水力噴砂壓裂工具噴嘴磨損分析

李 智,胥 云,王振鐸,陳 作,張光偉

(1.西安石油大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,西安710065;2.中國石油勘探開發(fā)研究院廊坊分院,河北廊坊 065007)

水力噴砂壓裂工具噴嘴磨損分析

李 智1,胥 云2,王振鐸2,陳 作2,張光偉1

(1.西安石油大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,西安710065;2.中國石油勘探開發(fā)研究院廊坊分院,河北廊坊 065007)

分析了水力噴砂壓裂工具噴嘴磨損的機(jī)理。水力噴砂射流對噴嘴的磨損主要是噴砂射流中砂粒對噴嘴內(nèi)壁材料的沖蝕磨損。砂粒對噴嘴內(nèi)壁面沖蝕磨損作用的形式包括微切削磨損、疲勞磨損、脆性斷裂磨損及擴(kuò)散磨損等。研究表明:噴嘴材料的微觀組織結(jié)構(gòu)及物理力學(xué)性能、噴嘴內(nèi)流道結(jié)構(gòu)形狀及幾何參數(shù)、噴嘴內(nèi)表面粗糙度、噴砂射流中砂粒濃度、砂粒特性(硬度、粒度、形狀等)及射流工作參數(shù)(射流壓力等)對于噴嘴的磨損都有影響。提出了耐磨材料選擇,噴嘴內(nèi)流道結(jié)構(gòu)優(yōu)化等延長噴嘴壽命的措施。

壓裂;水力噴嘴;噴砂射流;磨損

Abstract:Abrasion mechanism on nozzle of hydraulic sandblast fracturing tools was analyzed.In the hydraulic sandblasting process,the nozzle inner wall was mainly worn down by sand erosion.There are several forms of erosion effect as follow:micro-cutting wear,stress fatigue wear,brittle fracture wear,diffusion wear etc.Studies show that wear of nozzle was affected by many factors,such as the microstructure of the nozzle material,its physical properties and mechanical properties,the shape parameters and geometric parameters of the nozzle inner passageway,the inner surface roughness of the nozzle,sand concentration in abrasive water jet,characteristics of sand(rigidity,particle sizes,shape etc.)and jet operating parameter(jet pressure etc.).Some advices which aimed to enhance the nozzle’s lifespan such as choosing anti-friction material and optimizing nozzle passageway shape are proposed.

Key words:fracturing;hydraulic nozzle;abrasive water jet;wear

水力噴砂壓裂中的噴砂射流技術(shù)是在管柱中加入砂粒再經(jīng)由噴嘴噴出形成噴砂射流,利用砂粒的沖擊力以提高射流切割、破碎巖石的能力。這是近年發(fā)展起來的一項(xiàng)低滲油氣儲層改造技術(shù),具有廣闊前景[1]。在此技術(shù)中,噴嘴居于關(guān)鍵元件的地位,其執(zhí)行效果對于整個射流工作效果至關(guān)重要。然而由于噴砂射流對噴嘴的作用,致使噴嘴較易磨損破壞,壽命較短,這降低了水力噴砂射流技術(shù)在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用效果,影響了進(jìn)一步推廣使用。因此,國內(nèi)外針對噴嘴磨損都開展了一些相關(guān)研究。

1 砂粒對噴嘴內(nèi)壁面的沖蝕作用

噴嘴的磨損是噴砂射流對噴嘴內(nèi)壁作用的結(jié)果。一般認(rèn)為噴嘴內(nèi)表面因磨損而產(chǎn)生的宏觀體積損失是由單個砂粒沖擊所造成的材料微觀體積損失累積形成。砂粒對噴嘴內(nèi)表面的沖蝕磨損主要包括微切削磨損、疲勞磨損、脆性斷裂磨損3種形式。3種磨損形式雖然同時發(fā)生但由于噴嘴材料的特性、砂粒的特性不同導(dǎo)致沖擊后的應(yīng)力狀態(tài)不同,3種磨損形式所占的比例是不同的。

