水力压裂管柱弯管处的固体颗粒冲蚀研究

严淳鳀

水力压裂管柱弯管处的固体颗粒冲蚀研究

严淳鳀

（长江大学机械工程学院，湖北 荆州 434023）

为了研究固/液两相流体对压裂管柱弯管处的冲蚀问题，运用DPM冲蚀模型对弯管处在不同固相颗粒体积分数条件下的冲蚀进行计算与分析，追踪固体颗粒粒子路径，研究结果表明：弯管内壁管径最大区域最易产生冲蚀；在不同固相颗粒体积分数条件下，弯管最大冲蚀率随着固体颗粒含量的增加而增加，且固相颗粒体积分数与弯管的冲蚀率呈线性变化趋势。

压裂弯管；固体颗粒；冲蚀；液/固两相流

在非常规油气井开采中，水力压裂技术是提高采收率和可采储量的重要手段之一；而且水力压裂在低渗透油气田中是目前最有效的开发技术。目前，水力压裂工艺向大的施工排量和大的加砂量趋势发展，这就对管柱和工具的耐磨性和安全性提出了新的要求[1]。

水力压裂就是利用压裂车将压裂液以高压力和高流速从井筒注入井口的过程，在压裂过程中，油气层产生裂缝后还会注入含有支撑剂的混砂液；在水力压裂施工工序中，注入支撑剂、泵入顶替液和反洗都将会产生固体颗粒，凡是与运动流体产生直接接触的所有类型的设备，都将会产生冲蚀磨损[2]；因此，本文对井下管柱的弯管处进行冲蚀研究。

管道产生冲蚀是一个极为复杂的过程，当流体运动为湍流时，其运动状态非常无序，流体可从各个方向对金属壁面进行冲击，金属壁面受冲蚀较为严重，因此，在管道的变径处和弯曲段壁面受到的冲蚀更加明显。而且，管道冲蚀与流体内固体颗粒含量、管线材料、管道几何结构、管道弯曲处弯曲角度、流体冲击角度等许多因素都有一定的关系[3]。

文中利用SolidWorks对弯管模型进行构建，再将模型导入Ansys的计算流体模型Fluent中，开展固/液两相流体流动特性仿真模拟计算，研究混砂液在弯管处的内部流场分布规律，对不同固相颗粒体积分数条件下弯管的冲蚀进行计算与分析，得出了相关结论。

1 模型建立

1.1 冲蚀磨损模型

影响液/固两相流冲蚀的因素有很多，Mixture- discrete phase model（DPM）分析法模型不仅考虑了冲击速度和角度的影响，还将管线的材料管线的壁厚、颗粒粒径、颗粒形状和颗粒材料性质一起考虑进去[4]，文中采用此模型完成冲蚀计算[5]：

式中：R—弯管冲蚀速率，kg·（m2·s）-1；

（d）—离散相颗粒直径函数；

N—颗粒数目；

m—固体颗粒质量流量，kg·s-1；

—固体颗粒与弯管壁面的碰撞角，（°）；

A—弯管壁面计算单元面积，m2；

（）—侵入角函数。

1.2 几何模型及网格

模型如图1所示，由上游直管入口段、下游直管出口段和弯管段组成，管道采用3 1/16″弯头规格，弯管角度为90°，曲率半径=3D，管径=100 mm，壁厚=15 mm，==300 mm，含颗粒的流体从入流端以30 m·s-1的速度垂直进入；在Ansys中建立流道模型后，并进行网格划分，采用六面体网格单元，得到网格数为1 441 872，如图2所示。

图1 弯管几何模型

图2 弯管模型网格

2 计算结果及比较

2.1 计算前处理

入口边界条件为速度入口，设置固相颗粒和冲蚀磨损模型，固相颗粒的入射速度和流体相同；弯管内连续相介质为压裂液，分散相为砂粒；出口边界采用outflow。

固相颗粒体积分数分别设置为1%、3%、5%、7%、9%、11%；入口速度为30 m·s-1；砂粒颗粒视密度为=1 500 kg·m-3，颗粒粒径为= 0.35 mm；冲击角函数定义为线性数值，如表2所示。

表1 冲击角函数参数设置

2.2 仿真结果分析

利用上述仿真方法在固相颗粒体积分数分别为1%、3%、5%、7%、9%、11%时进行模拟计算，得到固体颗粒体积分数对弯管冲蚀的影响。经冲蚀仿真计算后，观察固体颗粒通过弯管时的运动轨迹，如图3所示。固体颗粒在0 s时刻，从下方入口处进入弯管中，在弯管弯曲处于管壁发生碰撞，随后在0.052 6 s时刻从出口处流出。

在Fluent软件中计算不同固体颗粒体积分数下的弯管冲蚀率，其云图如图4所示。不同固体颗粒体积分数与最大冲蚀率的曲线图如图5所示。

图3 固体颗粒运动轨迹图

图4 不同固体颗粒含量下弯管冲蚀云图

图5 最大冲蚀率-固相颗粒体积分数曲线图

由图5相关结果可知，随着固相颗粒含量的增加，弯管内壁面最大冲蚀速率呈近似线性增长。压裂液质量浓度增加，使得在单位时间、单位体积内压裂液中固体颗粒增加，则导致在单位时间、单位面积上与弯管内壁的碰撞次数增多，从而使得最大冲蚀速率增大。

3 结 论

本文主要分析水力压裂管柱弯管处在不同的固体颗粒含量下对管柱的冲蚀影响。通过Fluent的仿真模拟，可以得到以下结论：

1）根据弯管冲蚀云图可知，易产生冲蚀区域在弯管内壁管径最大区域，在上游直管段和下游直管段产生冲蚀较小，应重点关注易产生冲蚀区域，以免造成重大安全事故。

2）弯管冲蚀率随着固体颗粒体积分数的增加而增加，固相颗粒体积分数在1%、3%、5%、7%、9%、11%时，最大冲蚀率分别为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，且固相颗粒体积分数与弯管的冲蚀呈线性变化趋势。

［1］路鑫, 常宗瑜, 赵林, 等. 大口径海洋输气管道弯管处的固体颗粒冲蚀效果分析[J]. 机械设计, 2019, 36 (S1): 34-39.

［2］周兰, 张红, 陈文康, 等. 页岩气压裂管汇弯头的冲蚀磨损影响分析[J]. 中国安全生产科学技术, 2020, 16 (10): 53-58.

［3］董春朋. 分层压裂工艺下管柱及工具易冲蚀部件研究[D]. 大庆：东北石油大学, 2015.

［4］王健刚, 孙巧雷, 严淳鳀, 等. 测试地面流程弯管冲蚀磨损的影响研究[J]. 石油机械, 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

严淳鯷（1994-），女，湖南常德人，硕士研究生，研究方向：机械系统仿真与诊断技术。

TQ050.9

A

1004-0935（2021）04-0526-03