海上油田砾石充填滑套冲蚀性能研究与改进*

孔学云 杨志国 鞠少栋 陈胜宏 左 凯 付 利 柴龙顺

(中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司 天津 300452)

孔学云，杨志国，鞠少栋，等.海上油田砾石充填滑套冲蚀性能研究与改进［J］.中国海上油气，2015，27(5)：98-101.

中国海上油田已发现的稠油储量约占总地质储量的69%以上，而稠油储量的96.8%分布在渤海油田的新生代含油气盆地，稠油油田开发全部需要防砂作业［1-2］。然而，防砂作业中完井管柱的充填滑套总成工具易受砾石冲蚀而出现密封失效现象，造成防砂作业效果不理想，导致油气井提前进行大修作业，从而带来巨大经济损失。因此，提高完井工具的耐冲蚀性能对完井防砂作业至关重要。物体的冲蚀主要取决于流动介质和所携带相的特点以及被冲蚀物体本身的耐冲蚀性能。目前有关冲蚀的研究多集中在高速和高压多相流的冲蚀上，诸如烟气轮机、锅炉管道、高速飞行器、汽轮机叶片、水轮机叶片、泥浆泵叶轮、船用螺旋桨、高压阀门密封面等冲蚀研究［3-5］，而对海上油田完井作业中完井工具受砾石的冲蚀研究较少。由于ANSYS软件Finne冲蚀模型在模拟多相流冲蚀方面具有较好的适应性［6-9］，因此，笔者运用ANSYS数值模拟和试验验证相结合的方法研究了砾石充填滑套冲蚀性能，提出了滑套性能改进措施，并取得了良好的应用效果，可为砾石充填完井作业提供参考。

1 滑套冲蚀数值模拟

1.1 模型建立

海上油田砾石充填滑套总成主要由内层、中层和外层等3层工具串组成(图1)，其中内层由充填短节、密封短节组成，中层由上部延伸筒、滑套和滑套密封筒组成，外层为套管。砾石充填时，通过滑套开关工具将滑套打开，建立环空通道，携砂液由充填孔进入充填短节和上部延伸筒的环空，并经滑套孔进入滑套、滑套密封与套管的环空，实现充填作业；充填完毕，通过开关工具将滑套孔关闭，切断通道。

根据图1中砾石充填滑套总成工具结构形成的内部流场建立流体分析模型，运用ANSYSCFX流体分析模块进行流体冲蚀研究与模拟分析。

图1 海上油田砾石充填滑套总成工具串组成Fig.1 Column figure of gravel packing sliding sleeves assembly used in offshore oilfields

1.2 边界条件设置

根据现场实际砾石充填防砂作业，ANSYSCFX冲蚀模拟边界设置为：①入口流速为2.49 m/s(液体和固体速度相同)，出口为压力出口；②砾石密度为2 650 kg/m3，砾石质量流速率为1.14 kg/s，砾石尺寸为20～40目(颗粒直径0.42～0.84 mm，粒度中值为0.64 mm)；③模拟的流体域中流体模型为K-E模型，冲蚀模型为Finne模型。

1.3 结果分析

图2 砾石充填滑套总成ANSYSCFX冲蚀模拟云图Fig.2 ANSYSCFX erosion simulated contour of gravel packing sliding sleeves assembly

砾石充填滑套总成ANSYS CFX冲蚀模拟结果如图2所示，其中充填孔冲蚀速率密度云图见图3。由图2可以看出，砾石充填滑套总成工具上冲蚀严重位置为充填孔、滑套孔及其对应的环空壁面，该位置最大冲蚀速率密度为9.8×10-5kg/(m2·s)，若取钢密度7 800 kg/m3，那么最大冲蚀速度为1.25×10-8m/s。这是由于该位置处流体速度较大，砂粒平均体积分数(砂粒浓度)较大，造成该位置冲蚀严重。尽管砂粒浓度较大时，会有更多的反弹砂粒与入射砂粒进行碰撞，可以引起冲蚀减缓，但是对于砾石充填滑套总成工具结构而言，其充填孔、滑套孔及其对应的环空壁面处相对入射砂粒(即反弹砂粒与入射砂粒进行碰撞后造成入射砂粒减少后的入射砂粒)仍然远远大于工具其他部位处的入射砂粒。

图3 砾石充填滑套总成ANSYSCFX模拟冲蚀速率密度云图Fig.3 ANSYSCFX erosion rate density contour of filling hole of gravel packing sliding sleeves assembly

2 滑套冲蚀试验

2013年9月在中海油钻采试验培训基地的JJSY-1试验井(直井)对砾石充填滑套总成工具进行了冲蚀试验，砾石充填试验参数为：泵速0.016 m3/s(6 bpm)，砂比71.92 kg/m3(0.6 ppg)，充填时间5 h，砾石密度2 650 kg/m3，砾石尺寸20～40目(与上述软件模拟设置条件一致)。在连续进行5 h的砾石充填试验后，关闭滑套，对滑套进行密封性试验，即打压至6.88 MPa(1 000 psi)稳压15 min，再继续打压至13.76 MPa(2 000 psi)，结果显示压力微降，滑套不能密封。起出砾石充填滑套总成工具并利用清水清洗，发现滑套孔、充填孔以及滑套密封筒表面均已被严重冲蚀，其中充填孔冲蚀最为严重(图4)，平均冲蚀厚度约为0.25 mm左右。

