電動(dòng)壓裂作業(yè)船支撐劑氣力輸送試驗(yàn)及彎頭磨蝕壽命研究

才忠杰 ，呂會(huì)敏 ，劉 亮 ，李卓航 ，秦道鑫 ，黃天成 ，華 劍

(1.中海油服油田生產(chǎn)事業(yè)部，天津 300459； 2.中石化四機(jī)石油機(jī)械有限公司，湖北 荊州 434000 ；3.長江大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，湖北 荊州 434023)

隨著我國部分海洋油氣井開采進(jìn)入末期，需要通過壓裂作業(yè)改造提升產(chǎn)能。目前，海洋油氣田壓裂作業(yè)主要有2種方式，一種是將壓裂作業(yè)設(shè)備放置在海洋平臺(tái)上，另一種是將電動(dòng)壓裂作業(yè)設(shè)備集中在船舶上[1-2]。采用壓裂作業(yè)船進(jìn)行壓裂作業(yè)相對(duì)于其它作業(yè)方式具有作業(yè)高效、設(shè)備移運(yùn)方便、作業(yè)周期短和不占用海洋平臺(tái)面積及儲(chǔ)存空間等優(yōu)勢(shì)[3-5]。根據(jù)壓裂作業(yè)船儲(chǔ)存空間的特點(diǎn)，壓裂支撐劑通常儲(chǔ)存于船艙底部或儲(chǔ)罐內(nèi)，受限于壓裂作業(yè)船的空間限制及支撐劑輸送距離的要求，壓裂支撐劑的輸送就不可能采用陸地油氣田壓裂作業(yè)螺旋輸送的方式，因此可考慮采用氣力輸送的方式。為了驗(yàn)證壓裂支撐劑氣力輸送的可行性，根據(jù)壓裂作業(yè)船的工作要求，本文設(shè)計(jì)了氣力輸送試驗(yàn)臺(tái)架，開展了壓裂支撐劑的氣力輸送試驗(yàn)，驗(yàn)證了壓裂支撐劑氣力輸送的可行性，并采用CFD軟件對(duì)壓裂支撐劑輸送過程進(jìn)行了數(shù)值仿真，在此基礎(chǔ)上對(duì)輸送管線彎頭磨蝕壽命進(jìn)行了預(yù)測(cè)。

1 壓裂支撐劑氣力輸送試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)臺(tái)架設(shè)計(jì)

氣力輸送根據(jù)混合比(輸送單位質(zhì)量物料與所消耗氣體質(zhì)量之比)大小可分為稀相氣力輸送和密相氣力輸送2種方式。稀相氣力輸送系統(tǒng)相對(duì)簡單，很多物料都可以采用稀相氣力輸送，但由于混合比較小、物料輸送速度較高，從而導(dǎo)致輸送能耗也較大、物料容易破碎、輸送管線和彎頭會(huì)產(chǎn)生較大的磨蝕。密相氣力輸送由于混合比較大、物料輸送速度較小，因此具有能耗低、輸送物料幾乎不會(huì)破損、輸送管線及彎頭磨蝕較小等優(yōu)勢(shì)，但其供氣壓力相對(duì)較高、輸送距離不能太長、輸送管線容易出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象[6-7]。

根據(jù)某壓裂作業(yè)船結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和空間要求，壓裂支撐劑輸送時(shí)水平距離25 m，高度15 m，彎頭數(shù)目不少于10個(gè)，采用密相氣力輸送比較合適。為了驗(yàn)證壓裂支撐劑密相氣力輸送的可行性，結(jié)合試驗(yàn)中壓裂支撐劑可循環(huán)性設(shè)計(jì)了氣力輸送試驗(yàn)臺(tái)架，圖1為循環(huán)輸送方案，圖2為實(shí)物試驗(yàn)臺(tái)架。

圖1 壓裂支撐劑氣力循環(huán)輸送方案

圖2 壓裂支撐劑氣力輸送試驗(yàn)臺(tái)架

壓裂支撐劑氣力輸送臺(tái)架主要由氣力輸送試驗(yàn)泵倉和氣力輸送管道兩部分組成，其中氣力輸送試驗(yàn)泵倉[8-9]主要包括空壓機(jī)、冷干機(jī)、儲(chǔ)氣罐、閥門、氣源管道、倉泵、投料倉及除塵器等設(shè)備，具體試驗(yàn)流程如圖3所示。

