子再持續對唇片進行“鍛打”，使唇片產生嚴重塑性變形，最終在材料表面呈片屑流失。該理論作為變形磨損理論的一種延伸，進一步解釋了沖蝕磨損的部分機理[13]。擠壓鍛造理論在材料沖蝕磨損領域已獲得很多學者的認可，但是Levy并沒有總結出一個可以用于沖蝕磨損計算的公式，僅僅提出了沖蝕磨損速率與鍛造擠壓作用有很大關系。

1.4 絕熱剪切理論

1979年，Hutchings[14-15]通過試驗的方法借助高速攝影機捕捉了低碳鋼靶材受直徑9.5 mm的鋼球以270 m/s的速度沖擊時變形唇的形成過程，基于材料應變率的估算，提出了沖蝕磨損過程的絕熱剪切理論。他認為，在粒子沖擊下，材料受到推擠產生嚴重塑性變形，在高的應變率下，材料溫度升高很快，首先是變形過程絕熱化，然后是變形的局部化使得受推擠的材料沿剪切方向形成絕熱剪切帶，從而形成變形唇片。之后他又研究了金屬表面與沖擊顆粒之間的能量平衡方程，于1981年提出另一種球形顆粒法向沖擊金屬材料表面的沖蝕速率力學模型[16]，模型在假設顆粒沖擊過程中不發生變形或破碎、忽略彈性效應的基礎上，研究生了動態硬度、沖擊角度和材料延展性對沖蝕磨損的影響。

1.5 二次沖蝕理論

由于固體粒子沖擊材料表面往往會發生破碎，形成的粒子碎片將對材料表面造成第二次沖蝕。Tilly[17-18]采用電子顯微技術、高速攝影技術等技術手段和篩分法研究塑性材料的沖蝕磨損受顆粒破碎的影響，并在此基礎上提出二次沖蝕理論。指出粒子的粒度、速度和攻角會影響粒子的碎裂程度，而當粒子極小或入射速度極低，則不產生沖蝕或僅產生一次沖蝕，只有當粒徑、速度都足夠大時，粒子破裂才會形成第二次沖蝕，二次沖蝕磨損的程度與沖擊粒子的動能及其破碎程度成正比關系，該理論對脆性材料粒子在高入射角條件下的沖蝕問題進行合理解釋，在入射角較大時有較好的適用性，但其主要不足之處在于需要通過先導試驗確定固體顆粒的標準速度和顆粒粒徑閾值[19]。

上述理論為沖蝕磨損研究中比較典型的基礎理論，其中影響較大的以微切削磨損理論、變形磨損理論和擠壓鍛造理論為主[20]。眾多研究證明，在說明剛性粒子以較低入射角沖擊固體材料表面時，微切削磨損理論比較適用；對于高入射角沖擊形成的沖蝕成片過程擠壓鍛造理論具有較強的說服力，而變形磨損理論則重點闡釋了沖蝕過程中的固體表面變形過程及能量變化。

2 沖蝕磨損研究方法與現狀

在石油開采過程中，大部分鉆采、集輸設備都會受到固體顆粒的沖蝕。由于鉆采設備、井下工具的結構、種類多，工況條件多樣，在多相流條件下固體顆粒對過流部件的沖蝕磨損機理及影響因素更加復雜。為了進一步明確鉆采設備沖蝕磨損產生機理和影響因素，國內外學者進行了廣泛的研究，根據側重點不同研究方法主要可分為沖蝕磨損試驗研究、數值仿真研究兩種。

2.1 試驗研究

在研究石油鉆采設備沖蝕磨損行為的眾多方法中，利用試驗手段進行研究是探究材料沖蝕磨損機理與影響因素比較有效的方法，試驗研究是在對現場運行工況進行調研之后在實驗室模擬現場工況，采用一定的試驗手段獲得相關結論的過程[21]，近半個世紀以來，國內外學者通過試驗研究了多種生產工況條件下材料的沖蝕行為，并研發出多種形式的沖蝕磨損試驗裝置，按各自研究側重點和固體顆粒作用形式不同主要分為旋轉式、管流式和射流式沖蝕試驗裝置三種。

