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油氣田高壓三通管件沖蝕磨損研究

文檔作者：張繼信１樊建春２駱嘉寶１甘濟(jì)１卜朗１文檔來(lái)源： 1. 北京石油化工學(xué)院 2.中國(guó)石油大學(xué)（北京）		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2023年04月23日
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收稿日期：２０１６-０６-２２
基金項(xiàng)目：北京石油化工學(xué)院“ 科技創(chuàng)新資助項(xiàng)目”
（１５０３１８６２００５ ／０１４ ） ； 國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目
（５１２７５５２８） ；十二五國(guó)家科技重大專項(xiàng)（２０１１ＺＸ０５０４８ ） ；北京
石油化工學(xué)院北京市大學(xué)生科學(xué)研究與創(chuàng)業(yè)行動(dòng)計(jì)劃［ＶＲＴ ］
資助項(xiàng)目（１６０３２０８２００１１１６３） 。
作者簡(jiǎn)介：張繼信，男，博士，講師，研究方向?yàn)閴毫θ萜?、?
力管道安全保障技術(shù)，Ｅ-ｍａｉｌ ：ｚｊｘ＠ ｂｉｐｔ ．ｅｄｕ ．ｃｎ 。
第２４ 卷　第４ 期
２０１６ 年１２ 月
北京石油化工學(xué)院學(xué)報(bào)
Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｂｅｉｊｉｎｇ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ
Ｐｅｔｒｏ-ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
Ｖｏｌ ．２４ ?。危?．４
Ｄｅｃ ．２０１６ 油氣田高壓三通管件沖蝕磨損研究
張繼信１ ，樊建春２ ，駱嘉寶１ ，甘　濟(jì)１ ，卜　朗１
（１. 北京石油化工學(xué)院，安全生產(chǎn)工程技術(shù)研究院，北京１０２６１７ ；
２. 中國(guó)石油大學(xué)（北京） ，機(jī)械與儲(chǔ)運(yùn)工程學(xué)院，北京１０２２４９）
摘要：為準(zhǔn)確掌握高壓三通管件在不同工況下管內(nèi)多相流的流動(dòng)規(guī)律以及沖蝕磨損破壞情況，在高
壓管匯材料沖蝕磨損試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，應(yīng)用計(jì)算流體力學(xué)方法及ＦＬＵＮＴ 軟件建立了適合于水力壓裂工
況的液固兩相流數(shù)學(xué)模型及沖蝕計(jì)算模型，得到了在不同流動(dòng)方式下，三通管件內(nèi)液相及固體粒子的流
動(dòng)規(guī)律以及三通管件沖蝕磨損的分布規(guī)律，研究結(jié)果可以為油氣田高壓管匯的設(shè)計(jì)、制造、重點(diǎn)部位的
監(jiān)測(cè)等安全防護(hù)技術(shù)提供參考依據(jù)。
關(guān)鍵詞：三通管件； 壓裂液； 沖蝕磨損； 數(shù)值模擬
中圖分類號(hào)：ＴＧ１７２ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：Ａ
　　油氣田生產(chǎn)作業(yè)時(shí)，三通管件是地面設(shè)備
中的主要輸送管件之一，也是高壓管匯的重要
組成部分。在油氣田水力壓裂施工中，由于三
通結(jié)構(gòu)的特殊性，三通管件與彎頭一樣也是容
易發(fā)生沖蝕磨損的高壓管件［１-４ ］ 。與彎頭相比，
三通管件的管內(nèi)流動(dòng)方式更加復(fù)雜多樣，準(zhǔn)確
預(yù)測(cè)不同流動(dòng)方式下三通管件的沖蝕磨損分布
狀況并制定相應(yīng)的檢測(cè)與監(jiān)測(cè)措施，對(duì)保證高
壓管匯的安全運(yùn)行具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。當(dāng)
前，國(guó)內(nèi)外相關(guān)人員針對(duì)彎頭沖蝕的研究較多，
對(duì)于壓裂工況下，高壓三通管件的沖蝕磨損研
究文獻(xiàn)較少［５-７ ］ 。在沖蝕磨損試驗(yàn)基礎(chǔ)上，筆者
利用材料沖蝕磨損試驗(yàn)以及計(jì)算流體力學(xué)方
法，研究水力壓裂工況下三通管件內(nèi)部多相流
速度變化規(guī)律及其對(duì)管件沖蝕磨損的影響，對(duì)
比研究不同工況下，三通管件的沖蝕磨損分布
狀況，以及主要影響參數(shù)對(duì)管件沖蝕的影響規(guī)
律，為高壓管匯優(yōu)化設(shè)計(jì)及使用過(guò)程中的安全
可靠性提供參考。
１ 　試驗(yàn)部分
水力壓裂施工時(shí)，攜砂液中的高流速、高強(qiáng)
度、高硬度的支撐劑顆粒是地面高壓管匯設(shè)備
以及壓裂管柱沖蝕破壞的主要因素。對(duì)于高壓
管匯沖蝕磨損試驗(yàn)裝置來(lái)說(shuō)，全尺寸的沖蝕試
驗(yàn)裝置有一定的優(yōu)勢(shì)，能最大程度模擬水力壓
裂施工時(shí)的實(shí)際工況，但是，在實(shí)驗(yàn)室條件下，
對(duì)高壓管匯加載高流速、高壓力難以實(shí)現(xiàn)，危險(xiǎn)
性較大，并且高壓管件加工工藝復(fù)雜，尺寸結(jié)構(gòu)
多樣，加工大量全尺寸試樣成本昂貴。因此，筆
者的研究方法是：（１）根據(jù)管匯材料的沖蝕磨損
試驗(yàn)確定主要的沖蝕影響參數(shù)如沖蝕角函數(shù)、
流體速度影響函數(shù)等；（２）根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果建立沖
蝕計(jì)算模型；（３）根據(jù)沖蝕計(jì)算模型，結(jié)合流體
力學(xué)方法，利用ＣＦＤ 軟件模擬研究全尺寸三通
管件的沖蝕磨損特性。
１. １ 　試驗(yàn)裝置
沖蝕磨損試驗(yàn)裝置常見(jiàn)的試驗(yàn)平臺(tái)有旋轉(zhuǎn)
型和噴射型裝置，筆者搭建的沖蝕磨損試驗(yàn)平
臺(tái)為射流型沖蝕試驗(yàn)機(jī)，主要包括ＰＬＣ 控制系
統(tǒng)、攪拌系統(tǒng)、射流系統(tǒng)、沖蝕室等。試樣的沖
蝕攻角可調(diào)節(jié)，沖蝕介質(zhì)的速度可通過(guò)調(diào)節(jié)變
頻器控制砂漿泵流量，或調(diào)整主管道和旁路的
調(diào)節(jié)閥以及改變噴嘴大小等方法來(lái)實(shí)現(xiàn)萬(wàn)方數(shù)據(jù) 。

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