中石化华东油气分公司 江苏南京 225300
摘要：对于页岩气压裂管汇弯头来说，其冲蚀磨损的影响因素有很多种，对压裂液的流动速度、压裂液黏度、质量流量以及颗粒直径进行控制调整，得出各因素对弯头冲蚀磨损机理，总结各因素对弯头冲蚀磨损规律。为减小冲蚀磨损率，提高高压弯头使用寿命，应减小施工压裂液的质量流量、选用直径较小的颗粒、压裂液黏度应为0.014Pa.s左右；针对高压弯头提出弯径比为2～3、适当增加弯头的壁厚等改进措施。
关键词：页岩气；压裂；管汇弯头；冲蚀磨损；影响
引言
随着页岩气等非常规油气成为开发的热门资源，分段压裂能够明显改善低渗致密储层的渗流环境，增加油气井产量，在各大油田使用广泛。在压裂作业中，高压管汇是整个系统中的关键部件，工作环境十分恶劣：腐蚀流体冲刷和交变载荷，致使其在压裂作业中极易发生爆管、破裂、刺漏等事故，严重威胁着工作人员和井场设备的安全。
1页岩气压裂管汇弯头的重要性
页岩气压裂管汇弯头在压裂作业生产过程中起着非常重要的作用，管汇输送的高速流体夹杂着外形复杂的支撑剂颗粒，这些外形各异的颗粒在管道内壁频繁地切削、碰撞、冲击，进而使管道内壁磨损变薄，并且外界环境和高压同时作用于高强度工作的管汇上，导致管汇内壁经常出现坑点、破裂及穿孔等现象，从而逐渐降低管汇的使用寿命，容易造成危险事故。因此，基于液固两相流和冲蚀磨损理论，并应用计算流体力学方法及ANSYS－Fluent软件离散相模型对页岩气压裂管汇弯头进行数值模拟，研究页岩气压裂管汇弯头在不同工况下的冲蚀磨损规律对提高其使用寿命非常重要。运用计算流体动力学研究发现，冲蚀磨损的主要影响因素是颗粒性质；把颗粒冲击角度和撞击速度作为不锈钢材料的冲蚀影响因素。
2页岩气压裂管汇弯头的冲蚀磨损影响
2.1流体速度的影响
不同夹角页岩气压裂管的冲蚀率均呈现上升的趋势，在流体速度增大的条件下，流体在管道内壁运动过程中呈现湍流状态，并且伴随着流体速度增大，携带固体颗粒的流体在运动过程中受到的离心力作用加强，大量固体颗粒快速冲击碰撞管壁，进而导致固体颗粒与管道内壁磨损次数增多，因此流体速度增大，管汇的冲蚀率逐渐增大；在流体速度同时增大的情况下，夹角为150°的管汇冲蚀磨损较大，90°管汇的冲蚀磨损相对较小；夹角为150°的页岩气压裂管汇弯头的冲蚀率上升幅度随着流体速度的增加波动较大，而夹角90°和120°的页岩气压裂管汇弯头的冲蚀率上升幅度随着流体速度的增加呈线性变化。
2.2黏度的影响
压裂液黏度对弯头所受最大冲蚀磨损率的影响存在先减小后增大再减小的变化趋势。此种现象的产生是因为随着压裂液黏度的增大，增加了颗粒与压裂液间的相互作用力，导致颗粒在压裂液运动中逐渐增加了与压裂液运动的一致性，减小了相对运动，因此减小了颗粒冲击弯头内壁的概率，此时弯头所受冲蚀磨损率主要集中在圆弧段。而当压裂液黏度超过0.007Pa.s时，随着压裂液黏度增大弯头所受最大冲蚀磨损率反而增大，此现象产生的主要原因是颗粒对弯头造成严重冲蚀磨损的部位发生了改变，从弯头圆弧段改变到弯头出口直管段，如图7所示。当压裂液黏度为0.014Pa.s时，弯头所受最大冲蚀磨损率下降幅度最大，且达到最低值。主要原因是颗粒与压裂液2项的共同运动距离增大，因而造成最大冲蚀磨损率降低。因此建议选用0.014Pa.s左右黏度的压裂液，以此减少弯头所受到的冲蚀磨损。
2.3不同粒径的影响
当颗粒直径大于0.6mm时，弯头内壁受到的最大冲蚀磨损率会迅速增大。