2.1.1 旋轉式沖蝕磨損試驗

對于金屬材料在料漿環境中沖蝕性能評價方面最先使用的設備是料漿罐式試驗機，該設備由鉆床配上一個聚苯乙烯桶組成料漿罐式沖蝕試驗機，在以鉆桿為軸的樣品架上加持四個對稱放置的金屬片，鉆桿在料漿中旋轉并攪動，料漿中攜帶固體粒子與靶材表面發生碰撞造成沖蝕[22]。在此基礎上，研究人員陸續開發多種旋轉式沖蝕磨損試驗裝置并開展相關試驗研究。Goodwin等[23]設計了一種旋臂沖蝕鉆機用于開展沖蝕磨損試驗研究，使試件在高速旋轉臂帶動下轉動，同時監測試件轉動速度，通過高速旋轉的試件與自由下落的固體顆粒發生碰撞進而產生沖蝕。丁一剛等[24]通過旋轉式沖蝕試驗裝置研究了不同顆粒含量、顆粒直徑及入射角條件下不銹鋼的沖蝕情況。證實了金屬試樣沖蝕程度會隨著顆粒含量增大而增大，而顆粒沖擊角度的變化會引起沖蝕機理發生變化。偶國富等[25]采用旋轉式沖蝕磨損試驗裝置對低碳鋼在液固兩相流不同沖擊角度和沖擊速度條件下的沖蝕試驗，試驗數據誤差在6.8%以內，驗證了液固兩相流作用下低碳鋼沖蝕磨損規律與經典沖蝕理論一致。呂寧博等[26]利用旋轉MSH沖蝕儀研究了鉆井防砂篩管在不同沖蝕角度與速度下的沖蝕規律，試驗證明在相同試驗條件下，防沙篩管沖蝕磨損率隨沖蝕時間增加不斷增大，而后趨于平穩；沖蝕率隨沖蝕角度增大而減小，隨沖蝕速度增大而增大。李平等[27]采用自制的MCF-14旋轉式料漿罐式沖蝕磨損試驗機對酸性料漿介質環境中304不銹鋼沖蝕磨損性能開展試驗研究，通過對正交試驗失重率結果進行極差分析和方差分析得出料漿溫度、硫酸濃度、料漿溫度和硫酸濃度及其交互作用對304不銹鋼沖蝕磨損性能的影響。

2.1.2 管流式沖蝕試驗

美國Tulsa大學沖蝕腐蝕研究中心設計了用于研究石油和天然氣生產中因存在砂粒造成管線彎頭部位點蝕和穿孔問題的管流式沖蝕試驗臺架，其加入沙粒僅在一回旋式分離器及彎管試驗段的區間運行，從而有效降低了砂漿對循環泵和充氣罐等部件的沖蝕。Bikbaev等[28-29]利用管流式試驗裝置針對天然氣管道彎頭進行了沖蝕磨損研究，分析不同顆粒流量、流速以及彎管曲率條件下內徑為50 mm彎管外側沖蝕速率。Bourgoyner[30]針對井下異常壓力引起的海上油田淺層氣下鉆井沖蝕問題，建立了管流式試驗裝置，采用超聲波測量手段測定不同彎頭曲率的彎管顆粒的沖蝕情況。Blatt等[31-32]利用管流式沖蝕試驗裝置研究了不銹鋼材料突擴管處的沖蝕機理，得出在突擴管出口2～3倍粗管直徑處具有最大沖蝕速率的相關結論。Lotz等[33]針對3%氯化鈉溶液流過垂直式的突然膨脹—收縮管流中的沖蝕腐蝕問題建立了管流式試驗臺架，通過測量分段管狀流通池沖蝕速率的方法研究了碳鋼、不銹鋼突擴管的沖蝕情況。安杰等[34]在改裝后的管流式沖蝕磨損試驗機上以圓筒作為試驗靶材進行油氣井管柱在高應力環境下的沖蝕研究，采用超聲波測厚儀測量靶材因沖蝕造成的厚度減薄情況，通過金相顯微鏡觀察靶材表面沖蝕形貌、利用激光多普勒測速儀追蹤顆粒速度和濃度分布狀態，通過對試驗結果分析，進一步明確加載應力作用下靶材的沖蝕率變化情況。魏遼等[35]通過總結沖蝕理論和數值模擬結果，利用研制的沖蝕磨損試驗裝置研究了井下工具固井滑套帶孔短節在特定工況下的沖蝕磨損情況，分析了孔眼數量、含砂比及排量對沖蝕磨損速率的影響關系。張依弛等[36]采用管流式環道試驗裝置對T型彎頭液固兩相流沖蝕磨損進行研究，選用高密度聚乙烯制作彎頭并在彎頭內部加裝掛片的方式分析流場分布和沖蝕情況。鐘林等[37]基于現場壓裂工況，通過數值仿真手段分析了單錐面球座和雙錐面球座的沖蝕磨損情況，并在自制的管流式沖蝕磨損試驗機上通過室內試驗驗證單錐面球座和雙錐面球座的沖蝕性能，并結合3種不同涂層材料球座隨沖蝕時間變化而形成的沖蝕形貌分析，指出雙涂層球座較碳化鎢涂層和硬質合金球座的的耐沖蝕能力更強。

