油田钻采设备过流部件冲蚀磨损研究进展*

朱红波，王 伟，周永新

(克拉玛依职业技术学院，新疆 克拉玛依 834000)

随着油田开发的不断深入，各种深井、超深井、定向井、水平井日益增多，导致钻采设备的工作环境不断恶化；
同时，为了进一步提高油井开采效率，常常采用水力喷射、加砂压裂等储层改造方法，对钻采设备及工艺提出更高要求，钻杆、套管、压裂设备以及井下作业工具和采油设备的过流部件会因受到流体冲刷而引起磨损，特别是当采出液或钻井液、压裂液中含有固体颗粒情况下，液固两相流对设备的冲蚀磨损会愈发严重[1-2]。冲蚀磨损是指固体表面受到含有固体颗粒的流体介质冲刷而造成材料表面出现的损耗[3-4]，冲蚀磨损会导致石油钻采、集输设备过流部件壁面材料损耗、壁厚变薄，降低材料力学性能[5]，严重时会引起部件损坏、管件刺漏、密封失效，造成设备不能正常工作甚至引发安全事故。由于冲蚀磨损问题涉及多个学科，冲蚀磨损过程同时受到冲蚀环境、流场状态和材料属性等多种因素影响[6]，以至于冲蚀磨损造成设备损坏的动态过程和机理相对复杂，因此，深入开展石油钻采设备冲蚀磨损研究，分析不同设备在不同工况条件下造成冲蚀磨损的主要原因及影响程度，对于丰富冲蚀理论、探究冲蚀磨损发展规律，为油田钻采设备冲蚀磨损评估、预防提供指导，保障油田设备安全、高效运行具有重要意义。通过总结已有冲蚀磨损理论，综述典型冲蚀理论模型、对比分析冲蚀磨损研究方法以及在石油钻采设备领域研究现状，并对今后钻采设备冲蚀磨损防护的研究提出建议。

由于冲蚀磨损在石油化工、煤矿、冶金、机械等各个工业领域广泛存在，众多学者对冲蚀磨损的研究给与高度的重视，开展了广泛的研究，并形成多种冲蚀磨损理论和相关模型。其中，比较典型的主要有微切削磨损理论、变形磨损理论、挤压锻造理论、绝热剪切理论以及二次冲蚀理论等。

1.1 微切削磨损理论

1958年，Finnie[7]首次提出了塑性材料冲蚀的微切削理论。认为塑性材料表面冲蚀是由于一定速度和角度的较硬固体粒子侵入被冲击材料表面，导致材料因切削作用发生迁移的冲蚀磨损理论；
同时指出冲蚀磨损体积与固体颗粒质量和速度的平方成正比，与靶材的流动应力成反比。通过对比大量试验数据，Finnie[8]于1960年对该理论模型进行修正，确定冲蚀磨损体积V随入射角α变化的数学表达式为：

(1)

(2)

式中：V为冲蚀磨损体积，m3；
K为粒子分子数；
m为粒子的质量，；
vs为粒子冲击速度，m/s；
σy为靶材的屈服强度，Pa；
n为粒子冲击速度对冲蚀磨损量的影响度，即速度指数；
α为冲蚀粒子入射角，°；
α0为粒子临界入射角，°。

通过将切削模型预测结果和大量试验结果对比发现，对于冲蚀磨损量和冲击入射角的关系曲线，两者在低角度冲击时吻合的较好，但在大角度冲击或者脆性材料的冲蚀磨损预测中存在较大偏差，特别是正向冲击(冲击角为90°)时，按切削模型计算冲蚀磨损量为零，而实际上材料表面存在一定的磨损，这说明还有其他的机制造成材料的磨损。尽管这样，微切削理论仍然为冲蚀磨损行为的其他研究模型提供可靠的理论依据。