圖3 試驗(yàn)臺(tái)架工作流程

1.2 試驗(yàn)方案

針對(duì)壓裂支撐劑密相氣力輸送[10-12]要求，采用搭建的試驗(yàn)臺(tái)架開展了20～40目的支撐劑氣力輸送試驗(yàn)，試驗(yàn)的主要參數(shù)如表1所示。

表1 試驗(yàn)主要參數(shù)

利用試驗(yàn)臺(tái)架進(jìn)行了233 h的試驗(yàn)，且每隔20 h進(jìn)行了關(guān)機(jī)重啟，通過試驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，壓裂支撐劑在直管道中能順利通過，在彎頭處具有一定的沖擊振動(dòng)，但在整個(gè)管線中沒有出現(xiàn)任何堵塞現(xiàn)象，表明在本工作條件下壓裂支撐劑采用密相氣力輸送是可行的。

2 試驗(yàn)臺(tái)架管線模型

2.1 試驗(yàn)臺(tái)架管線幾何模型

根據(jù)試驗(yàn)臺(tái)架管線的實(shí)際幾何尺寸(如表2所示)建立了其幾何模型，并對(duì)彎頭按照從支撐劑入口至出口的順序進(jìn)行了編號(hào)，如圖4所示。

表2 輸送管線及彎頭的幾何參數(shù)

圖4 試驗(yàn)臺(tái)架管線幾何模型

2.2 網(wǎng)格劃分

進(jìn)行磨蝕仿真，由于壁面網(wǎng)格精度要求較高，因此采用Inflation方法對(duì)管線模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，膨脹5層，各層漸變率為0.8，網(wǎng)格尺寸設(shè)置為7 mm，劃分網(wǎng)格數(shù)量約1.41×106個(gè)，然后在FLUENT軟件里進(jìn)行多面體網(wǎng)格轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換為8面體網(wǎng)格，管線部分網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖5所示。

圖5 管線部分網(wǎng)格

2.3 參數(shù)分析

通過對(duì)支撐劑在管線中的運(yùn)行速度測(cè)量，可得支撐劑的運(yùn)動(dòng)速度為2.5 m/s左右，因此在數(shù)值模擬時(shí)選用了2.0、2.5、3.0、3.5 m/s 4種速度進(jìn)行分析。在試驗(yàn)時(shí)支撐劑粒徑采用的是20～40目，因此在數(shù)值模擬時(shí)在該目數(shù)范圍內(nèi)選取10種顆粒直徑，10種顆粒直徑的顆粒數(shù)目呈現(xiàn)正態(tài)分布。支撐劑的密度為1 700 kg/m3，計(jì)算得支撐劑的質(zhì)量流量為3.25 kg/s。依據(jù)上述參數(shù)，設(shè)計(jì)了4組模擬方案，具體方案參數(shù)如表3所示。

表3 數(shù)值模擬方案

3 數(shù)值分析模型

3.1 氣固兩相流模型

考慮到支撐劑氣力輸送的實(shí)際情況，輸送管線中為氣固兩相流。管線中氣體與支撐劑之間的耦合采用DPM模型，支撐劑為離散相，氣體為連續(xù)相，因此可以采用歐拉兩相流模型分析支撐劑之間的剪切力、支撐劑與管道之間的摩擦力、支撐劑與支撐劑之間的摩擦黏度等[13-15]。

3.2 磨蝕模型

本文采用FLUENT軟件對(duì)支撐劑管線磨蝕磨損現(xiàn)象進(jìn)行仿真模擬，F(xiàn)LUENT中磨蝕率的定義為：單位時(shí)間及單位面積內(nèi)管線內(nèi)壁材料因磨蝕磨損而丟失的質(zhì)量。FLUENT將磨蝕細(xì)分為3個(gè)階段：①流體牽引粒子運(yùn)動(dòng)，計(jì)算其牽引力；②對(duì)粒子運(yùn)動(dòng)、撞擊情況進(jìn)行分析，計(jì)算其軌跡；③由材料表面的磨蝕分布及損失質(zhì)量，計(jì)算出磨蝕率的大小。

磨蝕率計(jì)算模型為

(1)