2.1.3 射流式沖蝕試驗

加州大學Berkeley分校Lawrence實驗室建立了一臺料漿噴射式沖蝕試驗裝置，在對某些材料進行抗泥漿沖蝕性能評價的同時，還對比分析了料漿罐式沖蝕設備與料漿噴射沖蝕磨損試驗結果之間的區別。Reddy等[38]在1986年采用自制的射流式沖蝕試驗裝置，以40 m/s沖擊速度和30°、60°、90°三種不同沖擊角度開展沖蝕試驗，研究材料表面的沖蝕形貌和磨損機理。Haugen等[39]基于北海油田內的球閥、節流閥等過流部件沖蝕背景，建立了一套射流式沖蝕試驗裝置，用一定粒徑的角狀砂粒模擬海底磨粒，經氣流加速后對試樣進行沖蝕，并通過掃描電子顯微鏡(SEM)觀察試件微觀沖蝕形貌。張繼信等[40-41]采用自制的噴射型沖蝕磨損試驗機先后研究了高壓管匯材料30CrMo、42CrMo以及45#鋼在水力壓裂工況下受高速攜砂液的沖蝕情況，分別討論了沖蝕角度、沖蝕速度、砂粒粒徑和砂粒質量分數對沖蝕磨損的影響，并基于沖蝕表面微觀形貌，分析了材料在不同沖蝕角度下的沖蝕機理；試驗結果表明，在相同工況條件下，強度和韌度較好的42CrMo合金鋼具有較好的耐沖刷性能，沖蝕磨損隨沖蝕速度增大顯著提高，隨砂粒粒徑和質量分數增大而增大，但質量分數的影響較小，隨著沖蝕角度的變化，材料沖蝕磨損呈現切削模型和局部塑性變形兩種磨損機制。黃小兵等[42]采用磨料射流試驗臺對塑性材料在含砂水溶液形成的液固兩相流中沖蝕磨損進行了試驗研究，分析了砂粒粒徑、濃度，沖擊速度、角度對沖蝕速率的影響。結果表明，試樣材料的沖蝕磨損隨砂粒尺寸、濃度增大而增大，隨沖擊速度增大而顯著增大，隨沖擊角度增大呈先增大后減小的變化趨勢。王凱等[43]在自制的噴射式沖蝕試驗裝置上完成了P110材料沖蝕試驗,考察了流體噴嘴出口流速、含砂量以及沖蝕時間、沖蝕角對沖蝕速率的影響，并根據試驗結果分析了各因素影響兩種材料沖刷腐蝕交互作用的嚴重程度，各個影響因素對交互作用顯著性影響情況以及總沖蝕速率變化趨勢。高文祥等[44]基于壓裂工況采用自制噴射式沖蝕試驗裝置對超級13Cr鋼在含砂3.5wt%NaCl液固兩相流中開展沖蝕試驗，研究沖蝕時間、沖擊速度和砂粒含量對沖蝕磨損的影響，試驗結果表明，13Cr鋼沖蝕速率隨沖蝕時間變化先減小后增加，并逐漸趨于穩定；流速增大導致沖蝕速率不斷增大，當流速超過5.6 m/s時沖蝕腐蝕交互作用明顯增強；砂粒含量對沖蝕磨損的影響存在一個臨界值，超過臨界值后隨著含沙量增加，沖蝕磨損率呈下降趨勢。王曉等[45]以海洋石油開發為背景，針對鉆完井工具沖蝕研究開發了鉆完井工具沖蝕試驗平臺，該試驗平臺采用前混式水射流混砂技術，主要包括增壓系統、磨料系統、試驗系統以及測控系統組成，能夠對試驗過程中壓力、流速及含沙量進行有效控制，通過對316L試件進行沖蝕性能試驗，驗證了試驗數據的穩定性和可靠性，為鉆完井工具沖蝕磨損試驗研究提供了有效手段。