1.2 变形磨损理论

1963年，Bitter[9-10]提出了基于能量平衡角度的变形磨损理论，指出由变形磨损和切削磨损两部分组成了材料的冲蚀磨损。当材料表面自身屈服强度高于固体颗粒对材料表面的冲击应力时，材料表面只产生弹性变形，反之，材料表面不仅发生弹性变形，同时也会产生塑性变形，当塑性变形增大到一定程度就会引起材料表层发生破坏、剥落，进而形成变形磨损；
切削磨损即固体颗粒对材料表面的犁削现象，而总的冲蚀磨损量则为两者代数和，变形磨损理论的模型公式为[11]：

(3)

式中：m为颗粒质量，v为颗粒速度，a为颗粒入射角，φ和ɛ分别为剪切和切削变形所消耗的能量。

1.3 挤压锻造理论

1986年，Levy[12]在总结众多学者对于材料表面发生冲蚀磨损行为探究数据的基础上，通过大量试验提出冲蚀磨损的挤压锻造理论，指出材料表面发生的冲蚀磨损行为是流体携带固体粒子对材料表面不断锻打和挤压的过程。冲击时粒子对靶材表面施加挤压力，使靶材表面形成凹坑和凸起的唇片，随后的粒子再持续对唇片进行“锻打”，使唇片产生严重塑性变形，最终在材料表面呈片屑流失。该理论作为变形磨损理论的一种延伸，进一步解释了冲蚀磨损的部分机理[13]。挤压锻造理论在材料冲蚀磨损领域已获得很多学者的认可，但是Levy并没有总结出一个可以用于冲蚀磨损计算的公式，仅仅提出了冲蚀磨损速率与锻造挤压作用有很大关系。

1.4 绝热剪切理论

1979年，Hutchings[14-15]通过试验的方法借助高速摄影机捕捉了低碳钢靶材受直径9.5 mm的钢球以270 m/s的速度冲击时变形唇的形成过程，基于材料应变率的估算，提出了冲蚀磨损过程的绝热剪切理论。他认为，在粒子冲击下，材料受到推挤产生严重塑性变形，在高的应变率下，材料温度升高很快，首先是变形过程绝热化，然后是变形的局部化使得受推挤的材料沿剪切方向形成绝热剪切带，从而形成变形唇片。之后他又研究了金属表面与冲击颗粒之间的能量平衡方程，于1981年提出另一种球形颗粒法向冲击金属材料表面的冲蚀速率力学模型[16]，模型在假设颗粒冲击过程中不发生变形或破碎、忽略弹性效应的基础上，研究生了动态硬度、冲击角度和材料延展性对冲蚀磨损的影响。

1.5 二次冲蚀理论

由于固体粒子冲击材料表面往往会发生破碎，形成的粒子碎片将对材料表面造成第二次冲蚀。Tilly[17-18]采用电子显微技术、高速摄影技术等技术手段和筛分法研究塑性材料的冲蚀磨损受颗粒破碎的影响，并在此基础上提出二次冲蚀理论。指出粒子的粒度、速度和攻角会影响粒子的碎裂程度，而当粒子极小或入射速度极低，则不产生冲蚀或仅产生一次冲蚀，只有当粒径、速度都足够大时，粒子破裂才会形成第二次冲蚀，二次冲蚀磨损的程度与冲击粒子的动能及其破碎程度成正比关系，该理论对脆性材料粒子在高入射角条件下的冲蚀问题进行合理解释，在入射角较大时有较好的适用性，但其主要不足之处在于需要通过先导试验确定固体颗粒的标准速度和颗粒粒径阈值[19]。

上述理论为冲蚀磨损研究中比较典型的基础理论，其中影响较大的以微切削磨损理论、变形磨损理论和挤压锻造理论为主[20]。众多研究证明，在说明刚性粒子以较低入射角冲击固体材料表面时，微切削磨损理论比较适用；
对于高入射角冲击形成的冲蚀成片过程挤压锻造理论具有较强的说服力，而变形磨损理论则重点阐释了冲蚀过程中的固体表面变形过程及能量变化。

