篩網(wǎng)沖蝕試驗(yàn)裝置研制及測(cè)試

曾鍇， 閆新江， 王曉， 鞠少棟， 劉傳剛， 文敏， 曹硯鋒， 劉景超

（1.中海油能源發(fā)展股份有限公司 工程技術(shù)分公司，天津300452；2.中海油研究總院有限責(zé)任公司，北京100028）

0 引 言

篩管是井下防砂核心器材，一旦篩管失效將導(dǎo)致油井出砂停產(chǎn)，使整個(gè)防砂作業(yè)失敗，含砂流體對(duì)篩網(wǎng)的沖蝕是導(dǎo)致篩管結(jié)構(gòu)失效的重要因素。目前對(duì)于金屬材料的沖蝕已經(jīng)有了許多研究成果[1-3]，但篩網(wǎng)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工作環(huán)境惡劣，對(duì)于篩網(wǎng)的沖蝕規(guī)律尚沒有清楚的認(rèn)識(shí)，進(jìn)行篩網(wǎng)的沖蝕試驗(yàn)是研究篩管沖蝕特性的重要方法。目前對(duì)于篩網(wǎng)的沖蝕試驗(yàn)研究沒有一套理想的沖蝕試驗(yàn)裝置，在比較現(xiàn)有沖蝕試驗(yàn)裝置的基礎(chǔ)上[4-6]，設(shè)計(jì)制造了一套沖蝕試驗(yàn)裝置進(jìn)行篩網(wǎng)的沖蝕試驗(yàn)。

1 沖蝕試驗(yàn)裝置原理及結(jié)構(gòu)

為了能夠滿足篩網(wǎng)試件沖蝕實(shí)驗(yàn)測(cè)試，沖蝕實(shí)驗(yàn)裝置要求實(shí)驗(yàn)介質(zhì)為油水和砂子的混合物，排量0～33 L/min可連續(xù)調(diào)節(jié)，沖擊速度0～15 m/s可連續(xù)調(diào)節(jié)，沖擊夾角0～90°可連續(xù)調(diào)節(jié)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)需要具有較好的穩(wěn)定性和可重復(fù)性。

1.1 沖蝕試驗(yàn)裝置流程及設(shè)計(jì)

圖1 沖蝕試驗(yàn)裝置流程示意圖

篩網(wǎng)沖蝕試驗(yàn)裝置的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，試驗(yàn)液在攪拌罐內(nèi)配置，攪拌罐整體為不銹鋼，容積為30 L，配有電動(dòng)攪拌器，攪拌頻率可以調(diào)節(jié)。試驗(yàn)裝置的動(dòng)力采用一臺(tái)排量0～33 L/min 可調(diào)的電動(dòng)計(jì)量泵，介質(zhì)為油、砂和水的混合物。泵的出口配有脈沖緩沖器，用于吸收泵的壓力波動(dòng)，保持試驗(yàn)過程中噴嘴的流速穩(wěn)定，減小試驗(yàn)誤差。試驗(yàn)艙是進(jìn)行沖蝕試驗(yàn)測(cè)試的部件，其分為上下兩部分，上部成矩形，配有透明觀察窗，方便實(shí)時(shí)觀測(cè)試驗(yàn)進(jìn)度。試驗(yàn)倉底部設(shè)計(jì)為錐形，方便匯集試驗(yàn)后的實(shí)驗(yàn)液，并在錐形底部設(shè)計(jì)有導(dǎo)液管，可以將試驗(yàn)后的實(shí)驗(yàn)液送回?cái)嚢韫?，使?shí)驗(yàn)液可以循環(huán)利用。試驗(yàn)倉的上下兩部分之間設(shè)置有濾網(wǎng)，防止實(shí)驗(yàn)過程中大顆粒進(jìn)入攪拌罐。實(shí)驗(yàn)倉整體采用304不銹鋼，可以防止長期實(shí)驗(yàn)過程中出現(xiàn)銹蝕。實(shí)驗(yàn)倉內(nèi)部配有試件的夾具、噴槍及噴嘴，噴嘴直徑為1～10 mm可更換。

1.2 沖擊速度的調(diào)節(jié)

