篩網沖蝕試驗裝置研制及測試

曾鍇， 閆新江， 王曉， 鞠少棟， 劉傳剛， 文敏， 曹硯鋒， 劉景超

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

0 引 言

篩管是井下防砂核心器材，一旦篩管失效將導致油井出砂停產，使整個防砂作業失敗，含砂流體對篩網的沖蝕是導致篩管結構失效的重要因素。目前對于金屬材料的沖蝕已經有了許多研究成果[1-3]，但篩網的結構復雜，工作環境惡劣，對于篩網的沖蝕規律尚沒有清楚的認識，進行篩網的沖蝕試驗是研究篩管沖蝕特性的重要方法。目前對于篩網的沖蝕試驗研究沒有一套理想的沖蝕試驗裝置，在比較現有沖蝕試驗裝置的基礎上[4-6]，設計制造了一套沖蝕試驗裝置進行篩網的沖蝕試驗。

1 沖蝕試驗裝置原理及結構

為了能夠滿足篩網試件沖蝕實驗測試，沖蝕實驗裝置要求實驗介質為油水和砂子的混合物，排量0～33 L/min可連續調節，沖擊速度0～15 m/s可連續調節，沖擊夾角0～90°可連續調節，實驗數據需要具有較好的穩定性和可重復性。

1.1 沖蝕試驗裝置流程及設計

圖1 沖蝕試驗裝置流程示意圖

篩網沖蝕試驗裝置的整體結構如圖1所示，試驗液在攪拌罐內配置，攪拌罐整體為不銹鋼，容積為30 L，配有電動攪拌器，攪拌頻率可以調節。試驗裝置的動力采用一臺排量0～33 L/min 可調的電動計量泵，介質為油、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，保持試驗過程中噴嘴的流速穩定，減小試驗誤差。試驗艙是進行沖蝕試驗測試的部件，其分為上下兩部分，上部成矩形，配有透明觀察窗，方便實時觀測試驗進度。試驗倉底部設計為錐形，方便匯集試驗后的實驗液，并在錐形底部設計有導液管，可以將試驗后的實驗液送回攪拌罐，使實驗液可以循環利用。試驗倉的上下兩部分之間設置有濾網，防止實驗過程中大顆粒進入攪拌罐。實驗倉整體采用304不銹鋼，可以防止長期實驗過程中出現銹蝕。實驗倉內部配有試件的夾具、噴槍及噴嘴，噴嘴直徑為1～10 mm可更換。

1.2 沖擊速度的調節

沖蝕試驗裝置的速度通過調節泵的排量和改變噴嘴大小來調節控制漿料的沖擊速度，沖擊速度是通過測定單位時間內通過管道的漿料流量, 并除以噴嘴的橫截面積計算而得到的。為了保證試驗精度，本文中沖蝕試驗裝置的動力泵采用的是計量泵，排量為0～33 L/min可連續調節，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之間連續可調。

1.3 試件的夾持和角度的調節

篩網沖蝕試驗的試件為圓形，直徑為φ39 mm，厚度為3.5 mm。為了能夠很好地夾持圓形試件，設計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軸上，旋轉軸上設計的分度尺可以360°旋轉，使試件與噴嘴成0～90°的夾角。調節桿可以調節兩個夾頭之間的距離，方便夾持試件。夾頭上開了一個試件孔，試件孔可以根據試件的大小、形狀不同進行更改。

圖2 沖蝕試驗裝置夾持器結構和實物圖

2 沖蝕試驗裝置核心性能測試

對于沖蝕試驗裝置，沖擊流速、砂比的穩定性和實驗數據的重現性是設備的核心性能指標，這三項性能的好壞直接影響實驗結果的準確性和穩定性。進行流速、砂比穩定性測試和實驗重現性測試，可以驗證沖蝕實驗裝置的核心性能。