1.1 微切削磨損

砂粒在噴嘴內(nèi)部流道中的運(yùn)動可分解為沿其所在處壁面法線方向的運(yùn)動及沿著壁面切線的運(yùn)動。如果噴嘴材料的硬度低于砂粒材料硬度,則砂粒以小角度撞擊內(nèi)壁時會在法線方向切入噴嘴內(nèi)壁一定深度,而在切線方向則會切割一段距離。效果類似于在噴嘴的內(nèi)壁上進(jìn)行切削,叫做微切削磨損。結(jié)果使噴嘴內(nèi)壁材料被切削掉,造成噴嘴內(nèi)徑擴(kuò)大。

1.2 疲勞磨損

如果砂粒材料的硬度低于噴嘴材料硬度,則當(dāng)砂粒以較大的沖蝕角碰撞在噴嘴內(nèi)壁面上,會使噴嘴內(nèi)壁面發(fā)生較大變形,由于砂粒的反復(fù)碰撞,再加上水射流的持續(xù)沖擊,致使噴嘴內(nèi)表面材料硬化,其表面微裂紋擴(kuò)展或使新的裂紋逐漸形成并擴(kuò)展,直至應(yīng)力超過材料強(qiáng)度極限,表面部分組織脫落基體,稱為疲勞磨損。

1.3 脆性斷裂磨損

對于硬度較高的脆性材料噴嘴,其內(nèi)壁表面在受到硬度較高而粒度較大的砂粒碰撞沖擊時產(chǎn)生縱向及橫向的裂紋。水射流隨后沿裂紋產(chǎn)生擠入壓裂作用,導(dǎo)致裂紋不斷擴(kuò)展。當(dāng)2種裂紋相連時形成碎片并斷裂,自噴嘴內(nèi)表面剝離,稱為脆性斷裂磨損。

另外,砂粒在噴嘴流道內(nèi)高速運(yùn)動,其中部分砂粒與噴嘴內(nèi)壁劇烈摩擦產(chǎn)生大量熱量,而水起到冷卻降溫作用帶走一部分熱量致使產(chǎn)生局部溫差及熱應(yīng)力場,導(dǎo)致熱剝離。其余熱量使噴嘴內(nèi)壁表面微觀組織產(chǎn)生化學(xué)活潑性并擴(kuò)散到水流中,導(dǎo)致噴嘴內(nèi)壁部分表面的化學(xué)成分發(fā)生變化,這也降低了噴嘴材料的性能,加劇了磨損,叫做擴(kuò)散磨損。

2 影響噴嘴耐磨性的因素

大量研究表明噴嘴的磨損規(guī)律相當(dāng)復(fù)雜,受到多方面因素影響。可從噴嘴自身因素及噴砂射流因素2方面來考察。一般將噴嘴磨損后的體積或質(zhì)量變化及噴嘴內(nèi)表面形狀的改變作為衡量噴嘴磨損的主要參數(shù)。

2.1 噴嘴本身的因素

2.1.1 材料

目前常用來制造射流噴嘴的材料主要有工具鋼、陶瓷、硬質(zhì)合金、人造寶石、金剛石等。材料的微觀組織結(jié)構(gòu)以及硬度、韌度等物理力學(xué)性能都對其耐磨性有重要影響。

a) 微觀組織結(jié)構(gòu) 噴嘴的微觀組織與其耐磨性能緊密相關(guān)。試驗(yàn)對比發(fā)現(xiàn)國產(chǎn)WC硬質(zhì)合金噴嘴由于組織顆粒的邊界分明因而粒子間結(jié)合強(qiáng)度不高,導(dǎo)致在射流所攜帶顆粒的沖擊下,噴嘴流道中的粉末顆粒容易被剝落,而國外WC材料以結(jié)晶態(tài)存在,制作的噴嘴耐磨性能遠(yuǎn)高于國產(chǎn)噴嘴[2]。并由此得出結(jié)論:通過冶金形核長大的粗大顆粒,在高壓下形成的組織具有良好的耐磨性能。

b) 材料物理力學(xué)性能 噴嘴材料的各種物理力學(xué)性能不同則其抗磨損性能也不同。沖蝕磨損的體積損失可以用下式表述為[3]