对比图3与图4，并按照实际冲蚀试验时间5 h进行数值模拟获得的充填孔冲蚀厚度约为0.225 mm，与实际冲蚀试验厚度0.25 mm基本吻合。这表明，上述砾石充填滑套总成ANSYSCFX冲蚀模拟结果是可信的。

图4 充填滑套总成充填孔冲蚀试验结果Fig.4 Erosion testing result of filling hole of gravel packing sliding sleeves assembly

3 改进措施及其效果

通过上述砾石充填滑套总成工具冲蚀的数值模拟和试验验证，发现砾石充填滑套总成工具的冲蚀位置主要集中在充填孔、滑套孔以及充填孔对应的密封筒壁面。若要提高滑套总成工具的抗冲蚀性能，则须对冲蚀严重的充填孔、滑套孔以及充填孔对应的密封筒壁面等部位进行局部抗冲蚀处理。

研究表明，提高滑套工具局部材料抗冲蚀性能的措施有2种：一是改变滑套基体材质，二是提高表面硬度［10-11］。分析认为，由于砾石充填滑套总成工具的冲蚀位置主要集中在充填孔、滑套孔以及充填孔对应的密封筒壁面，因此提高滑套工具局部表面硬度的方法既可有效提高工具的抗冲蚀性能，又具有较大成本优势。基于此，对比分析了表面涂镀金属层、表面激光熔覆耐磨材料、表面镀陶瓷等方法，最终利用PVD技术对充填孔、滑套孔、滑套密封筒等表面进行镀陶瓷(TiN)处理，将表面硬度提高到2 000 HV，形成了一套自主开发的抗冲蚀砾石充填滑套总成工具。2013年至今，该项成果已应用于渤海、南海和东海等海域共计82口井120多层砾石充填防砂作业，砾石充填完成后关闭滑套进行滑套密封性能测试，其结果均为良好。

4 结论

1)数值模拟和试验分析结果表明，砾石充填滑套总成工具的冲蚀位置主要集中在充填孔、滑套孔及充填孔对应的密封筒壁面，只需对上述部位进行抗冲蚀处理即可提高整个滑套总成工具的抗冲蚀性能。

2)采用表面镀陶瓷处理可将充填孔、滑套孔及充填孔对应的密封筒壁面等部位表面硬度提高到2 000 HV，能够有效提高滑套抗冲蚀性能，解决了砾石充填完井作业中滑套关闭后不能密封的问题。2013年至今，自主开发的抗冲蚀砾石充填滑套总成工具已成功应用于渤海、南海和东海等海域共计82口井120多层砾石充填防砂作业，滑套密封性能良好。

［1］龚再升，王国纯，贺清.上第三系是渤中坳陷及其周围油气勘探的主要领域［J］.中国海上油气(地层)，2000，14(3)：145-156.Gong Zaisheng，Wang Guochun，He Qing.The Neogene：a main realm of hydrocarbon exploration in Bozhong sag and its surrounding areas［J］.China Offshore Oil and Gas(Geology)，2000，14(3)：145-156.

［2］黄鑫.渤海稠油油田开发面临的挑战与应对措施［J］.油气田地面工程，2010，29(9)：76-78.Huang Xin.Challenges and countermeasures of heavy oil field development in Bohai［J］.Oil-Gasfield Surface Engineering，2010，29(9)：76-78.

［3］马颖，任峻，李元东，等.冲蚀磨损研究的进展［J］.兰州理工大学学报，2005，31(1)：22-25.Ma Ying，Ren Jun，Li Yuandong，et al.Research on erosion progress［J］.Journal of Lanzhou University of Technology，2005，31(1)：22-25.

［4］刘家俊，李诗卓，周平安，等.材料磨损原理及其耐磨性［M］.北京：清华大学出版社，1993：172-193.Liu Jiajun，Li Shizhuo，Zhou Ping'an，et al.The principle ofmaterial wear and wear resistance［M］.Beijing：Tsinghua University Press，1993：172-193.

［5］潘牧，罗志平.材料的冲蚀问题［J］.材料科学与工程，1999，3(17)：92-96.Pan Mu，Luo Zhiping.The erosion ofmaterials［J］.Materials Science and Engineering，1999，3(17)：92-96.

［6］FINNIE I.The mechanism of erosion of ductile metals［C］.The 3rd US National Congress of Applied Mechanics，New York，1958.

［7］FINNIE I.Erosion of surfaces by solid particles［J］.Wear，1960，3(2)：87-103.

［8］FINNIE I，STEVICK G R，RIDGELY JR.The influence of impingement angle on the erosion of ductilemetals by angular abrasive particles［J］.Wear，1992，152(1)：91-98.

［9］FINNIE I.Some observations on the erosion of ductilemetals［J］.Wear，1972，19(1)：81-90.

［10］蒲洪春，黄志强，李琴，等.泥浆泵滑块、滑套表面处理技术研究［J］.西南石油学院学报，2002，24(3)：74-78.Pu Hongchun，Huang Zhiqiang，Li Qin，et al.Study of the surface treatment technology of drilling pump gliding block-sliding sleeve［J］.Journal of Southwest Petroleum Institute，2002，24(3)：74-78.

［11］赵会友，陈华辉，邵荷生.几种钢的腐蚀冲蚀磨损行为与机理研究［J］.摩擦学学报，1996，4(16)：112-119.Zhao Huiyou，Chen Huahui，Shao Hesheng.The study on the corrosion-erosion wear behaviour and wear mechanism of several steels［J］.Tribology，1996，4(16)：112-119.