在石油开采过程中，大部分钻采、集输设备都会受到固体颗粒的冲蚀。由于钻采设备、井下工具的结构、种类多，工况条件多样，在多相流条件下固体颗粒对过流部件的冲蚀磨损机理及影响因素更加复杂。为了进一步明确钻采设备冲蚀磨损产生机理和影响因素，国内外学者进行了广泛的研究，根据侧重点不同研究方法主要可分为冲蚀磨损试验研究、数值仿真研究两种。

2.1 试验研究

在研究石油钻采设备冲蚀磨损行为的众多方法中，利用试验手段进行研究是探究材料冲蚀磨损机理与影响因素比较有效的方法，试验研究是在对现场运行工况进行调研之后在实验室模拟现场工况，采用一定的试验手段获得相关结论的过程[21]，近半个世纪以来，国内外学者通过试验研究了多种生产工况条件下材料的冲蚀行为，并研发出多种形式的冲蚀磨损试验装置，按各自研究侧重点和固体颗粒作用形式不同主要分为旋转式、管流式和射流式冲蚀试验装置三种。

2.1.1 旋转式冲蚀磨损试验

对于金属材料在料浆环境中冲蚀性能评价方面最先使用的设备是料浆罐式试验机，该设备由钻床配上一个聚苯乙烯桶组成料浆罐式冲蚀试验机，在以钻杆为轴的样品架上加持四个对称放置的金属片，钻杆在料浆中旋转并搅动，料浆中携带固体粒子与靶材表面发生碰撞造成冲蚀[22]。在此基础上，研究人员陆续开发多种旋转式冲蚀磨损试验装置并开展相关试验研究。Goodwin等[23]设计了一种旋臂冲蚀钻机用于开展冲蚀磨损试验研究，使试件在高速旋转臂带动下转动，同时监测试件转动速度，通过高速旋转的试件与自由下落的固体颗粒发生碰撞进而产生冲蚀。丁一刚等[24]通过旋转式冲蚀试验装置研究了不同颗粒含量、颗粒直径及入射角条件下不锈钢的冲蚀情况。证实了金属试样冲蚀程度会随着颗粒含量增大而增大，而颗粒冲击角度的变化会引起冲蚀机理发生变化。偶国富等[25]采用旋转式冲蚀磨损试验装置对低碳钢在液固两相流不同冲击角度和冲击速度条件下的冲蚀试验，试验数据误差在6.8%以内，验证了液固两相流作用下低碳钢冲蚀磨损规律与经典冲蚀理论一致。吕宁博等[26]利用旋转MSH冲蚀仪研究了钻井防砂筛管在不同冲蚀角度与速度下的冲蚀规律，试验证明在相同试验条件下，防沙筛管冲蚀磨损率随冲蚀时间增加不断增大，而后趋于平稳；
冲蚀率随冲蚀角度增大而减小，随冲蚀速度增大而增大。李平等[27]采用自制的MCF-14旋转式料浆罐式冲蚀磨损试验机对酸性料浆介质环境中304不锈钢冲蚀磨损性能开展试验研究，通过对正交试验失重率结果进行极差分析和方差分析得出料浆温度、硫酸浓度、料浆温度和硫酸浓度及其交互作用对304不锈钢冲蚀磨损性能的影响。

