PDF《基于正交试验设计的压裂管线冲蚀磨损参数效应分析》

石油科学通报

2018 年12 月第3卷第

4 期:466-474 基于正交试验设计的压裂管线冲蚀磨损参数效应分析 胡瑾秋1,2* ,李思洋1,2 ,张来斌1,2

1 中国石油大学(北京)安全与海洋工程学院,北京

102249 2 中国石油大学(北京)油气资源与探测国家重点实验室,北京

102249 * 通信作者, hujq@cup.

edu.cn 收稿日期: 2018-01-15 国家自然科学基金(51574263) 和北京市科技新星计划(Z181100006218048) 联合资助 摘要 冲蚀磨损是水力压裂过程中管道、设备损坏的重要原因之一.目前仿真模拟的冲蚀研究多是探讨特定因 素对冲蚀结果的影响,缺乏各因素间作用效果的横向分析比较.本文基于正交试验设计方法研究了多种因素与 管线冲蚀磨损结果之间的显著性关系,比较得出各因素对冲蚀磨损结果的影响力排序,为工程管线抗冲蚀磨损 方案设计中各控制因素、操作步骤的优先级设置提供依据.案例分析选取了压裂过程影响管线冲蚀磨损结果的 具有代表性的试验因素(管径、弯头圆角半径、支撑剂粒径、入口流速),以及可用于衡量管线冲蚀磨损严重度 的试验指标(径向流速、切向流速、管壁总压力、管壁最大冲蚀磨损率)进行四因素四水平正交试验分析,基于 均值主效应分析和方差分析结果探究了各参数与冲蚀磨损结果的显著性关系.针对本文案例选定的四项试验指 标研究表明,入口流速因素均值主效应排序均为第 1,且与各试验指标存在显著性关系,最大置信度为 95%, 影响力最显著;

弯头圆角半径因素均值主效应排序三项第 2,且与三项试验指标存在显著性关系,最大置信度为 95%,则影响力其次;

支撑剂粒径影响力最不显著.工程设计时可优先考虑控制流速和管线弯头形态,以提升 管线的抗冲蚀磨损性能. 关键词 压裂管线;

冲蚀磨损;

仿真模拟;

正交试验设计;

显著性检验 引用格式:胡瑾秋, 李思洋, 张来斌. 基于正交试验设计的压裂管线冲蚀磨损参数效应分析. 石油科学通报, 2018, 04: 466-474 HU Jinqiu, LI Siyang, ZHANG Laibin. Parameter effects analysis of erosion wear of fracturing pipelines based on an orthogonal experimental design. Petroleum Science Bulletin, 2018, 04: 466-474. doi: 10.3969/j.issn.2096-1693.2018.04.042 ?2016 中国石油大学(北京) 清华大学出版社有限公司 http://sykxtb.cup.edu.cn

0 引言 随着页岩气勘探与开发技术地不断发展,以克服 页岩储层低孔特征和低基质渗透率等缺陷[1] 、提高油 气产量为目的的大规模水力压裂技术的工艺、人员及 设备安全日益受到人们的关注.就设备而言,水力压 裂过程中的冲蚀磨损是引起材料破坏、设备失效的重 要原因之一[2] .支撑剂颗粒在高速压裂液的携载下以 切削、撞击、挤压等形式反复作用于固体管壁,极易 导致管材刺漏、破裂,设备损坏等严重后果[3] .对此, 众多学者基于实验及数值仿真模拟等方法对压裂过程 中管道冲蚀磨损的作用机理、影响因素、预防措施等 展开研究. 文献[4]探究了不同射流冲击角对冲蚀速率的影 响.文献[5]通过对比数值模拟与失效分析的结果证实 了基于粒子小角度切削及大角度碰撞引发塑性变形的 冲蚀磨损机制.文献[6]分析了支撑剂浓度、携砂液流 速、流体动力黏度、支撑剂粒径等参数对冲蚀结果的 影响.在此基础上,文献[7]基于管道的应力状态提出 了新的冲蚀磨损计算模型.文献[8]则通过分析质量 载荷对冲蚀结果的影响解释了高颗粒浓度下冲蚀穿透 率的衰减效应.文献[9]讨论了多相流入口流量和管 径对弯管冲蚀和位移的影响.文献[10]基于数值模拟 的结果分析了高压汇管液固两相流及支撑剂粒子的流 基于正交试验设计的压裂管线冲蚀磨损参数效应分析