水力压裂工况下典型材质损伤行为及机理研究

发布时间：2017-03-28 06:06

  本文关键词：水力压裂工况下典型材质损伤行为及机理研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：水力压裂是目前改善低渗透油藏和提高采收率的有效措施之一。压裂时,高压大排量和多相介质对压裂工具及油套管产生严重的损伤破坏,极大限制了压裂施工的安全运行,是制约油田安全生产的关键问题之一。本文针对水力压裂工况,对压裂工具损伤形貌进行分析,结合固液和气液两相流模型,对喷砂器及油套环空内冲刷和空化磨损情况进行了模拟,分析了喷砂器外壁和对应套管的冲刷磨损和空化磨损特征,模拟结果与损伤形貌分析吻合,得出腐蚀、冲蚀和空蚀是压裂过程需考虑的损伤类型。结合压裂工具用套管钢、喷砂器衬套用硬质合金及AC-HVAF防护涂层等典型材质,采用电化学测试方法,得出了典型材质在压裂液中的腐蚀规律,确定了材料的钝化稳定特征。钝化膜成分和结构影响材料腐蚀行为。套管P110钢点蚀和局部腐蚀阻力高于N80和J55钢,衬套用硬质合金YG8抵抗均匀腐蚀阻力强于YW2。膜层中高的Mo、Cr、Mn含量及低的缺陷浓度使得非晶涂层具有比WC涂层更为稳定的钝化特征。采用超声空蚀与电化学测试相结合方法,得出了典型材质在压裂工况下的空蚀规律。确定了耐蚀性和硬度在空蚀时的主导作用,耐蚀性是低硬度套管钢抗空蚀性第一判据,套管P110钢耐蚀性好抗空蚀性能最优;硬度相对较高的YW2合金和WC防护涂层抗空蚀性能优异。提出了不同材质的空蚀机理,套管钢气泡溃灭产生于铁素体相及晶界,硬质合金和涂层则是气泡溃灭垂直冲击孔隙或缺陷区域,导致硬相直接被剥离表面。采用喷射冲蚀与电化学测试相结合方法,得出了典型材质在压裂工况下的冲蚀规律。冲蚀时,纯机械冲刷引起的失重为主,硬度高的N80钢,YW2硬质合金和WC涂层抗冲蚀性能优异。低于临界流速时,稳定钝化膜对于冲刷具有一定抑制作用。确定了腐蚀和冲蚀的交互作用,套管钢由力学因素引起的腐蚀增量明显,硬质合金和涂层则由腐蚀引起的增量占较高比例。提出了不同材质的冲蚀机理,套管钢表面呈现以犁削为主的韧性冲蚀痕迹,以层状减薄方式进行。硬质合金和涂层表现出脆性冲蚀特征,侧重于陶粒对表面的碰撞和切削剥蚀作用。降低孔隙率和提高粘结相结合强度是提高涂层在压裂液中损伤的关键。针对水力压裂工况,提出了喷砂器及油套管材料的选用方法。本文的研究为水力压裂典型材质的筛选及防护涂层的推广应用提供了科学依据,同时也为压裂工具的安全服役及压裂施工的安全运行提供了技术保障。
【关键词】：压裂 喷砂器 数值模拟 腐蚀 空蚀 冲蚀 AC-HVAF
【学位授予单位】：东北石油大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TE357.1
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-7
• 创新点摘要7-12
• 第1章 绪论12-24
• 1.1 水力压裂工况下的损伤12-13
• 1.1.1 水力压裂技术及应用12
• 1.1.2 水力压裂管柱损伤12-13
• 1.2 基于CFD的多相流数值模拟研究13-14
• 1.2.1 冲刷磨损数值模拟研究13-14
• 1.2.2 空化磨损数值模拟研究14
• 1.3 空泡腐蚀实验研究概况14-17
• 1.3.1 空泡腐蚀14-15
• 1.3.2 空蚀影响因素15
• 1.3.3 空蚀实验方法15-16
• 1.3.4 空蚀国内外研究概况16-17
• 1.4 冲刷腐蚀实验研究概况17-20
• 1.4.1 冲刷腐蚀17-18
• 1.4.2 冲蚀影响因素18-19
• 1.4.3 冲蚀实验研究方法19
• 1.4.4 冲蚀国内外研究概况19-20
• 1.5 多相流中抗损伤防护涂层研究20-22
• 1.5.1 金属或金属陶瓷涂层21
• 1.5.2 非晶金属涂层21-22
• 1.6 本文的研究目的、意义及内容22-24
• 1.6.1 本文的研究目的和意义22-23
• 1.6.2 本文的主要研究内容23-24
• 第2章 水力压裂过程损伤类型及特征24-40
• 2.1 水力压裂过程24-25
• 2.2 水力压裂涉及的损伤类型25-27
• 2.2.1 喷砂器损伤25-27
• 2.2.2 油套管损伤27
• 2.3 喷砂器及套管冲刷磨损特征27-30
• 2.3.1 冲刷磨损数值模拟28-29
• 2.3.2 冲刷磨损特征分析29-30
