VES磨料浆体射流冲蚀性能研究

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磨料浆体是将一定比例的磨料、添加剂与水混合制成的具有良好悬浮稳定性的非牛顿流体。该浆体经过喷嘴加速可形成集束性强、施工连续、冲蚀效率高的射流束,即磨料浆体射流(Abrasive slurry jet,简称ASJ)。粘弹性表面活性剂(Viscoelastic surfactant,简称VES)在反离子作用下可形成内部具有三维交缠的网状结构,俗称“活聚合物”。相比于传统的高分子聚合物,采用VES形成的磨料浆体优点在于低摩阻、高携砂、环境友好,并且机械降解后可恢复,在石油钻井和压裂领域具有诱人的前景。本文以十八烷基三甲基氯化铵(Octadecyl Trimehyl Ammonium Chloride,简称OTAC)和反离子盐水杨酸钠(Na Sal)混合形成VES作为磨料浆体添加剂。采用静态可视化观测方法研究磨料浆体稳定性,利用MCR 302控制应力流变仪研究流体的稳态剪切和动态粘弹性流变特性。实验表明,质量分数为0.7%OTAC/0.14%Na Sal与1%Si O2颗粒体系的浆体稳定性较好,储能模量高于损耗模量,体系弹性占主导。运用最小二乘法对稳态剪切流变实验数据进行拟合,优选出Cross非牛顿本构方程作为流体的流变模型。利用自制的淹没式射流冲蚀实验装置,以304不锈钢为靶材,对比研究了磨料水射流和VES磨料浆体射流冲蚀机理。研究表明,在消耗相同泵功率条件下,VES磨料浆体射流流速显著高于磨料水射流。同一流速下,VES磨料浆体携砂能力优于磨料水射流,且流速越高,VES磨料浆体的携砂能力越强。射流流速为11.36m/s时,磨料浆体射流的冲蚀速率约为磨料水射流的1.2倍。基于欧拉-拉格朗日多相流数值方法,采用离散相模型(Discrete Phase Model,简称DPM),研究VES磨料浆体射流冲蚀行为。并编制用户自定义函数(UDF)提取近壁面处(距靶材表面150μm处)颗粒撞击速度、撞击数目、撞击角度。靶材的平均冲蚀速率随浆体流速的增大呈指数型增长,在距射流滞止点x=5.0mm处冲蚀速率达到最大值。基于浓度配比为0.7%OTAC/0.14%Na Sal的VES体系流变数据,研究Cross流体流变参数变化对VES磨料浆体射流冲蚀性能的影响。结果表明,减小零剪切粘度和流动指数,增加松弛时间,可增加磨料浆体射流冲蚀速率,靶材最大冲蚀位置沿径向位置向射流边缘外移。根据射流冲蚀实验,结合模拟结果,在E/CRC Zhang模型基础上,建立适用于VES磨料浆体射流的冲蚀模型,并分析了模型中速度因子与携砂因子与VES流变参数之间的关系。用其他实验工况进行模型验证,表明所建立的冲蚀模型可预测以VES作为添加剂的磨料浆体射流冲蚀性能,为VES磨料浆体射流在破岩钻井和压裂射孔等石油钻采领域的应用提供依据。
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