CN114112759A - 冲蚀磨损实验设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及油气资源开发领域，公开了一种冲蚀磨损实验设备，包括模拟冲蚀单元、试件冲蚀单元以及流体供应单元，模拟冲蚀单元包括实验管线，设置为采用实验管线模拟实际管线冲蚀，以确定实验管线的失效点以及失效点处的冲蚀参数；试件冲蚀单元包括夹持施力模块和冲蚀模块，夹持施力模块用于夹持试件并沿试件的两垂直轴向分别对试件施加双向拉力，冲蚀模块用于按照失效点处的冲蚀参数向试件的一侧表面喷射多相流体以进行冲蚀；流体供应单元用于为模拟冲蚀单元和试件冲蚀单元供应冲蚀用多相流体。本发明的冲蚀磨损实验设备能够更准确的模拟实际复杂工况，从而得到合理、有效的实验数据用于指导现场安全生产。

Description

冲蚀磨损实验设备

技术领域

本发明涉及油气资源开发技术领域，具体地涉及一种冲蚀磨损实验设备。

背景技术

冲蚀磨损是指材料受到小而松散的流动粒子冲击时表面出现破坏的一类磨损现象，其定义可以描述为固体表面同含有固体粒子的流体接触做相对运动时表面材料所发生的损耗。携带固体粒子的流体可以是高速气流(称为喷砂型冲蚀)或液流(称为泥浆型冲蚀)。冲蚀磨损是现代工业生产中常见的一种磨损形式，是造成设备及其零部件损坏报废的重要原因之一。

油气田勘探、开发全流程中涉及大量多相流动工况，工具、设备冲蚀失效会导致安全事故、产量降低、成本增加等多种后果。其中，安全风险主要存在于压裂施工(固相冲蚀、振动疲劳、超过100MPa的内压)、反排(高含砂率、高流速、高内压)、压井放喷(气液固三相高压、高速冲蚀)、高压气井携砂生产等环节中的设备管线冲蚀、腐蚀失效。

但是，目前对材料冲蚀的研究多集中在单一的流体冲蚀工况，即通过喷嘴将多相流体以一定的速度、角度冲击至试件上完成对试件的冲蚀，无法对压裂施工、反排、压井放喷、高压气井携砂生产等环节中管线材料冲蚀失效的复杂工况进行模拟，得到合理、有效的实验数据用于指导现场安全生产。

发明内容

本发明的目的是针对上述问题，提供一种冲蚀磨损实验设备，其能够模拟管线的复杂工况，得到合理、有效的实验数据用于指导现场安全生产。

为了实现上述目的，本发明提供一种冲蚀磨损实验设备，包括：

模拟冲蚀单元，所述模拟冲蚀单元包括实验管线，所述模拟冲蚀单元设置为采用所述实验管线模拟实际管线冲蚀，以确定所述实验管线的失效点以及所述失效点处的冲蚀参数；

试件冲蚀单元，所述试件冲蚀单元包括夹持施力模块和冲蚀模块，所述夹持施力模块用于夹持试件并沿所述试件的两垂直轴向分别对所述试件施加双向拉力，所述冲蚀模块用于按照所述失效点处的冲蚀参数向所述试件的一侧表面喷射多相流体以进行冲蚀；以及

流体供应单元，所述流体供应单元用于为所述模拟冲蚀单元和所述试件冲蚀单元供应冲蚀用多相流体。

可选地，所述模拟冲蚀单元包括PIV测速模块和固相颗粒冲击检测模块，所述PIV测速模块用于在所述实验管线的冲蚀过程中测量所述实验管线的失效点处的冲蚀速度，所述固相颗粒冲击检测模块用于在所述实验管线的冲蚀过程中测量所述实验管线的失效点处单位时间的固相颗粒冲击次数，从而确定所述失效点处的含砂率。

可选地，所述冲蚀磨损实验设备包括振动疲劳单元，所述振动疲劳单元用于对所述试件进行振动疲劳处理。

可选地，所述冲蚀磨损实验设备包括腐蚀老化单元，所述腐蚀老化单元用于对所述试件进行腐蚀老化处理。

可选地，所述流体供应单元包括气相供应模块、液相供应模块、固相供应模块以及气液混合器，所述固相供应模块用于向由所述气相供应模块和/或所述液相供应模块供应的携砂流体中加砂以形成冲蚀用多相流体，所述气液混合器用于在所述携砂流体为气液两相时对所述气相供应模块供应的气体和所述液相供应模块供应的液体进行混合。

可选地，所述气相供应模块包括依次连通的空压机、干燥器、缓冲罐以及加热器，所述空压机用于产出气体，所述干燥器用于对所述产出气体进行干燥，所述缓冲罐用于储存干燥后的气体并对气体进行调压后排出，所述加热器用于对调压后的气体进行加热控温。

可选地，所述液相供应模块包括相连通的储液罐和输送泵，所述储液罐用于储存液体，并包括能够对液体进行搅拌的搅拌器和对液体进行加热的加热部件，所述输送泵用于将所述储液罐内的液体以一定压力和流速送出。

可选地，所述流体供应单元包括主管道，所述主管道分别与所述冲蚀模块和所述实验管线连通，所述气液混合器设置在所述主管道上，所述气相供应模块、所述液相供应模块以及所述固相供应模块分别与所述主管道连通，所述气相供应模块和所述液相供应模块位于所述气液混合器的上游，所述固相供应模块位于所述气液混合器的下游，所述流体供应单元还包括与所述主管道连通且与所述气液混合器并联的旁管道，所述旁管道上设置有用于控制所述旁管道通断的阀门。

