水力喷射压裂工具材料的冲蚀性能研究

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近年来,随着大规模压裂技术在页岩气、致密油气以及低渗、超低渗透油气田的推广实施,水力喷射压裂过程中砂含量和泵的排量变得越来越大,压裂工具将不可避免的承受液固两相流高速冲蚀作用。本文对水力喷射压裂工具常用材料35Cr Mo和钴基合金进行了抗冲蚀性能的研究。利用喷射式实验装置研究了35Cr Mo材料和钴基合金材料在0.2%的羟丙基瓜尔胶溶液和石英砂组成的液、固两相流体中的冲蚀规律,利用失重法计算冲蚀速率并结合扫描电镜对冲蚀形貌进行了分析。实验结果表明:35Cr Mo材料的冲蚀速率随冲击角度的增加先增大后减小,冲刷溶液的冲击角度为45°时,35Cr Mo试样表面冲蚀磨损最严重;35Cr Mo材料和钴基合金材料的冲蚀速率随流速的增加均增大,但是35Cr Mo的增长趋势比钴基合金的更加明显;35Cr Mo材料冲蚀速率随入射流体流速增高过程中存在临界值,此临界速率大约为8.2m/s,当流速高于此临界值时,冲蚀速率随入射流速增高而迅速上升;石英砂含量在50kg/m3~100kg/m3内,35Cr Mo材料的冲蚀速率随着砂含量的增加而增大,当砂含量达到100kg/m3时,冲蚀速率达到最大,随着石英砂含量的继续增加,35Cr Mo材料冲蚀速率开始趋于稳定,钴基合金材料的冲蚀速率随着砂含量的增加稳定缓慢增加。液固混合溶液对35Cr Mo材料的冲蚀作用主要表现为机械冲刷磨损,材料的损伤机理为“微切削”与“冲击锻打”两种机理并存,小角度入射时以微切削为主,大角度入射时以冲击锻打为主。钴基合金的损失形式表现为石英砂的不断冲击使材料表面形成疲劳裂纹,在随后的冲蚀过程中裂纹扩展,进而导致材料损失。
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