式中,v0為砂粒的沖擊速度;r為砂粒的半徑;ρ為砂粒的密度;KIC為噴嘴材料的斷裂韌性;Hm為噴嘴材料的硬度。

由上式可知,磨損體積W與材料硬度Hm為負(fù)相關(guān),即噴嘴材料的硬度愈高則材料的體積損失愈小。因此,材料硬度愈高則耐磨性愈好。

關(guān)于材料韌性對沖蝕磨損的影響,通過對比硬質(zhì)合金及陶瓷等材料所制噴嘴的沖蝕磨損特征可知金屬材料與陶瓷材料的沖蝕磨損機(jī)理不同[4],金屬材料的韌度高于陶瓷材料,多數(shù)金屬材料表現(xiàn)出更明顯的塑性沖蝕特征而陶瓷材料表現(xiàn)出較強(qiáng)的脆性沖蝕特征,它們的沖蝕率差別很大,YT15硬質(zhì)合金的沖蝕率比B4C陶瓷高一個數(shù)量級。這說明材料硬度對抗沖蝕的貢獻(xiàn)要比斷裂韌性大。

通常,對于材料硬度較高的噴嘴主要表現(xiàn)出應(yīng)力疲勞斷裂和脆性斷裂;而對于材料硬度低而韌性高的噴嘴,主要表現(xiàn)出微切削。

2.1.2 內(nèi)流道結(jié)構(gòu)形狀及幾何參數(shù)

常見的水力噴砂壓裂用噴嘴內(nèi)流道形狀有圓錐型、錐直型(圓錐形收縮段加圓柱形加速段)、流線型、等變速型等形式,如圖1所示。筆者通過模擬仿真不同種類噴嘴,對比發(fā)現(xiàn)在水力噴砂射流系統(tǒng)中,等變速型噴嘴優(yōu)于流線型噴嘴,流線型噴嘴優(yōu)于錐直型噴嘴,錐直型噴嘴優(yōu)于圓錐型噴嘴。目前錐直型噴嘴應(yīng)用廣泛,重要的幾何參數(shù)有收縮角α、出口直徑d、加速段長度l和噴嘴長度L,以及長頸比l/d,如圖2所示。

圖1 噴嘴流道結(jié)構(gòu)形狀

圖2 錐直型噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)

噴嘴的出口直徑一般由射流的流量及壓力決定,當(dāng)流量不變時,如果縮小出口直徑,壓力及流速會變大,這會增大砂粒的沖擊動能,使得出口段的磨損增加。增大射流噴嘴直徑也會增加質(zhì)量磨損,不過此時內(nèi)表面損失減小,因此應(yīng)選取最佳的噴嘴直徑[5]。通過對不同收縮角噴嘴流場的數(shù)值模擬得出結(jié)論:對于錐形噴嘴,收縮角越小,流動越穩(wěn)定,紊流耗散越少,對噴嘴的磨損就少[6]。噴嘴的直圓柱段起到整流作用,其長徑比是指噴嘴圓柱段長度與出口直徑之比,這是影響磨損的一個重要參數(shù),丁毓峰等[7]通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),長徑比越小的噴嘴磨損越快。但長徑比過大也會增加射流沿途磨阻,一般長徑比在3～5之間。同樣,Madhusarathi Nanduri和David G.Taggart等[8]也通過試驗(yàn)研究指出:增加噴嘴長度可減小其出口磨損率,原因在于延長了磨損曲線到達(dá)出口的路徑;噴嘴入口角對內(nèi)流道磨損有直接影響,當(dāng)入口收縮角減小時,出口磨損率線性減少。

2.1.3 內(nèi)表面粗糙度

噴嘴內(nèi)壁表面在微觀上的凸起對噴砂射流產(chǎn)生很大的沖擊阻力。砂粒對凸起的突出部分沖擊,造成表面微裂紋擴(kuò)展,加快了噴嘴的磨料磨損。因此降低內(nèi)壁面粗糙度有助于減少摩擦。