2.2 數值仿真研究

材料的沖蝕磨損與環境參數、粒子屬性以及靶材性質等多個方面相關，特別是在多相流作用下，固體顆粒的沖蝕磨損與鉆采設備過流部件結構和流場狀態關系緊密。在石油開采過程中，設備工況環境和幾何結構的差異性導致不同過流部件內部流體流場狀態復雜多變，開展試驗研究比較困難且費用昂貴。隨著計算流體力學的迅速發展，大量的學者開始使用計算機軟件進行材料沖蝕磨損行為的探究。計算流體動力學(CFD)模擬可以幫助確定復雜管線內流速流態和近壁面湍流強度，進而分析多變幾何結構內部復雜流場狀態，通過對比試驗結果或現場沖蝕特征，科學分析沖蝕機理及對設備沖蝕磨損情況進行有效評估。Edwards等[46]采用數值模擬分析了三通和彎管在氣固兩相流作用下的沖蝕磨損，分析結果表明采用帶有堵頭的三通和增大彎曲半徑都能提高彎管的抗沖蝕能力。Gandhi、Borse等[47]針對顆粒粒徑對沖蝕磨損的影響進行了探究，發現當沖擊角度在30°和75°時，顆粒粒徑和最大沖蝕速率之間為線性關系，線性結果取決于顆粒沖擊速度和粒徑。Yoshinori Isomoto Oka等[48]學者通過有限元法模擬了圓球和帶棱角顆粒撞擊鋁、鋼、鑄鐵等靶材，發現沖蝕破壞的深度與微粒的密度以及剛度存在聯系。Bielawski M[49]利用ABAQUS建立了不同涂層體系的二維仿真模型,得到了顆粒流速、顆粒粒徑對靶材沖蝕磨損的影響。馮進等[50]利用數值仿真，分析比較了不同沖蝕模型中沖蝕位置的分布以及不同沖擊速度和粒徑對沖蝕率的影響。偶國富等[51-52]分別以彎管、異徑管為研究對象進行流固耦合數值模擬，分析多相流介質與管壁邊界層腐蝕產物保護膜之間的耦合作用，先后研究了彎管的結構特性、多相流的物性參數和異徑管結構規格、流體流向對保護膜變形的影響。近幾年來，關于鉆采設備中水平井完井分段壓裂滑套球座沖蝕磨損的數值仿真研究逐漸增多，李永革等[53]運用ANSYS-CFD模擬分析軟件分別研究了壓力、砂粒流量、錐面角度對球座沖蝕的影響，仿真結果表明，壓力的變化對沖蝕速率影響不顯著，砂粒流量和錐面角度增大會導致沖蝕磨損速率增大，而砂流量對沖蝕磨損的影響趨勢更加明顯。丁坤等[54]結合水平井分段壓裂工程實際模擬不同砂比、支撐劑顆粒直徑、排量等因素對壓裂球座沖蝕磨損速率的影響，結果表明，壓裂滑套球座前端錐面沖蝕磨損最為嚴重，三個因素中影響最大的是施工排量，與磨損速率呈指數關系；其次是支撐劑顆粒直徑，粒徑增大，沖蝕磨損率降低；砂比對球座沖蝕磨損的影響最小，球座沖蝕速率隨砂比的增大而增大，但并不呈線性關系。張峰等[55]應用Fluent軟件研究了球座錐段角度、壓裂液黏度和砂粒粒徑等參數對壓裂球座流道速度和壓力分布的影響，并對球座表面沖蝕磨損速率的影響規律進行分析。模擬結果表明，在球座錐段與小圓柱段連接處沖蝕磨損率最大，并隨著錐段角度的增大呈現指數形式增長，隨著砂粒粒徑和壓裂液黏度的增大而減小。向正新等[56]基于沖蝕理論分析了壓裂球座失效原因，結合壓力施工技術參數對壓裂液排量、顆粒濃度、直徑和黏度對球座沖蝕磨損的影響開展數值模擬分析，結果表明，球座沖蝕速率隨壓裂液排量和支撐劑顆粒濃度的增加而增大，隨著顆粒直徑和黏度的增加而減小；通過改變球座錐角和結構型式，分析液固兩相流顆粒濃度分布對球座錐段沖蝕速率的影響，并指出20°～30°的錐角范圍和凹面結構、雙角度結構的球座具有較小的沖蝕率。杜培偉等[57]采用數值仿真研究方法對不同涂層材料的壓裂球座進行沖蝕模擬，并將結果與沖蝕試驗結果進行對比，驗證仿真模型的準確性，同時對壓裂球座結構優化提出建議。

