304不锈钢在粘弹性表面活性剂流体中冲蚀性能研究

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粘弹性表面活性剂流体的内部可形成长度为几个微米的蠕虫状胶束,是一种储层伤害低的新型环保型油田工作液,用于磨料水射流辅助钻井、射孔以及压裂作业时具有摩阻低、携砂性好、返排彻底等优点。然而在磨料水射流和大排量压裂施工过程中,流体需要携带大量固相颗粒,大排量携砂压裂液对井下工具、管柱内壁以及喷嘴等产生了严重的冲蚀。作业过程中,因为非牛顿流体独特的流变特性,使其携砂能力区别于牛顿流体,进而产生了不同于牛顿流体的冲蚀行为。本文以十八烷基三甲基氯化铵(OTAC)和水杨酸钠(Na Sal)为配方的粘弹性表面活性剂流体为研究对象,首先运用流变仪研究了三种不同配方的粘弹性表面活性剂流体的流变特性,得到了描述其流变行为的本构方程。然后利用CFD数值模拟方法,结合淹没式喷射实验装置,研究了304不锈钢在清水和三种不同浓度的粘弹性表面活性剂溶液中的冲蚀行为。结果表明,304不锈钢材料在四种溶液中的冲蚀速率具有明显差异。储液罐加入1%的固体颗粒,由于溶液的粘弹性不同,导致携砂能力不同,进而导致试样表面颗粒的冲击数目、冲击角度以及冲击速度不同。清水的携砂能力最差,试样表面的冲击颗粒数目最小;0.7wt%OTAC与0.125wt%Na Sal配方VES流体的粘弹性较高,携砂能力最强,到达试样表面的冲击颗粒数目最多,其冲蚀速率为清水冲蚀速率的15倍。通过对试样表面的冲蚀形貌和颗粒在粘弹性流体中的受力分析,发现流体的弹性力会导致更多的颗粒向射流中心聚集,导致颗粒冲击试样表面的冲击角度增大,冲蚀深度增加,冲蚀区域变小。粘弹性流体的弹性越高,其携砂能力越强,射流能量越集中,试样表面总的冲蚀速率越大。研究结果为非牛顿浆体磨料水射流辅助钻井、射孔以及水力压裂作业中工作液的配方流变学设计提供了一定参考,并为非牛顿流体多相流冲蚀模型的建立和冲蚀预测提供了一定依据。
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