• 2.4 喷砂器及套管空化磨损特征30-38
• 2.4.1 空化模拟基本假设32-33
• 2.4.2 空化模型的控制方程33-34
• 2.4.3 特性参数及边界条件34-35
• 2.4.4 空化磨损特征分析35-38
• 2.5 本章小节38-40
• 第3章 典型材质在压裂液中的电化学腐蚀行为研究40-63
• 3.1 实验方法40-44
• 3.1.1 实验材料40-42
• 3.1.2 实验介质42
• 3.1.3 实验过程42-44
• 3.2 套管钢在压裂液中电化学腐蚀行为44-53
• 3.2.1 压裂液交联比影响44
• 3.2.2 压裂液浓度影响44-46
• 3.2.3 压裂液温度影响46-47
• 3.2.4 压裂液中KCl含量影响47-48
• 3.2.5 套管钢在压裂液中腐蚀机理研究48-53
• 3.3 硬质合金在压裂液中电化学腐蚀行为53-56
• 3.3.1 压裂液温度影响53
• 3.3.2 压裂液中KCl含量影响53-54
• 3.3.3 硬质合金在压裂液中腐蚀机理研究54-56
• 3.4 AC-HVAF涂层在压裂液中电化学腐蚀行为56-62
• 3.4.1 压裂液温度影响56-57
• 3.4.2 压裂液中KCl含量影响57
• 3.4.3 AC-HVAF涂层在压裂液中腐蚀机理研究57-62
• 3.5 本章小节62-63
• 第4章 典型材质在压裂液中的空蚀规律及机理研究63-89
• 4.1 实验方法63-65
• 4.1.1 实验材料及介质63-64
• 4.1.2 实验设备64-65
• 4.1.3 实验过程65
• 4.2 空蚀失重实验结果65-71
• 4.2.1 空蚀时间影响65-67
• 4.2.2 压裂液浓度影响67-68
• 4.2.3 温度影响68-69
• 4.2.4 压裂液中KCl含量影响69-71
• 4.3 空蚀条件下电化学腐蚀行为71-75
• 4.3.1 空蚀对极化电阻影响71-72
• 4.3.2 空蚀对腐蚀电位影响72-73
• 4.3.3 空蚀对极化曲线影响73-75
• 4.4 空蚀和腐蚀交互作用75-78
• 4.4.1 空蚀对腐蚀影响75-76
• 4.4.2 腐蚀对空蚀影响76-78
• 4.4.3 硬度和耐蚀性对空蚀性能影响78
• 4.5 空蚀形貌及机理78-88
• 4.5.1 套管钢空蚀形貌及机理78-83
• 4.5.2 硬质合金及涂层空蚀形貌及机理83-88
• 4.6 本章小节88-89
• 第5章 典型材质在压裂液中的冲蚀规律及机理研究89-120
• 5.1 实验方法89-92
• 5.1.1 实验材料及介质89
• 5.1.2 实验设备89-90
• 5.1.3 实验过程90-92
• 5.2 冲蚀失重实验结果92-99
• 5.2.1 冲蚀时间影响92-93
• 5.2.2 陶粒粒径的影响93-94
• 5.2.3 含砂量影响94-95
• 5.2.4 冲击角度影响95-96
• 5.2.5 流速影响96-97
• 5.2.6 压裂液中KCl含量影响97
• 5.2.7 外加电位影响97-98
• 5.2.8 不同材料冲蚀性能对比98-99
• 5.3 冲蚀条件下电化学腐蚀行为99-102
• 5.3.1 极化电阻99-100
• 5.3.2 动电位极化曲线100-102
• 5.4 冲蚀与腐蚀交互作用102-104
• 5.5 压裂液中材料冲蚀临界流速研究104-108
• 5.5.1 临界流速恒电位i-t确定104-106
• 5.5.2 AC-HVAF涂层的临界流速与钝化膜关系106-108
• 5.6 冲蚀形貌及机理108-119
• 5.6.1 套管钢冲蚀形貌及机理108-111
• 5.6.2 硬质合金冲蚀形貌及机理111-113
• 5.6.3 涂层冲蚀形貌及机理113-118
• 5.6.4 空蚀与冲蚀性能对比118-119
• 5.7 本章小节119-120
• 结论与展望120-122
• 参考文献122-132
• 攻读博士期间发表文章及参加科研情况132-133
• 致谢133-134

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前1条

1 王尊策;王森;徐艳;刘华;马全善;;基于FLUENT软件的喷砂器磨损规律数值模拟[J];石油矿场机械;2012年08期

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本文编号：271769