3 結 語

自Finnie首次提出沖蝕磨損切削理論以來，研究人員針對沖蝕磨損開展了大量的試驗研究和理論分析，提出了多種沖蝕理論和數值模型，但各種模型普遍存在主觀假設，僅能夠滿足特定工況和試驗條件，不同的沖蝕試驗方法得到的試驗結果會存在很大的差異，目前為止還沒有形成能夠適用于所有工程實際的理論體系或沖蝕模型[58]。在石油鉆采生產過程中，涉及設備、井下作業工具的種類多，生產工藝復雜，試驗研究難以模擬真實生產工藝條件，以至于試驗所得眾多結論僅能作為鉆采設備防沖蝕研究的理論參考，而數值仿真雖然能夠進行多種結構、工況條件的沖蝕模擬，但是數值模擬較為理想化，在一定程度上，都是對實際工況的一種簡化，不同邊界條件、湍流模型、離散項模型的選擇和相關參數設定對仿真結果會造成較大影響，以至于仿真結果較難保證準確性，往往需要通過試驗進行驗證。綜上所述，鉆采設備的沖蝕磨損研究還需對以下三個方面進行深入研究。

(1)加強鉆采設備沖蝕磨損試驗裝置和測試方法研究，開發基于真實工況條件的試驗裝置，基于多種控制手段模擬設備過流部件受多相流沖蝕的真實的過程，提高試驗測試結果的可靠性。

(2)在進行抗沖蝕涂層研發的基礎上，加強對多相流流場特性分析，基于CFD數值仿真手段分析固體顆粒的流動狀態以及顆粒之相互作用，從涂層防護和鉆采設備沖蝕部位結構改進多個方面進行設備沖蝕防護研究。

(3)綜合運用試驗和數值仿真研究方法，考慮溫度、腐蝕介質對鉆采設備沖蝕及腐蝕的影響，開展多物理場耦合條件和多因素交互作用下沖蝕磨損研究，由單一磨損機制到多種機制綜合應用發展，將數值仿真、室內試驗和外場測試結果綜合對比，不斷提高分析結果的可靠性。