3.3 分析參數(shù)設(shè)置

根據(jù)磨蝕理論，試驗(yàn)臺(tái)架流道模型磨蝕磨損仿真選用歐拉多相流模型以及磨蝕模型，磨蝕模型包含離散相設(shè)置，在離散相的設(shè)置中，選用離散相跟隨連續(xù)相的注入方式，并設(shè)置為每10次計(jì)算為1次DPM迭代，并將追蹤參數(shù)中的最大步數(shù)設(shè)置為50 000步；同時(shí)添加注入相時(shí)，設(shè)置注入形式為從入口面進(jìn)入，根據(jù)表3設(shè)置不同的支撐劑運(yùn)動(dòng)速度，不同直徑支撐劑數(shù)目呈正態(tài)分布。設(shè)置Normal項(xiàng)輸入法向反彈系數(shù)值，Tangent項(xiàng)輸入切向反彈系數(shù)值，粒徑函數(shù)值取定值1.8×10-9，速度指數(shù)函數(shù)取定值2.6。計(jì)算方法采用多相耦合算法，二階迎風(fēng)格式，初始化后，進(jìn)行仿真計(jì)算。

4 結(jié)果分析

本文對(duì)支撐劑輸送試驗(yàn)臺(tái)架進(jìn)行CFD仿真，從彎頭磨蝕規(guī)律以及試驗(yàn)臺(tái)架彎頭壽命預(yù)測(cè)2個(gè)方面進(jìn)行分析。

4.1 彎頭磨蝕規(guī)律

4.1.1 彎頭磨蝕軌跡

根據(jù)4種工況的支撐劑輸送仿真模擬結(jié)果可知，彎頭5～9磨蝕速率較大，磨蝕趨勢(shì)明顯。以彎頭6為參考，通過查看彎頭6在不同工況下磨蝕軌跡，分析不同工況下彎頭的磨蝕趨勢(shì)以及各個(gè)彎頭最大磨蝕位置。圖6～9為支撐劑不同輸送速度時(shí)彎頭6的磨蝕軌跡。

圖6 支撐劑速度為2 m/s時(shí)彎頭6磨蝕軌跡

圖7 支撐劑速度2.5 m/s時(shí)彎頭6磨蝕軌跡

圖8 支撐劑速度3 m/s時(shí)彎頭6磨蝕軌跡

圖9 支撐劑速度3.5 m/s時(shí)彎頭6磨蝕軌跡

由圖6～9可知，磨蝕磨損不同于沖蝕磨損，磨蝕磨損在彎頭處呈線性磨損，支撐劑在彎頭處向外打旋，速度越大，打旋幅度越大。隨著支撐劑速度的增大，最大磨蝕率也逐漸增大，磨蝕率較大的位置均在入射口；彎頭6的最大磨蝕集中在入彎前，在流道下壁面沉積，并在入彎處發(fā)生打旋，向外壁面發(fā)生碰撞，產(chǎn)生較大磨蝕。支撐劑出彎后，受重力影響下落，此時(shí)與壁面無明顯滑移磨蝕，因此出彎口支撐劑磨蝕軌跡不明顯。由彎頭磨蝕軌跡正視圖可以看出，最大磨蝕位置處于支撐劑運(yùn)動(dòng)方向發(fā)生改變處，最大磨蝕位置處于入彎后約15°左右位置。

4.1.2 彎頭磨蝕規(guī)律

圖10為支撐劑在不同速度情況下各個(gè)彎頭的磨蝕速度關(guān)系圖。由圖10可以看出，在各工況下，彎頭最大磨蝕曲線趨勢(shì)相近。管線磨蝕最大的地方集中在彎頭5、彎頭6、彎頭7和彎頭9，彎頭8磨蝕率較低，彎頭5、6磨蝕率較高。因?yàn)閺濐^5、6屬于順向彎頭，彎頭8屬于逆向彎頭，故磨蝕率變化幅度大。彎頭9和彎頭10磨蝕率差異較大，因?yàn)閺濐^9屬于垂直輸送彎頭，越過彎頭9，支撐劑受重力影響，與上壁面接觸較少，導(dǎo)致磨蝕率降低。同時(shí)，隨支撐劑速度增大，各個(gè)彎頭的磨蝕率均呈現(xiàn)明顯上升趨勢(shì)，主要是因?yàn)橹蝿┳鳛殡x散注入項(xiàng)，跟隨氣相一起運(yùn)動(dòng)，且具有很強(qiáng)的跟隨性。且在運(yùn)動(dòng)過程中，磨蝕不同于沖蝕，磨蝕率取決于與彎頭發(fā)生接觸并產(chǎn)生滑移磨蝕支撐劑的數(shù)目，由于支撐劑的運(yùn)動(dòng)速度增大，與彎頭接觸并產(chǎn)生滑移磨蝕的支撐劑增多，支撐劑的滑移距離增長，磨蝕面積增大，且支撐劑的法向載荷也增大，均導(dǎo)致彎頭的磨蝕率迅速增大，最終導(dǎo)致支撐劑速度對(duì)彎頭磨蝕速率影響明顯。

