Erosion Resistance of QT1100 Coiled Tubing Steel in Liquid-Solid Two-Phase Flow
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摘要:
采用含砂粒清水混合液（携砂液）对QT1100连续油管钢进行液固两相流冲蚀试验,研究了携砂液冲刷角度（15°,30°,45°,60°,75°,90°）、冲刷速度（2.4,7.2,12.0,16.9 m·s−1）、砂质量浓度（15,30,45,60,75 kg·m−3）、砂类型（尖角形天然石英砂、近圆形人工陶粒砂）和砂粒径（0.063~0.420 mm）对试验钢抗冲蚀性能的影响,分析了冲蚀损伤机理。结果表明：在试验参数下冲蚀后,试验钢均主要发生机械冲刷磨损,损伤机理均包括微切削和冲击挤压,其中小角度冲刷以微切削为主,大角度冲刷以冲击挤压为主。试验钢的冲蚀速率随着冲刷角度或砂粒径的增大先增大后减小,在45°冲刷角度或者0.15~0.18 mm粒径天然石英砂条件下试验钢的冲蚀损伤最大；冲蚀速率随着冲刷速度增大而增大,随着砂质量浓度增加先增大,当砂质量浓度为60 kg·m−3时减小,随后快速增大；相较于近圆形人工陶粒砂,尖角形天然石英砂的冲蚀速率更大,对试验钢的冲蚀磨损更严重。
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关键词:
- QT1100连续油管钢 /
- 冲蚀速率 /
- 冲蚀损伤 /
- 液固两相流冲蚀
Abstract:The liquid-solid two-phase flow erosion test was conducted on QT1100 coiled tubing steel by sand-water mixture (carrying liquid). The effects of scouring angle (15°, 30°, 45°, 60°, 75°, 90°), scouring speed (2.4, 7.2, 12.0, 16.9 m · s−1), sand mass concentration (15, 30, 45, 60, 75 kg · m−3), sand type (sharp angular natural quartz sand and round artificial ceramsite sand), and sand particle size (0.063–0.420 mm) of carrying liquid on the erosion resistance of the test steel were studied, and the damage mechanism was analyzed. The results show that after erosion with the test parameters, the mainly damage mechanism for the test steel was mechanical erosion wear, involving micro-cutting and impact extrusion. Micro-cutting was the main mechanism for small-angle scouring, while impact extrusion dominated for large-angle scouring. The erosion rate of the test steel increased first and then decreased with increasing scouring angle or sand particle size, and the maximum erosion damage occurred under conditions at 45° scouring angle or with 0.150–0.180 mm particle size of natural quartz sand. The erosion rate increased with increasing scouring speed, and increased first with increasing sand mass concentration, decreased when the sand mass concentration reached 60 kg · m−3 and then rapidly increased. The erosion rate and erosion wear with sharp angular natural quartz sand were greater than those with round artificial ceramsite sand.
