套管钢在水力喷砂压裂液中的冲刷腐蚀行为研究.pdf

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1、176化工机械2015篮套管钢在水力喷砂压裂液中的冲刷腐蚀行为研究+孙丽丽料1王尊策1孙振旭2王勇1(1．东北石油大学机械科学与工程学院；2．中国石油集团长城钻探工程有限公司工程技术研究院)摘要以油田常用套管钢(P110、N80和J55)为研究对象，以水力喷砂压裂液为介质，借助自制管道冲刷腐蚀模拟测试实验台，研究套管钢在水力喷砂压裂液中的冲刷腐蚀行为，分析冲刷时间、含砂量、流速、冲击角度和KCl含量对其冲刷腐蚀行为的影响规律。结果表明：硬度是决定套管钢喷射冲刷腐蚀速率的主要因素，N80钢硬度高冲刷腐蚀速率最低，P110钢居中，J55次之；随着冲刷时间、含砂量、流速和

2、KCl含量的增加，套管钢冲刷腐蚀速率增加，含砂量和流速极大地增加了冲刷腐蚀过程中的机械冲刷作用，而KCl则增加了其中的腐蚀过程；喷射冲刷腐蚀敏感冲击角度为30。；冲刷腐蚀后表面以带有飞边的压痕形貌为主，冲刷腐蚀机理主要为压痕机制。关键词套管钢水力喷砂压裂冲刷腐蚀中图分类号TQ050．9+1文献标识码A文章编号0254石094(2015)02-0176_05压裂是利用水力作用使油气层形成裂缝，把高压大排量且具有一定粘度的液体挤入油气层，在所形成的裂缝中充填支撑剂(如石英砂、陶粒等)，人为增加油气流动的通道，提高油气层的渗透能力和产量¨o。水力喷砂压裂是目前改善低渗透油

3、藏的主要开发手段，是提高低渗透油田采收率的有效措施之一。目前，水力喷砂压裂技术已广泛应用于大庆油田、长庆油田及吐哈油田等，用于改造低渗透油井，提高产能嵋。。在水力喷砂压裂过程中，由于压裂液中含有高浓度的固体颗粒，压裂速度高，对压裂工具及外围套管等产生了极大的冲刷腐蚀或冲刷磨损破坏。近年来，为提高压裂效率，油田压裂施工设计趋向于高压和大砂量，常用的携砂液排量可达到3．5m3／min左右，平均砂比将近20％(体积比)，压裂压力普遍在20—40MPa左右，个别实验区域甚至达到将近100MPa。目前国内压裂工具与国外还存在较大差距，在如此恶劣的工况下冲刷腐蚀现象极为严重，局

4、部冲刷腐蚀恶劣部位往往导致压裂工具失效，极大限制了压裂施工的安全运行¨qo。因此，深入研究水力喷砂压裂液对压裂工具和套管的冲刷腐蚀破坏机理，不仅可为压裂工具的优化设计提供有效的理论依据，对于延长其使用寿命及提高压裂施工成功率等都具有非常重要的现实意义，同时又具有良好的经济效益和应用前景。冲刷腐蚀是由电化学腐蚀和机械冲刷过程所引起的一种材料加速破坏形式，广泛存在于石油工业、电力及化工等行业。套管钢在传统含氯介质中的冲刷腐蚀行为已取得一定认识H’5o。截止目前，关于套管钢在压裂液中冲刷腐蚀行为的研究并没有相关的报道。笔者以水力喷砂压裂过程所涉及的套管钢为对象，研究不同套

5、管钢在水力喷砂压裂液中的冲刷腐蚀行为，分析材料、冲击时}国家科技支撑计划资助项目(2012BAH28F03)，国家火炬计划(2013GH530190)，黑龙江省自然科学基金项目(QC2013C056)，黑龙江省教育厅科学技术研究项目(12541079)。++孙丽丽，女，1982年3月生，博士研究生。黑龙江省大庆市，163318。第42卷第2期化工机械177间、含砂量、流速、冲击角度和KCl含量对其冲刷腐蚀行为的影响，以期为套管钢在压裂液中的冲刷腐蚀机理提供参考。1实验1．1实验材料实验材料为油田常用3种级别套管用钢(P110、N80和J55)，其成分经过德国Spct

6、rolab-M10直读光谱仪测试，主要成分见表1。表13种级别套管用钢的化学成分mt％1．2实验介质实验介质为油田常用水力喷砂压裂液，配方如下：改性胍胶49／L交联比(硼砂)100：1KCl1．2％支撑剂西0．45～4,o．90mm陶粒稳定剂、杀菌剂适量1．3实验过程冲刷腐蚀实验在自制管道冲刷腐蚀模拟测试实验台上进行，装置主要由立式离心泵、交流电机、凸轮泵和智能电磁流量计组成，可实现流量、冲击角度调节和非接触测量。冲刷腐蚀试样以直径为20±0．02mm的表面为工作面(面积3。14cm2)。实验时，将试样非工作面用704硅胶涂封。测量前先将工作面依次经4004、800

7、4、15004水砂纸打磨，无水乙醇擦拭干净，去离子水冲洗凉干后备用。冲刷腐蚀条件是：速率22m／s，冲刷3h，冲击角90。。采用电子天平(精度0．叭mg)对实验前后试样进行称重。试样冲刷腐蚀后的表面形貌采用日本HitachiS-3400II扫描电镜(SEM)进行观察。2结果与讨论2．1不同套管钢材料的影响3种套管钢在压裂液(含0．75％砂)中冲刷腐蚀速率如图1所示。由图1可知，在3种套管钢中，J55钢冲刷腐蚀速率最高，P110钢居中，N80钢冲刷腐蚀速率则最小。100_

8、80警60潍嘲40越蚕200图1套管钢在压裂液中冲刷腐蚀速率对于韧性材料，硬度的高低对于其冲