2.1.2 管流式冲蚀试验

美国Tulsa大学冲蚀腐蚀研究中心设计了用于研究石油和天然气生产中因存在砂粒造成管线弯头部位点蚀和穿孔问题的管流式冲蚀试验台架，其加入沙粒仅在一回旋式分离器及弯管试验段的区间运行，从而有效降低了砂浆对循环泵和充气罐等部件的冲蚀。Bikbaev等[28-29]利用管流式试验装置针对天然气管道弯头进行了冲蚀磨损研究，分析不同颗粒流量、流速以及弯管曲率条件下内径为50 mm弯管外侧冲蚀速率。Bourgoyner[30]针对井下异常压力引起的海上油田浅层气下钻井冲蚀问题，建立了管流式试验装置，采用超声波测量手段测定不同弯头曲率的弯管颗粒的冲蚀情况。Blatt等[31-32]利用管流式冲蚀试验装置研究了不锈钢材料突扩管处的冲蚀机理，得出在突扩管出口2～3倍粗管直径处具有最大冲蚀速率的相关结论。Lotz等[33]针对3%氯化钠溶液流过垂直式的突然膨胀—收缩管流中的冲蚀腐蚀问题建立了管流式试验台架，通过测量分段管状流通池冲蚀速率的方法研究了碳钢、不锈钢突扩管的冲蚀情况。安杰等[34]在改装后的管流式冲蚀磨损试验机上以圆筒作为试验靶材进行油气井管柱在高应力环境下的冲蚀研究，采用超声波测厚仪测量靶材因冲蚀造成的厚度减薄情况，通过金相显微镜观察靶材表面冲蚀形貌、利用激光多普勒测速仪追踪颗粒速度和浓度分布状态，通过对试验结果分析，进一步明确加载应力作用下靶材的冲蚀率变化情况。魏辽等[35]通过总结冲蚀理论和数值模拟结果，利用研制的冲蚀磨损试验装置研究了井下工具固井滑套带孔短节在特定工况下的冲蚀磨损情况，分析了孔眼数量、含砂比及排量对冲蚀磨损速率的影响关系。张依弛等[36]采用管流式环道试验装置对T型弯头液固两相流冲蚀磨损进行研究，选用高密度聚乙烯制作弯头并在弯头内部加装挂片的方式分析流场分布和冲蚀情况。钟林等[37]基于现场压裂工况，通过数值仿真手段分析了单锥面球座和双锥面球座的冲蚀磨损情况，并在自制的管流式冲蚀磨损试验机上通过室内试验验证单锥面球座和双锥面球座的冲蚀性能，并结合3种不同涂层材料球座随冲蚀时间变化而形成的冲蚀形貌分析，指出双涂层球座较碳化钨涂层和硬质合金球座的的耐冲蚀能力更强。

2.1.3 射流式冲蚀试验

加州大学Berkeley分校Lawrence实验室建立了一台料浆喷射式冲蚀试验装置，在对某些材料进行抗泥浆冲蚀性能评价的同时，还对比分析了料浆罐式冲蚀设备与料浆喷射冲蚀磨损试验结果之间的区别。Reddy等[38]在1986年采用自制的射流式冲蚀试验装置，以40 m/s冲击速度和30°、60°、90°三种不同冲击角度开展冲蚀试验，研究材料表面的冲蚀形貌和磨损机理。Haugen等[39]基于北海油田内的球阀、节流阀等过流部件冲蚀背景，建立了一套射流式冲蚀试验装置，用一定粒径的角状砂粒模拟海底磨粒，经气流加速后对试样进行冲蚀，并通过扫描电子显微镜(SEM)观察试件微观冲蚀形貌。张继信等[40-41]采用自制的喷射型冲蚀磨损试验机先后研究了高压管汇材料30CrMo、42CrMo以及45#钢在水力压裂工况下受高速携砂液的冲蚀情况，分别讨论了冲蚀角度、冲蚀速度、砂粒粒径和砂粒质量分数对冲蚀磨损的影响，并基于冲蚀表面微观形貌，分析了材料在不同冲蚀角度下的冲蚀机理；
试验结果表明，在相同工况条件下，强度和韧度较好的42CrMo合金钢具有较好的耐冲刷性能，冲蚀磨损随冲蚀速度增大显著提高，随砂粒粒径和质量分数增大而增大，但质量分数的影响较小，随着冲蚀角度的变化，材料冲蚀磨损呈现切削模型和局部塑性变形两种磨损机制。黄小兵等[42]采用磨料射流试验台对塑性材料在含砂水溶液形成的液固两相流中冲蚀磨损进行了试验研究，分析了砂粒粒径、浓度，冲击速度、角度对冲蚀速率的影响。结果表明，试样材料的冲蚀磨损随砂粒尺寸、浓度增大而增大，随冲击速度增大而显著增大，随冲击角度增大呈先增大后减小的变化趋势。王凯等[43]在自制的喷射式冲蚀试验装置上完成了P110材料冲蚀试验,考察了流体喷嘴出口流速、含砂量以及冲蚀时间、冲蚀角对冲蚀速率的影响，并根据试验结果分析了各因素影响两种材料冲刷腐蚀交互作用的严重程度，各个影响因素对交互作用显著性影响情况以及总冲蚀速率变化趋势。高文祥等[44]基于压裂工况采用自制喷射式冲蚀试验装置对超级13Cr钢在含砂3.5wt%NaCl液固两相流中开展冲蚀试验，研究冲蚀时间、冲击速度和砂粒含量对冲蚀磨损的影响，试验结果表明，13Cr钢冲蚀速率随冲蚀时间变化先减小后增加，并逐渐趋于稳定；
流速增大导致冲蚀速率不断增大，当流速超过5.6 m/s时冲蚀腐蚀交互作用明显增强；
砂粒含量对冲蚀磨损的影响存在一个临界值，超过临界值后随着含沙量增加，冲蚀磨损率呈下降趋势。王晓等[45]以海洋石油开发为背景，针对钻完井工具冲蚀研究开发了钻完井工具冲蚀试验平台，该试验平台采用前混式水射流混砂技术，主要包括增压系统、磨料系统、试验系统以及测控系统组成，能够对试验过程中压力、流速及含沙量进行有效控制，通过对316L试件进行冲蚀性能试验，验证了试验数据的稳定性和可靠性，为钻完井工具冲蚀磨损试验研究提供了有效手段。