2.2 噴砂射流的影響

2.2.1 砂粒

水力噴砂壓裂中常使用石英砂、石榴石等。砂粒對噴嘴材料的沖蝕是造成磨損的主要原因,因而砂粒的種類、形狀、粒度、硬度等都對噴嘴磨損有重大影響。

a) 砂粒濃度 在砂粒粒度一定的條件下,射流中所含砂粒濃度越高,砂粒數(shù)目就越多,相應(yīng)參與碰撞沖擊噴嘴內(nèi)壁的砂粒數(shù)目越多,則磨損越嚴(yán)重,內(nèi)壁材料的磨損量也與射流所含砂粒的數(shù)量成正比。但若含砂粒數(shù)量過大,使砂粒自由運(yùn)動空間嚴(yán)重受限,磨損反而會減小。

b) 砂粒材料的硬度 噴嘴的磨損在相當(dāng)程度上取決于噴嘴材料硬度與砂粒硬度的相對大小。因此砂粒硬度是影響噴嘴磨損的重要因素。當(dāng)砂粒硬度小于噴嘴硬度時,顆粒無法切入材料,噴嘴以疲勞磨損為主要形式,磨損程度較輕;當(dāng)砂粒硬度與噴嘴硬度大致相當(dāng)時,處在過渡階段,磨損明顯加大;而當(dāng)砂粒硬度大于噴嘴硬度時,其對噴嘴材料的切割能力也增大,以微切削為主磨損嚴(yán)重。相關(guān)研究顯示若進(jìn)一步提高砂粒硬度可明顯提高噴嘴材料磨損量,兩者成正指數(shù)相關(guān)。

c) 砂粒的尺寸 砂粒大小對噴嘴材料磨損也有明顯影響。當(dāng)砂粒很小時,其本身具有的動能小,對材料的沖擊力小,造成的變形以彈性變形為主,幾乎不發(fā)生磨損;當(dāng)砂粒粒度超過一定界限,其沖擊力足以造成材料的斷裂而發(fā)生磨損,粒度進(jìn)一步增大,會造成更大的切入深度或更嚴(yán)重的材料表面損傷,即磨損越嚴(yán)重,兩者成正相關(guān)指數(shù)關(guān)系。當(dāng)粒度增大到一定程度,由于材料的受力面積也相應(yīng)增大,則磨損隨粒度的繼續(xù)增大而緩慢增大,稱為尺寸效應(yīng)。

d) 砂粒的形狀 砂粒形狀大致可分為圓角形,棱角形,尖角形。尖角形對材料沖擊時由于接觸面積小應(yīng)力大,因而最易于切入材料,最易造成材料破壞。砂粒外形可用形狀系數(shù)(相同體積圓球表面積與砂粒實(shí)際表面積之比)來表征,形狀系數(shù)越接近1,說明砂粒外形越接近球狀,其對材料的磨損就越小;而形狀系數(shù)越小,說明砂粒外形越尖銳、粗糙,對材料的磨損越大。

2.2.2 射流參數(shù)

射流的工作壓力及砂粒速度均對磨損有重要影響,當(dāng)壓力、速度變大時,磨損量會顯著上升。以脆性材料為例,其沖蝕量計(jì)算公式[4]為

式中,W為材料沖蝕量;K為與噴嘴材料物理性能有關(guān)的系數(shù);γ為由砂粒粒度確定的系數(shù);a為與砂粒形狀有關(guān)的系數(shù);b為與噴嘴材料缺陷有關(guān)的系數(shù)。

可知當(dāng)噴嘴材料和砂粒種類確定后,沖蝕量就由砂粒的速度來決定。

砂粒的沖擊速度計(jì)算式為

式中,wa為砂粒供給量;rw為水的密度;vw為水射流速度;Q為水的流量。

水射流速度與壓力成指數(shù)關(guān)系,計(jì)算式為

式中,p為水射流壓力;g為重力加速度。

由此可知沖蝕磨損量與壓力成正相關(guān),當(dāng)壓力增高時,砂粒的沖擊動能變大且噴嘴流道的沖擊頻率升高,使得噴嘴的磨損加劇。

3 提高噴嘴壽命的措施

從上面的討論可知,噴嘴磨損的影響因素主要有噴嘴材料、結(jié)構(gòu)、幾何參數(shù)及噴砂射流的壓力、砂粒的物理性能及其速度等。但噴砂射流的工作參數(shù)關(guān)系到射流工作效果,因而目前減少磨損提高壽命的研究大多集中在噴嘴的選材及結(jié)構(gòu)參數(shù)方面。