沖蝕試驗(yàn)裝置的速度通過調(diào)節(jié)泵的排量和改變噴嘴大小來調(diào)節(jié)控制漿料的沖擊速度，沖擊速度是通過測(cè)定單位時(shí)間內(nèi)通過管道的漿料流量, 并除以噴嘴的橫截面積計(jì)算而得到的。為了保證試驗(yàn)精度，本文中沖蝕試驗(yàn)裝置的動(dòng)力泵采用的是計(jì)量泵，排量為0～33 L/min可連續(xù)調(diào)節(jié)，配有直徑為6mm、8 mm和10 mm的噴嘴，其沖蝕速度在0～19.5 m/s之間連續(xù)可調(diào)。

1.3 試件的夾持和角度的調(diào)節(jié)

篩網(wǎng)沖蝕試驗(yàn)的試件為圓形，直徑為φ39 mm，厚度為3.5 mm。為了能夠很好地夾持圓形試件，設(shè)計(jì)制造了多功能的夾持器。如圖2所示，夾持器整體固定在一根旋轉(zhuǎn)軸上，旋轉(zhuǎn)軸上設(shè)計(jì)的分度尺可以360°旋轉(zhuǎn)，使試件與噴嘴成0～90°的夾角。調(diào)節(jié)桿可以調(diào)節(jié)兩個(gè)夾頭之間的距離，方便夾持試件。夾頭上開了一個(gè)試件孔，試件孔可以根據(jù)試件的大小、形狀不同進(jìn)行更改。

圖2 沖蝕試驗(yàn)裝置夾持器結(jié)構(gòu)和實(shí)物圖

2 沖蝕試驗(yàn)裝置核心性能測(cè)試

對(duì)于沖蝕試驗(yàn)裝置，沖擊流速、砂比的穩(wěn)定性和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的重現(xiàn)性是設(shè)備的核心性能指標(biāo)，這三項(xiàng)性能的好壞直接影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。進(jìn)行流速、砂比穩(wěn)定性測(cè)試和實(shí)驗(yàn)重現(xiàn)性測(cè)試，可以驗(yàn)證沖蝕實(shí)驗(yàn)裝置的核心性能。

2.1 沖擊速度測(cè)試

沖擊流速是沖蝕實(shí)驗(yàn)裝置的核心參數(shù)，沖蝕流速的準(zhǔn)確控制和測(cè)試對(duì)沖蝕實(shí)驗(yàn)至關(guān)重要。由于試驗(yàn)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)液為砂水混合液，采用普通管流式流量計(jì)會(huì)對(duì)流量計(jì)造成損壞，同時(shí)會(huì)造成砂卡，難以測(cè)量準(zhǔn)確結(jié)果。因此采用管外超聲波流量計(jì)測(cè)量其排量，并通過流量變化測(cè)量系統(tǒng)的流速變化。超聲波流量計(jì)安裝在脈沖緩沖器與實(shí)驗(yàn)倉之間的金屬管線上，實(shí)驗(yàn)測(cè)試采用超DT-KP-HJR型手持式超聲波流量計(jì)，測(cè)量精度優(yōu)于±1%, 線性度為0.5%,重復(fù)性精度為0.2%，測(cè)量流速范圍為-32～32 m/s。超聲波流量計(jì)可以避免沖蝕損壞，但是如果直接用高濃度砂液測(cè)試，試驗(yàn)液中的固體顆粒會(huì)對(duì)測(cè)量精度造成較大誤差。為了減少實(shí)驗(yàn)測(cè)量誤差，速度測(cè)試用試驗(yàn)液為砂比為0.5%的低濃度砂液，測(cè)量不同流速下管線內(nèi)的排量。測(cè)試用噴嘴為6 mm直徑，分別測(cè)試了在6個(gè)不同理論速度下管線中的排量，并計(jì)算了其平均流速，測(cè)試結(jié)果匯總?cè)绫?所示。

表1 測(cè)試結(jié)果匯總表

由表1可知，在4～16 m/s的速度范圍內(nèi)，系統(tǒng)的理論速度和實(shí)測(cè)平均流速基本一致，誤差普遍在1.52%以內(nèi)，對(duì)于低于4 m/s的速度范圍需要更換大口徑的噴嘴進(jìn)行測(cè)試，此處不再復(fù)述。上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示沖蝕實(shí)驗(yàn)裝置具有很好的流速穩(wěn)定性。