2.2 数值仿真研究

材料的冲蚀磨损与环境参数、粒子属性以及靶材性质等多个方面相关，特别是在多相流作用下，固体颗粒的冲蚀磨损与钻采设备过流部件结构和流场状态关系紧密。在石油开采过程中，设备工况环境和几何结构的差异性导致不同过流部件内部流体流场状态复杂多变，开展试验研究比较困难且费用昂贵。随着计算流体力学的迅速发展，大量的学者开始使用计算机软件进行材料冲蚀磨损行为的探究。计算流体动力学(CFD)模拟可以帮助确定复杂管线内流速流态和近壁面湍流强度，进而分析多变几何结构内部复杂流场状态，通过对比试验结果或现场冲蚀特征，科学分析冲蚀机理及对设备冲蚀磨损情况进行有效评估。Edwards等[46]采用数值模拟分析了三通和弯管在气固两相流作用下的冲蚀磨损，分析结果表明采用带有堵头的三通和增大弯曲半径都能提高弯管的抗冲蚀能力。Gandhi、Borse等[47]针对颗粒粒径对冲蚀磨损的影响进行了探究，发现当冲击角度在30°和75°时，颗粒粒径和最大冲蚀速率之间为线性关系，线性结果取决于颗粒冲击速度和粒径。Yoshinori Isomoto Oka等[48]学者通过有限元法模拟了圆球和带棱角颗粒撞击铝、钢、铸铁等靶材，发现冲蚀破坏的深度与微粒的密度以及刚度存在联系。Bielawski M[49]利用ABAQUS建立了不同涂层体系的二维仿真模型,得到了颗粒流速、颗粒粒径对靶材冲蚀磨损的影响。冯进等[50]利用数值仿真，分析比较了不同冲蚀模型中冲蚀位置的分布以及不同冲击速度和粒径对冲蚀率的影响。偶国富等[51-52]分别以弯管、异径管为研究对象进行流固耦合数值模拟，分析多相流介质与管壁边界层腐蚀产物保护膜之间的耦合作用，先后研究了弯管的结构特性、多相流的物性参数和异径管结构规格、流体流向对保护膜变形的影响。近几年来，关于钻采设备中水平井完井分段压裂滑套球座冲蚀磨损的数值仿真研究逐渐增多，李永革等[53]运用ANSYS-CFD模拟分析软件分别研究了压力、砂粒流量、锥面角度对球座冲蚀的影响，仿真结果表明，压力的变化对冲蚀速率影响不显著，砂粒流量和锥面角度增大会导致冲蚀磨损速率增大，而砂流量对冲蚀磨损的影响趋势更加明显。丁坤等[54]结合水平井分段压裂工程实际模拟不同砂比、支撑剂颗粒直径、排量等因素对压裂球座冲蚀磨损速率的影响，结果表明，压裂滑套球座前端锥面冲蚀磨损最为严重，三个因素中影响最大的是施工排量，与磨损速率呈指数关系；
其次是支撑剂颗粒直径，粒径增大，冲蚀磨损率降低；
砂比对球座冲蚀磨损的影响最小，球座冲蚀速率随砂比的增大而增大，但并不呈线性关系。张峰等[55]应用Fluent软件研究了球座锥段角度、压裂液黏度和砂粒粒径等参数对压裂球座流道速度和压力分布的影响，并对球座表面冲蚀磨损速率的影响规律进行分析。模拟结果表明，在球座锥段与小圆柱段连接处冲蚀磨损率最大，并随着锥段角度的增大呈现指数形式增长，随着砂粒粒径和压裂液黏度的增大而减小。向正新等[56]基于冲蚀理论分析了压裂球座失效原因，结合压力施工技术参数对压裂液排量、颗粒浓度、直径和黏度对球座冲蚀磨损的影响开展数值模拟分析，结果表明，球座冲蚀速率随压裂液排量和支撑剂颗粒浓度的增加而增大，随着颗粒直径和黏度的增加而减小；
通过改变球座锥角和结构型式，分析液固两相流颗粒浓度分布对球座锥段冲蚀速率的影响，并指出20°～30°的锥角范围和凹面结构、双角度结构的球座具有较小的冲蚀率。杜培伟等[57]采用数值仿真研究方法对不同涂层材料的压裂球座进行冲蚀模拟，并将结果与冲蚀试验结果进行对比，验证仿真模型的准确性，同时对压裂球座结构优化提出建议。