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0. 引言
油井管是由油管、套管、钻杆和井下工具等组成的特殊的石油机械装备,是连通地面和油藏的唯一通道。连续油管因具有可连续起下、作业周期短、成本低等特点,已广泛应用于大庆、长庆、新疆等油田[1]。采用连续油管携砂压裂作业进行油气储层改造时,携砂液高速流经管内会引起管壁的冲蚀磨损,加速管体损伤,导致连续油管发生刺漏、破裂等失效问题[2-3]。
目前,对于石油管在压裂工况下冲蚀问题的研究,主要集中在传统的非连续单根油井管材料上。虽然这些研究成果可以借鉴,但是不能完全照搬应用于连续油管。随着连续油管压裂技术的推广,连续油管材料的冲蚀性能研究得到越来越多的关注。窦益华等[4]研究了在不同携砂液冲刷速度和冲刷角度下连续油管外壁的冲蚀危险区域和冲蚀速率的周期性变化,但未考虑砂质量浓度和砂粒径的影响。赵签等[5]研究发现,无论砂质量浓度、冲刷速度和砂粒径大小如何,油管的最大冲蚀损伤均发生在斜井段入口附近,但未进行有关砂类型对连续油管壁面的冲蚀研究。鄢标等[6]研究发现,螺旋段连续油管的冲蚀速率随着压裂液中砂质量浓度及冲刷速度的增大而增大。连续油管在压裂工况下的冲蚀磨损问题非常复杂,其中携砂液的冲刷角度、冲刷速度、砂质量浓度、砂粒径和砂类型被认为是引起管材冲蚀损伤的主要因素[7-14],因此在研究其抗冲蚀性能时需要考虑这些关键影响因素。
QT1100钢是一种高强度低合金钢,可抵抗大气腐蚀,制成的连续油管产量高。作者采用喷射式试验装置对该油管钢进行液固两相流冲蚀试验,研究了携砂液冲刷角度、冲刷速度、砂质量浓度、砂粒径、砂类型等因素对其冲蚀性能的影响规律,分析了其冲蚀磨损机理。
1. 试样制备与试验方法
试验材料为QT1100连续油管钢,由长庆油田提供,化学成分（质量分数/%）为0.16C,1.65Mn,0.025P,0.005S,0.5Si,余Fe；抗拉强度和屈服强度分别为758 MPa和689 MPa,硬度为28 HB,断后伸长率为16%。在试验钢上截取尺寸为20 mm×20 mm×5 mm的长方体冲蚀试样,用360#,600#,800#和1200#水磨砂纸逐级打磨测试表面,直至表面平整光滑,达到ASTM G73：2010标准要求。将打磨好的试样用无水乙醇冲洗干净,烘干后放入干燥器皿中于50 ℃存放12 h以上。
采用如图1所示的冲蚀试验系统进行液固两相流冲蚀试验：将试样固定在冲蚀试验台的夹具上,通过调节夹具与喷嘴之间的夹角设置冲刷角度；将携砂液加入储液罐,开启搅拌器进行充分搅拌后,对试样进行冲蚀。携砂液由清水和天然石英砂或人工陶粒砂配制而成,天然石英砂颗粒为尖角形,粒径分别为0.300~0.420 mm,0.200~0.250 mm,0.150~0.180 mm,0.106~0.125 mm,0.063~0.090 mm,人工陶粒砂颗粒为近球形,粒径为0.2 mm；携砂液中砂质量浓度分别为15,30,45,60,75 kg·m−3,冲刷角度分别为15°,30°,45°,60°,75°,90°,冲刷速度为2.4,7.2,12.0,16.9 m·s−1,冲刷时间为1.5 h。试验结束关闭装置,取下试样,清洁被冲刷表面,烘干。称取冲蚀前后试样质量,采用失重法计算冲蚀速率[15],计算公式为
(1) 式中：ER为冲蚀速率,mm·h−1；m0,m1分别为冲蚀试验前后试样的质量,g；S为试样冲蚀面的面积,m2；t为冲刷时间,h；ρw为材料密度,kg·m−3。
采用Gemini SEM 360型扫描电子显微镜（SEM）观察冲蚀试样表面微观形貌。
2. 试验结果与讨论
2.1 冲刷角度和冲刷速度的影响
由图2可见,试验钢的冲蚀速率随着冲刷速度提高而增大,随着冲刷角度增加先增大后减小,在45°角冲刷时冲蚀速率最大。
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图 2 不同冲刷速度下试验钢冲蚀速率随冲刷角度的变化曲线Figure 2. Erosion rate vs scouring angle curves of test steel at different scouring speeds由图3可以看出：在冲刷速度12 m·s−1下小角度（15°,30°）冲刷后,试验钢表面出现较长的切削犁沟和少量冲击坑；当冲刷角度增大至45°时,表面切削犁沟长度变短,冲击坑数量增多,冲蚀面积更大且深度更深；随着冲刷角度继续增大,试验钢表面切削痕迹减少,主要存在冲击凹坑,当冲刷角度增大至90°时,切削痕迹基本消失,出现了无方向性的冲击坑和裂纹。这说明以清水和天然石英砂粒混合的携砂液对试验钢进行不同角度冲刷时,其冲蚀机理均为物理性的机械冲刷磨损。当以小角度（小于45°）冲刷时,携砂液主要以切应力形式作用于试验钢表面,对试验钢表面进行微切削而引起较长的切削犁沟；当以大角度（大于45°）冲刷时,携砂液主要以正应力凿压和挤压方式作用于试验钢表面,导致表面产生明显的冲击坑；当冲刷角度为45°时,试验钢表面承受切应力和正应力共同作用,冲蚀磨损最严重,其表面冲击坑和切削犁沟都较明显。这与文献[16]中304不锈钢经液固两相流蚀刷后的冲蚀损伤机理相符。