此现象的产生是因为在颗粒密度不变的情况下，颗粒直径增大，颗粒的质量就会增大，其本身的惯性力亦会增强，导致随液相一起运动的跟随性也会随之减小，颗粒会离开液相，冲击弯头内壁，增加了颗粒对弯头内壁的冲蚀，冲蚀磨损率增大。颗粒直径小于0.6mm时，质量较小，动能较小，颗粒的惯性力暂时不会增加太多，部分颗粒还无法脱离液相，所以冲蚀磨损率增加较为缓慢，因此应该选用直径较小的颗粒。
2.4不同管径对冲蚀的影响
流体冲蚀会导致压裂管汇四通的内管壁减薄，故需研究不同四通出口管内径对冲蚀速率的影响。取四通出口管的外径R＝150mm，内径r＝65mm，分析得到冲蚀后不同出口管内径对冲蚀速率的影响。不同出口管内径下的易冲蚀区域的分布基本一致，分布集中在接近四通交汇处的出口管区域；冲蚀速率随着出口管内径的增大而减小，且当内管壁从65mm增大到84mm时，最大冲蚀速率减少了0.99倍。图７拟合出了最大冲蚀速率与出口管内径的线性关系，开始冲蚀到管汇冲蚀安全程度的平均最大冲蚀速率为7.99×10-5（kg.m-2）／s。
2.5质量流量对弯头冲蚀的影响分析
针对质量流量范围为1～28kg/s，仿真计算出不同质量流量下弯头最大冲蚀磨损率。流量的增大，增加了颗粒与弯头内壁接触的概率，加大了颗粒对弯头内壁的切削力，增加了对弯头内壁的冲蚀磨损率，因此为了减小弯头所受冲蚀磨损率，应该减小质量流量。
2.6歧型三通的影响
歧型三通的最大冲蚀速率均随着流量和体积分数的增加而变大。随着流量从1min/3m增加到4min/3m，其最大冲蚀速率增大了7.5倍，冲蚀速率先缓慢变大后迅速变大，拐点在min/23m左右；随着体积分数从2%增加到10%，冲蚀速率一直呈现出缓慢增大的趋势，其最大冲蚀速率增大了4.4倍。故在现场施工时，从压裂车泵出的流量在min/23m左右时对三通的冲蚀磨损较低；而体积分数对冲蚀速率的影响较小，因此在满足施工条件的前提下，选择低体积分数的压裂液更具有实际意义。
结束语
综上所述，在其他影响因素不变的情况下，夹角为90°、120°、150°的页岩气压裂管汇弯头冲蚀磨损最为严重区域在两支管与主管的交汇处，即相贯线位置，因为该区域是高速流体颗粒与管壁碰撞接触几率较多的区域，而且颗粒相的浓度大，粒子在运动过程中的冲击速度和冲击动能更高，所以对管壁磨损非常明显，其次是出口壁面，冲蚀磨损相对薄弱。对于夹角一定的页岩气压裂管汇弯头，在质量流量、流体速度增大的情况下，页岩气压裂管汇弯头的冲蚀磨损均逐渐增强，而在颗粒形状系数、颗粒直径增大的条件下均逐渐减弱并趋于稳定。不同夹角页岩气压裂管汇弯头在颗粒形状、颗粒直径、质量流量、流体速度的影响下，150°页岩气压裂管汇弯头的冲蚀磨损幅度波动变化最明显，90°页岩气压裂管汇弯头冲蚀磨损相对较小。针对高压管汇在不同工作条件下出现的冲蚀磨损现象，特别是在管汇夹角处，冲蚀磨损情况最为严重，可根据数值模拟的分析结果进而有效预防管汇工作时的失效问题。由于实验条件有限，目前只能对页岩气压裂管汇弯头做冲蚀理论上的分析，但根据油气田在压裂作业时，用到的页岩气压裂管汇弯头以90°夹角为主，因此该研究具有一定的参考价值。
参考文献：
[1］刘寒月，魏宁．固体颗粒对油气井管柱的冲蚀损伤研究［J］．中国矿业，2019，27（2）：157-162．
[2］李方淼，李美求，宋杨，等．液固两相流对活动弯头的冲蚀研究［J］．石油机械，2019，47（10）：107-111．
[3］冯定，陈文康．组合油管对水平井修井管柱下入能力的影响研究［J］．工程设计学报，2020，27（1）：51-58．
[4］祝效华，曾云义，陈波，等．考虑流固耦合的双弯头压裂管汇的振动特性［J］．天然气工业，2020，38（1）：95-101．