自Finnie首次提出冲蚀磨损切削理论以来，研究人员针对冲蚀磨损开展了大量的试验研究和理论分析，提出了多种冲蚀理论和数值模型，但各种模型普遍存在主观假设，仅能够满足特定工况和试验条件，不同的冲蚀试验方法得到的试验结果会存在很大的差异，目前为止还没有形成能够适用于所有工程实际的理论体系或冲蚀模型[58]。在石油钻采生产过程中，涉及设备、井下作业工具的种类多，生产工艺复杂，试验研究难以模拟真实生产工艺条件，以至于试验所得众多结论仅能作为钻采设备防冲蚀研究的理论参考，而数值仿真虽然能够进行多种结构、工况条件的冲蚀模拟，但是数值模拟较为理想化，在一定程度上，都是对实际工况的一种简化，不同边界条件、湍流模型、离散项模型的选择和相关参数设定对仿真结果会造成较大影响，以至于仿真结果较难保证准确性，往往需要通过试验进行验证。综上所述，钻采设备的冲蚀磨损研究还需对以下三个方面进行深入研究。

(1)加强钻采设备冲蚀磨损试验装置和测试方法研究，开发基于真实工况条件的试验装置，基于多种控制手段模拟设备过流部件受多相流冲蚀的真实的过程，提高试验测试结果的可靠性。

(2)在进行抗冲蚀涂层研发的基础上，加强对多相流流场特性分析，基于CFD数值仿真手段分析固体颗粒的流动状态以及颗粒之相互作用，从涂层防护和钻采设备冲蚀部位结构改进多个方面进行设备冲蚀防护研究。

(3)综合运用试验和数值仿真研究方法，考虑温度、腐蚀介质对钻采设备冲蚀及腐蚀的影响，开展多物理场耦合条件和多因素交互作用下冲蚀磨损研究，由单一磨损机制到多种机制综合应用发展，将数值仿真、室内试验和外场测试结果综合对比，不断提高分析结果的可靠性。

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