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图 3 不同冲刷角度和冲刷速度冲刷后试验钢表面的SEM形貌(粒径0.150~0.180 mm天然石英砂,砂质量浓度15 kg·m−3)Figure 3. SEM morphology of surface of test steel after erosion with different scouring angles and scouring speeds (0.150–0.180 mm particle size of natural quartz sand, sand mass concentration of 15 kg·m−3)在冲刷角度45°下,当冲刷速度为2.4 m·s−1时,试验钢表面出现一些轻微切削痕迹和不太明显的冲击坑；当冲刷速度升高至7.2 m·s−1时,冲击坑深度加深且其周围出现轻微裂痕；当冲刷速度达到12 m·s−1时,试验钢表面冲击坑的范围扩大,切削犁沟变得更长。这是由于随着携砂液流速的升高,其携带砂粒的速度增大,砂粒的动能也随之增大,对试验钢表面产生的切削和挤压作用增强,引起的冲蚀损伤越发严重[17]。不同冲刷速度下的冲蚀磨损机理仍以机械冲刷磨损为主。
2.2 砂质量浓度的影响
由图4可见,随着携砂液中天然石英砂质量浓度的增大,试验钢的冲蚀速率先缓慢增加,在砂质量浓度为60 kg·m−3时下降,随后快速增大。推测当砂质量浓度为60 kg·m−3时,砂粒之间碰撞加剧,削弱了砂粒对试验钢表面的冲蚀作用,导致冲蚀速率下降；而当砂质量浓度为75 kg·m−3时,冲蚀面结构破坏,冲蚀面发生剥落,导致冲蚀速率上升。
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图 4 试验钢冲蚀速率随砂质量浓度的变化曲线Figure 4. Erosion rate vs sand mass concentration curve of test steel由图5可见：在砂质量浓度为15 kg·m−3时,试验钢表面经过冲刷出现了切削犁沟和冲击坑；当砂质量浓度为30 kg·m−3时,试验钢表面出现大量凹凸不平的冲击坑,切削犁沟痕迹基本消失,这是因为随着砂质量浓度的增大,试验钢表面的损伤面积也随之增大,较大的损伤面积掩盖了切削犁沟的痕迹；当砂质量浓度增加到45 kg·m−3时,冲击坑的深度增大且范围扩大；继续增大砂质量浓度至60 kg·m−3,试验钢表面出现凸起部分,冲击坑的深度减小,这是因为砂粒之间碰撞加剧,削弱了对试样表面的冲蚀作用；当砂质量浓度为75 kg·m−3时,冲击坑的深度再次加大,这是因为当砂质量浓度过大时,冲蚀面结构被完全破坏,冲蚀面发生剥落,冲蚀磨损加剧[18]。不同砂质量浓度下的冲蚀磨损机理以机械冲刷磨损为主。
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图 5 不同砂质量浓度携砂液以12 m·s−1速度、45°角冲刷后试验钢表面的SEM形貌(0.150~0.180 mm天然石英砂)Figure 5. SEM morphology of surface of test steel after erosion with different sand mass concentrations of carrying fluid at speed of 12 m·s−1 and angle of 45° (0.150–0.180 mm of particle size of natural quartz sand)2.3 砂粒径的影响
由图6可见,随着天然石英砂粒径的增大,冲蚀速率呈先增后减的变化趋势,其中粒径0.150~0.180 mm的天然石英砂冲刷后试验钢的冲蚀速率最大。这是由于在相同冲刷速度下,粒径较大的砂粒相较于粒径小的砂粒具有更大的动能,对试验钢表面造成的冲蚀损伤更为显著；但是由于砂质量浓度保持不变,随着砂粒粒径的继续增大,单位流量内砂粒的数量减少,砂粒对试验钢的冲刷次数减少,引起的冲蚀损伤减轻[19]。
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图 6 试验钢冲蚀速率随天然石英砂粒径的变化曲线Figure 6. Erosion rate vs particle size of natural quartz sand curve of test steel2.4 砂类型的影响
由图7和图8可见,天然石英砂冲蚀后试验钢的冲蚀速率更大,产生的冲击坑更深,切削犁沟更长,造成的冲蚀损伤更大。这说明尖角形天然石英砂对试验钢的冲蚀损伤远大于近球形人工陶粒砂,与文献[14]中的结论吻合。