2.2 砂比穩(wěn)定性測(cè)試

砂比是影響沖蝕試驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確性的重要參數(shù)，進(jìn)行砂比的穩(wěn)定性測(cè)試主要是測(cè)試在一段時(shí)間內(nèi)噴槍出口處砂比的波動(dòng)。測(cè)試的實(shí)驗(yàn)液為采用80～100目石英砂和自來水配置的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%的混合液。測(cè)試開始前先開攪拌電動(dòng)機(jī)和泵運(yùn)行20 min，待試驗(yàn)系統(tǒng)中砂和水混合均勻后，從出液口取樣測(cè)量實(shí)驗(yàn)液中的含砂量，之后每隔20 min 取樣測(cè)量一次砂比，得到砂比隨時(shí)間的變化曲線如圖3所示。

由圖3可知，在保持試驗(yàn)系統(tǒng)參數(shù)不變的情況下，系統(tǒng)出口的砂比始終保持在3%左右，與理論值基本一致，且砂比的變化曲線基本呈水平的直線。因此可以判斷罐中攪拌器對(duì)砂子攪拌后的分散性較好，系統(tǒng)的砂比穩(wěn)定。攪拌罐中的砂比和出口的砂比也基本一致，說明砂液在管路輸送過程中沒有出現(xiàn)明顯的沉砂。

圖3 系統(tǒng)砂比隨時(shí)間變化曲線

2.3 沖蝕磨損試驗(yàn)數(shù)據(jù)的重現(xiàn)性

重現(xiàn)性試驗(yàn)是在相同的試驗(yàn)條件下對(duì)同種試樣重復(fù)進(jìn)行多次磨損試驗(yàn), 為了考察試驗(yàn)機(jī)試驗(yàn)結(jié)果的重現(xiàn)性,采用篩網(wǎng)試件進(jìn)行沖蝕測(cè)試。篩網(wǎng)試件直徑為39 mm，厚度約3.5 mm，如圖4所示。試驗(yàn)液采用的是6%的砂液，試件每隔10 h采用1/1000 g精度的分析天平測(cè)量試件的質(zhì)量，測(cè)量前采用超聲波清洗儀清洗試件并烘干，將測(cè)量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)如表2所示。

篩網(wǎng)試件的質(zhì)量變化如表2所示，平均每10 h質(zhì)量損失0.0152 g，平均誤差4.2%，最大誤差小于8%，試驗(yàn)結(jié)果表明篩網(wǎng)沖蝕實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)穩(wěn)定，具有較好的重現(xiàn)性。

圖4 金屬篩網(wǎng)試件

表2 篩網(wǎng)試件沖蝕不同試件后質(zhì)量

3 結(jié) 論

本文介紹了一種噴射式?jīng)_蝕試驗(yàn)裝置的研制，能夠滿足0～15 m/s沖擊流速、0～90°沖擊角度的沖蝕試驗(yàn)需要，為圓形篩網(wǎng)試件設(shè)計(jì)了一種夾持器，方便圓形試件的夾持。加工組裝完成后對(duì)沖蝕實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行了性能測(cè)試。

1）通過測(cè)試，在4～16 m/s的速度范圍內(nèi)，系統(tǒng)的理論速度和實(shí)測(cè)平均流速基本一致，誤差普遍在1.52%以內(nèi)；2）進(jìn)行了砂比穩(wěn)定性測(cè)試，系統(tǒng)出口的砂比始終保持在3%左右，與理論值基本一致，通過初步試驗(yàn)；3）進(jìn)行了沖蝕實(shí)驗(yàn)的重現(xiàn)性測(cè)試，篩網(wǎng)試件平均每10 h質(zhì)量損失為0.0152 g，平均誤差為4.2%，最大誤差小于8%。

實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明，本沖蝕試驗(yàn)裝置在試驗(yàn)過程中具有較好的沖擊流速、砂比穩(wěn)定性和數(shù)據(jù)重現(xiàn)性，可以滿足不同流速、不同粒徑下的篩網(wǎng)沖蝕試驗(yàn)需要。