2.1 沖擊速度測試

沖擊流速是沖蝕實驗裝置的核心參數，沖蝕流速的準確控制和測試對沖蝕實驗至關重要。由于試驗系統的實驗液為砂水混合液，采用普通管流式流量計會對流量計造成損壞，同時會造成砂卡，難以測量準確結果。因此采用管外超聲波流量計測量其排量，并通過流量變化測量系統的流速變化。超聲波流量計安裝在脈沖緩沖器與實驗倉之間的金屬管線上，實驗測試采用超DT-KP-HJR型手持式超聲波流量計，測量精度優于±1%, 線性度為0.5%,重復性精度為0.2%，測量流速范圍為-32～32 m/s。超聲波流量計可以避免沖蝕損壞，但是如果直接用高濃度砂液測試，試驗液中的固體顆粒會對測量精度造成較大誤差。為了減少實驗測量誤差，速度測試用試驗液為砂比為0.5%的低濃度砂液，測量不同流速下管線內的排量。測試用噴嘴為6 mm直徑，分別測試了在6個不同理論速度下管線中的排量，并計算了其平均流速，測試結果匯總如表1所示。

表1 測試結果匯總表

由表1可知，在4～16 m/s的速度范圍內，系統的理論速度和實測平均流速基本一致，誤差普遍在1.52%以內，對于低于4 m/s的速度范圍需要更換大口徑的噴嘴進行測試，此處不再復述。上述實驗結果顯示沖蝕實驗裝置具有很好的流速穩定性。

2.2 砂比穩定性測試

砂比是影響沖蝕試驗結果準確性的重要參數，進行砂比的穩定性測試主要是測試在一段時間內噴槍出口處砂比的波動。測試的實驗液為采用80～100目石英砂和自來水配置的質量分數為3%的混合液。測試開始前先開攪拌電動機和泵運行20 min，待試驗系統中砂和水混合均勻后，從出液口取樣測量實驗液中的含砂量，之后每隔20 min 取樣測量一次砂比，得到砂比隨時間的變化曲線如圖3所示。

由圖3可知，在保持試驗系統參數不變的情況下，系統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砂子攪拌后的分散性較好，系統的砂比穩定。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明顯的沉砂。

圖3 系統砂比隨時間變化曲線

2.3 沖蝕磨損試驗數據的重現性

重現性試驗是在相同的試驗條件下對同種試樣重復進行多次磨損試驗, 為了考察試驗機試驗結果的重現性,采用篩網試件進行沖蝕測試。篩網試件直徑為39 mm，厚度約3.5 mm，如圖4所示。試驗液采用的是6%的砂液，試件每隔10 h采用1/1000 g精度的分析天平測量試件的質量，測量前采用超聲波清洗儀清洗試件并烘干，將測量的實驗結果統計如表2所示。

篩網試件的質量變化如表2所示，平均每10 h質量損失0.0152 g，平均誤差4.2%，最大誤差小于8%，試驗結果表明篩網沖蝕實驗的數據穩定，具有較好的重現性。

圖4 金屬篩網試件

表2 篩網試件沖蝕不同試件后質量

3 結 論

本文介紹了一種噴射式沖蝕試驗裝置的研制，能夠滿足0～15 m/s沖擊流速、0～90°沖擊角度的沖蝕試驗需要，為圓形篩網試件設計了一種夾持器，方便圓形試件的夾持。加工組裝完成后對沖蝕實驗裝置進行了性能測試。

1）通過測試，在4～16 m/s的速度范圍內，系統的理論速度和實測平均流速基本一致，誤差普遍在1.52%以內；2）進行了砂比穩定性測試，系統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；3）進行了沖蝕實驗的重現性測試，篩網試件平均每10 h質量損失為0.0152 g，平均誤差為4.2%，最大誤差小于8%。

實驗測試結果表明，本沖蝕試驗裝置在試驗過程中具有較好的沖擊流速、砂比穩定性和數據重現性，可以滿足不同流速、不同粒徑下的篩網沖蝕試驗需要。