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图 7 不同砂类型下试验钢冲蚀速率随冲刷速度的变化曲线Figure 7. Erosion rate vs scouring speed curves of test steel with different sand types![]()
图 8 不同砂类型冲刷后试验钢的SEM形貌Figure 8. SEM morphology of surface of test steel after scouring with different types of sand: (a) 0.150–0.180 mm particle size of natural quartz sand and (b) 0.2 mm particle size of artificial ceramsite sand3. 结论
（1）在试验参数下进行冲蚀后,QT1100连续油管钢均主要发生机械冲刷磨损,损伤机理为微切削和冲击挤压；在小角度（15°~45°）冲刷时磨损以微切削为主,在大角度（45°~90°）冲刷时磨损以冲击挤压为主。
（2）试验钢的冲蚀速率随携砂液的冲刷角度增大先增大后减小,当冲刷角度为45°时,表面冲蚀磨损最严重；冲蚀速率随冲刷速度增大而增大,随着砂质量浓度增加先增大,当砂质量浓度为60 kg·m−3时减小,随后快速增大。
（3）随着携砂液中天然石英砂粒径的增大,试验钢的冲蚀速率先增大后减小,当粒径为0.150~0.180 mm时最大；与近球形人工陶粒砂相比,尖角形天然石英砂对试验钢的冲蚀磨损更大。
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图 2 不同冲刷速度下试验钢冲蚀速率随冲刷角度的变化曲线
Figure 2. Erosion rate vs scouring angle curves of test steel at different scouring speeds
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图 3 不同冲刷角度和冲刷速度冲刷后试验钢表面的SEM形貌(粒径0.150~0.180 mm天然石英砂,砂质量浓度15 kg·m−3)
Figure 3. SEM morphology of surface of test steel after erosion with different scouring angles and scouring speeds (0.150–0.180 mm particle size of natural quartz sand, sand mass concentration of 15 kg·m−3)
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图 4 试验钢冲蚀速率随砂质量浓度的变化曲线
Figure 4. Erosion rate vs sand mass concentration curve of test steel
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图 5 不同砂质量浓度携砂液以12 m·s−1速度、45°角冲刷后试验钢表面的SEM形貌(0.150~0.180 mm天然石英砂)
Figure 5. SEM morphology of surface of test steel after erosion with different sand mass concentrations of carrying fluid at speed of 12 m·s−1 and angle of 45° (0.150–0.180 mm of particle size of natural quartz sand)
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图 6 试验钢冲蚀速率随天然石英砂粒径的变化曲线
Figure 6. Erosion rate vs particle size of natural quartz sand curve of test steel
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图 7 不同砂类型下试验钢冲蚀速率随冲刷速度的变化曲线
Figure 7. Erosion rate vs scouring speed curves of test steel with different sand types
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