才忠杰 ，呂會敏 ，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.中石化四機石油機械有限公司，湖北 荊州 434000 ；3.長江大學 機械工程學院，湖北 荊州 434023)

隨著我國部分海洋油氣井開采進入末期，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)備放置在海洋平臺上，另一種是將電動壓裂作業(yè)設(shè)備集中在船舶上[1-2]。采用壓裂作業(yè)船進行壓裂作業(yè)相對于其它作業(yè)方式具有作業(yè)高效、設(shè)備移運方便、作業(yè)周期短和不占用海洋平臺面積及儲存空間等優(yōu)勢[3-5]。根據(jù)壓裂作業(yè)船儲存空間的特點，壓裂支撐劑通常儲存于船艙底部或儲罐內(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)計了氣力輸送試驗臺架，開展了壓裂支撐劑的氣力輸送試驗，驗證了壓裂支撐劑氣力輸送的可行性，并采用CFD軟件對壓裂支撐劑輸送過程進行了數(shù)值仿真，在此基礎(chǔ)上對輸送管線彎頭磨蝕壽命進行了預測。

1 壓裂支撐劑氣力輸送試驗

1.1 試驗臺架設(shè)計

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，從而導致輸送能耗也較大、物料容易破碎、輸送管線和彎頭會產(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、輸送物料幾乎不會破損、輸送管線及彎頭磨蝕較小等優(yōu)勢，但其供氣壓力相對較高、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)特點和空間要求，壓裂支撐劑輸送時水平距離25 m，高度15 m，彎頭數(shù)目不少于10個，采用密相氣力輸送比較合適。為了驗證壓裂支撐劑密相氣力輸送的可行性，結(jié)合試驗中壓裂支撐劑可循環(huán)性設(shè)計了氣力輸送試驗臺架，圖1為循環(huán)輸送方案，圖2為實物試驗臺架。

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臺架

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

圖3 試驗臺架工作流程

1.2 試驗方案

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

表1 試驗主要參數(shù)

利用試驗臺架進行了233 h的試驗，且每隔20 h進行了關(guān)機重啟，通過試驗可以發(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，但在整個管線中沒有出現(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 試驗臺架管線模型

2.1 試驗臺架管線幾何模型

根據(jù)試驗臺架管線的實際幾何尺寸(如表2所示)建立了其幾何模型，并對彎頭按照從支撐劑入口至出口的順序進行了編號，如圖4所示。

表2 輸送管線及彎頭的幾何參數(shù)

圖4 試驗臺架管線幾何模型

2.2 網(wǎng)格劃分

進行磨蝕仿真，由于壁面網(wǎng)格精度要求較高，因此采用Inflation方法對管線模型進行網(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，然后在FLUENT軟件里進行多面體網(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

通過對支撐劑在管線中的運行速度測量，可得支撐劑的運動速度為2.5 m/s左右，因此在數(shù)值模擬時選用了2.0、2.5、3.0、3.5 m/s 4種速度進行分析。在試驗時支撐劑粒徑采用的是20～40目，因此在數(shù)值模擬時在該目數(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軟件對支撐劑管線磨蝕磨損現(xiàn)象進行仿真模擬，F(xiàn)LUENT中磨蝕率的定義為：單位時間及單位面積內(nèi)管線內(nèi)壁材料因磨蝕磨損而丟失的質(zhì)量。FLUENT將磨蝕細分為3個階段：①流體牽引粒子運動，計算其牽引力；②對粒子運動、撞擊情況進行分析，計算其軌跡；③由材料表面的磨蝕分布及損失質(zhì)量，計算出磨蝕率的大小。

磨蝕率計算模型為

(1)

3.3 分析參數(shù)設(shè)置

根據(jù)磨蝕理論，試驗臺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；同時添加注入相時，設(shè)置注入形式為從入口面進入，根據(jù)表3設(shè)置不同的支撐劑運動速度，不同直徑支撐劑數(shù)目呈正態(tài)分布。設(shè)置Normal項輸入法向反彈系數(shù)值，Tangent項輸入切向反彈系數(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。計算方法采用多相耦合算法，二階迎風格式，初始化后，進行仿真計算。

4 結(jié)果分析

本文對支撐劑輸送試驗臺架進行CFD仿真，從彎頭磨蝕規(guī)律以及試驗臺架彎頭壽命預測2個方面進行分析。

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以及各個彎頭最大磨蝕位置。圖6～9為支撐劑不同輸送速度時彎頭6的磨蝕軌跡。

圖6 支撐劑速度為2 m/s時彎頭6磨蝕軌跡

圖7 支撐劑速度2.5 m/s時彎頭6磨蝕軌跡

圖8 支撐劑速度3 m/s時彎頭6磨蝕軌跡

圖9 支撐劑速度3.5 m/s時彎頭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動方向發(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。因為彎頭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，因為彎頭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，導致磨蝕率降低。同時，隨支撐劑速度增大，各個彎頭的磨蝕率均呈現(xiàn)明顯上升趨勢，主要是因為支撐劑作為離散注入項，跟隨氣相一起運動，且具有很強的跟隨性。且在運動過程中，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，由于支撐劑的運動速度增大，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，均導致彎頭的磨蝕率迅速增大，最終導致支撐劑速度對彎頭磨蝕速率影響明顯。

垂直輸送時，低位輸送彎頭磨蝕嚴重，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 彎頭壽命預測

根據(jù)不同工況下試驗臺架管線彎頭最大磨蝕率計算結(jié)果，利用磨蝕率可以對管線模型壽命做線性評估預測，磨蝕壽命線性預測公式為：

(2)

(3)

(4)

4種工況下11個彎頭的壽命預測結(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行時間占總時間的55%左右，其它的時間為進料及管線吹掃作業(yè)過程，按照輸送系統(tǒng)每日24 h作業(yè)，工況2(最貼近實際工況)中彎頭最短壽命計算可以達到38.3個月。

表4 不同工況11個彎頭壽命預測

4.3 試驗結(jié)果

為了查看彎頭內(nèi)部磨蝕情況，在試驗臺架進行了233 h(支撐劑實際輸送時間125 h)試驗之后，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。通過對比試驗前后的測厚數(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，未達到所用測厚儀的分辨率，與試驗結(jié)果相一致，表明數(shù)值仿真壽命預測具有一定的可靠性。

圖11 6號彎頭磨蝕結(jié)果

5 結(jié)論

1) 搭建了壓裂支撐劑氣力輸送試驗臺架，通過壓裂支撐劑的密相氣力輸送試驗發(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，但整個管線中沒有出現(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，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(貼近實際工況)下彎頭6的磨蝕最嚴重，磨蝕壽命為15 159 h，按照實際作業(yè)工況進行計算，其工作壽命可達到38.3個月。

4) 臺架試驗后，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。對比試驗前后的測厚數(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)值仿真壽命預測具有一定的可靠性。