垂直輸送時(shí)，低位輸送彎頭磨蝕嚴(yán)重，高位彎頭磨蝕率較小。因此，在氣力輸送管線彎頭布置中，低位彎頭可選用耐磨材質(zhì)彎頭，高位彎頭選用一般材質(zhì)彎頭，以達(dá)到降低成本的目的。

圖10 不同工況下彎頭最大磨蝕速率(20～40目)

4.2 彎頭壽命預(yù)測(cè)

根據(jù)不同工況下試驗(yàn)臺(tái)架管線彎頭最大磨蝕率計(jì)算結(jié)果，利用磨蝕率可以對(duì)管線模型壽命做線性評(píng)估預(yù)測(cè)，磨蝕壽命線性預(yù)測(cè)公式為：

(2)

(3)

(4)

4種工況下11個(gè)彎頭的壽命預(yù)測(cè)結(jié)果如表4所示。由表4可以看出，工況1彎頭9的壽命最短為32 688 h，工況2彎頭6的壽命最短為15 159 h，工況3彎頭7的壽命最短為7 894 h，工況4彎頭6的壽命最短為3 877 h。支撐劑氣力輸送屬于間歇式輸送，通常一次輸送過程中支撐劑在管線中運(yùn)行時(shí)間占總時(shí)間的55%左右，其它的時(shí)間為進(jìn)料及管線吹掃作業(yè)過程，按照輸送系統(tǒng)每日24 h作業(yè)，工況2(最貼近實(shí)際工況)中彎頭最短壽命計(jì)算可以達(dá)到38.3個(gè)月。

表4 不同工況11個(gè)彎頭壽命預(yù)測(cè)

4.3 試驗(yàn)結(jié)果

為了查看彎頭內(nèi)部磨蝕情況，在試驗(yàn)臺(tái)架進(jìn)行了233 h(支撐劑實(shí)際輸送時(shí)間125 h)試驗(yàn)之后，將彎頭6剖開，如圖11所示，發(fā)現(xiàn)彎頭內(nèi)部毛刺被磨蝕，但彎頭內(nèi)壁氧化層完好沒有明顯磨蝕軌跡。通過對(duì)比試驗(yàn)前后的測(cè)厚數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)彎頭的厚度沒有變化。通過數(shù)值仿真結(jié)果分析，在本工況下彎頭6磨蝕量為0.05 mm，未達(dá)到所用測(cè)厚儀的分辨率，與試驗(yàn)結(jié)果相一致，表明數(shù)值仿真壽命預(yù)測(cè)具有一定的可靠性。

圖11 6號(hào)彎頭磨蝕結(jié)果

5 結(jié)論

1) 搭建了壓裂支撐劑氣力輸送試驗(yàn)臺(tái)架，通過壓裂支撐劑的密相氣力輸送試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，壓裂支撐劑在直管道中能順利通過，在彎頭處具有一定的沖擊振動(dòng)，但整個(gè)管線中沒有出現(xiàn)任何堵塞現(xiàn)象，表明壓裂支撐劑采用密相氣力輸送是可行的。

2) 通過支撐劑氣力輸送數(shù)值仿真發(fā)現(xiàn)，支撐劑在彎頭處向外打旋，速度越大，打旋幅度越大；在相同工況下，各彎頭的磨蝕率不同，因此在氣力輸送管線彎頭布置時(shí)，可依據(jù)仿真結(jié)果選用不同材質(zhì)的彎頭，降低生產(chǎn)成本；隨著支撐劑速度的增大，最大磨蝕率也增大，且增大幅度影響顯著，各工況中磨蝕率較大的位置均在彎頭入彎處約15°左右位置。

3) 根據(jù)仿真分析結(jié)果可得出，工況2(貼近實(shí)際工況)下彎頭6的磨蝕最嚴(yán)重，磨蝕壽命為15 159 h，按照實(shí)際作業(yè)工況進(jìn)行計(jì)算，其工作壽命可達(dá)到38.3個(gè)月。

4) 臺(tái)架試驗(yàn)后，將彎頭6剖開可以看出，彎頭內(nèi)部毛刺被磨蝕，但彎頭內(nèi)壁氧化層完好，沒有明顯磨蝕軌跡。對(duì)比試驗(yàn)前后的測(cè)厚數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)彎頭的厚度幾乎沒有變化，與仿真結(jié)果相吻合，表明彎頭數(shù)值仿真壽命預(yù)測(cè)具有一定的可靠性。