對噴砂射流噴嘴材料的研究,傳統(tǒng)的方法是提高材料的硬度,例如表面強(qiáng)化技術(shù),或表面涂覆一層耐磨材料,以提高其耐磨性;或在加工制造時提高內(nèi)壁面的光潔度,達(dá)到減磨效果。隨著科技的發(fā)展,新的材料也不斷用在噴嘴制造上,例如使用先進(jìn)的復(fù)合碳化物材料制作噴嘴,其材料密度與硬質(zhì)合金相差不大但壽命卻提高數(shù)十倍。針對陶瓷噴嘴在出口及入口處的高壓力狀態(tài),研制了對稱型層疊陶瓷噴嘴,由于材料中殘余壓應(yīng)力的存在,細(xì)化了晶粒,提高了材料表層的硬度和斷裂韌性,使得疊層陶瓷噴嘴抗沖蝕磨損能力極大提高[9]。劉莉莉[10]等采用熱壓燒結(jié)工藝制備SiC/(W,Ti)C梯度陶瓷噴嘴材料,通過控制材料的成分分布以實(shí)現(xiàn)其力學(xué)性能的合理梯度變化,將材料制備過程中產(chǎn)生的殘余壓應(yīng)力引入噴嘴入口以提高噴嘴入口的力學(xué)性能,由于梯度陶瓷噴嘴應(yīng)力狀態(tài)的改善及其力學(xué)性能提高的緣故,其抗沖蝕磨損性能較非梯度陶瓷噴嘴材料顯著提高。

國內(nèi)外一些學(xué)者通過數(shù)字模擬及試驗(yàn)方法設(shè)計(jì)新型的噴嘴內(nèi)流道,取得了好的效果。噴嘴內(nèi)流道形狀和幾何參數(shù)是影響射流結(jié)構(gòu)及動力特性的主要因素,當(dāng)工作壓力、流量等參數(shù)一定時,改變噴嘴的內(nèi)部形狀及幾何參數(shù)是優(yōu)化噴嘴結(jié)構(gòu)、增加砂粒速度、提高射流作用效果的主要手段。丁毓峰[7]等通過試驗(yàn)分析指出兩級收縮噴嘴性能優(yōu)于單級收縮噴嘴。

4 結(jié)論

1) 噴嘴材料、結(jié)構(gòu)形狀、內(nèi)壁面粗糙度、射流壓力及砂粒濃度、硬度、粒度、形狀等對噴嘴磨損均有影響。提高噴嘴材料硬度,改進(jìn)內(nèi)流道結(jié)構(gòu)形狀設(shè)計(jì),提高內(nèi)表面光潔度,在滿足工作要求的條件下選擇合適的射流工作參數(shù)及砂粒參數(shù),可以減輕噴嘴磨損,延長其使用壽命。

2) 開發(fā)、選用新型耐磨材料,例如金屬陶瓷、梯度功能材料、納米陶瓷、復(fù)合碳材料等來制造噴嘴,用試驗(yàn)及計(jì)算機(jī)模擬的方法來優(yōu)化設(shè)計(jì)噴嘴內(nèi)流道結(jié)構(gòu)形狀,開發(fā)新的噴嘴內(nèi)孔加工技術(shù)以提高其內(nèi)壁面光潔度,都是未來水力噴砂射流噴嘴研究的重點(diǎn)。

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Analysis on Nozzle Wear of Hydraulic Sandblast Fracturing Tools

LI Zhi1,XU Yun2,WANG Zhen-duo2,CHEN Zuo2,ZHANG Guang-wei1
(1.School of Mechanical Engineering,Xi’an Shiyou University,Xi’an710065,China;2.Langfang Branch,CN PC Exploration and Development Research Institute,Langfang065007,China)

TE934.2

A

1001-3482(2010)11-0025-04

2010-05-08

國家科技重大專項(xiàng)“低滲、特低滲油氣田經(jīng)濟(jì)開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)”(2008ZX05013)。

李 智(1975-),男,陜西西安人,碩士研究生,主要從事水力噴砂壓裂工具結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究,E-mail:qvxiangsheng@163.com。