可选地，所述固相供应模块包括储砂罐、匀速加砂器以及出砂管，所述储砂罐的出口与所述匀速加砂器的入口连通，所述匀速加砂器的出口连接所述出砂管，所述主管道上设置有负压射流器和与所述负压射流器连通的负压吸砂管，所述负压吸砂管的入口与所述出砂管的出口对应设置，使得从所述出砂管排出的砂粒在重力作用下落入所述负压吸砂管中并由所述主管道中流动的携砂流体在所述负压射流器中产生的负压吸入所述主管道中与所述携砂流体混合形成多相流体。

可选地，所述冲蚀磨损实验设备包括流体回收单元，所述流体回收单元用于回收所述试件冲蚀单元和所述模拟冲蚀单元中的多相流体。

可选地，所述试件冲蚀单元包括内部形成为冲蚀室的防护罩，所述夹持施力模块设置于所述冲蚀室内，所述防护罩的底部开设有供所述冲蚀室内的多相流体排出的开口。

可选地，所述流体回收单元包括依次连通的集液漏斗、沉砂罐以及气液固分离器，所述集液漏斗设置于所述开口下方以收集多相流体，所述沉砂罐用于沉积多相流体中的砂粒，所述气液固分离器用于对来自所述沉砂罐的多相流体进行分离，所述气液固分离器的液体出口与所述流体供应单元连通。

可选地，所述冲蚀模块包括喷嘴，所述喷嘴朝向所述试件的所述一侧表面设置，所述喷嘴的喷射方向与所述一侧表面之间的夹角设置为可调的，所述喷嘴与所述一侧表面之间的间距设置为可调的。

可选地，所述冲蚀模块包括弧形导轨，所述弧形导轨的轴向平行于所述一侧表面，所述喷嘴安装在所述弧形导轨上并能够沿所述弧形导轨可锁止地移动，以调节所述喷射方向与所述一侧表面之间的夹角。

可选地，所述试件冲蚀单元包括水平导轨，所述夹持施力模块安装在所述水平导轨上并能够沿所述水平导轨可锁止地移动，以调节所述试件的所述一侧表面与所述喷嘴之间的间距。

可选地，所述试件冲蚀单元包括降温模块，所述降温模块设置为能够对所述试件降温。

可选地，所述降温模块包括液氮罐，所述夹持施力模块包括用于夹持所述试件的夹头，所述液氮罐与所述夹头连通以通过向所述夹头输送液氮的方式为所述试件降温。

本发明的冲蚀磨损实验设备一方面通过采用实验管线模拟实际管线冲蚀，能够得到实验管线的失效点以及失效点处的冲蚀参数；另一方面通过沿试件的两垂直轴向分别对试件施加双向拉力，能够模拟压裂施工、反排、压井放喷等过程中管线承受的高内压载荷，同时配合冲蚀模块按照失效点处的冲蚀参数对试件进行多相流冲蚀，能够更准确的模拟实际复杂工况，实现对复杂工况耦合条件下材料冲蚀磨损规律的研究，从而得到合理、有效的实验数据用于指导现场安全生产。

本发明的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施方式及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明中冲蚀磨损实验设备的一种实施方式的示意图；

图2是本发明中试件冲蚀单元与多相流体回收单元配合的一种实施方式的示意图；

图3是本发明中的试件冲蚀单元与降温模块配合的一种实施方式的示意图；

图4是本发明中的夹持施力模块与降温模块配合的另一种实施方式的示意图；

图5是本发明中的主管道与固相供应模块配合的示意图；

图6是本发明中的试件在进行振动疲劳处理时的一种实施方式的结构示意图；

图7是本发明中的试件在进行冲蚀实验时的一种实施方式的结构示意图。

附图标记说明

10-试件冲蚀单元，11-试件，111-测温探头，112-夹持孔，113-冲蚀区，12-夹头，13-施力部件，14-拉力传感器，15-工作台，16-防护罩，161-水平导轨，162-冲蚀室，163-开口，17-喷嘴，18-弧形导轨，19-液氮罐，191-降温箱，20-实验管线，21-PIV测速模块，22-空压机，23-干燥器，24-缓冲罐，25-加热器，26-气体流量计，27-单向阀，28-储液罐，281-搅拌器，282-加热部件，29-输送泵，30-液体流量计，31-气液混合器，32-主管道，321-负压射流器，322-负压吸砂管，323-压力传感器，324-温度传感器，33-旁管道，34-固相供应模块，341-储砂罐，342-匀速加砂器，343-出砂管，35-集液漏斗，36-沉砂罐，361-挡砂板，362-排砂口，37-气液固分离器，371-放空阀，38-集砂器，39-回液泵，40-数据采集与控制单元，F1～F15-阀门。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

在本发明中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上游、下游”通常是参照流体流动方向而言的，方位词“上、下、左、右、前、后”通常是指附图所示方位。“内、外”是指相对于各部件本身轮廓的内、外。

本发明一方面提供一种冲蚀磨损实验设备，包括：

模拟冲蚀单元，所述模拟冲蚀单元包括实验管线20，所述模拟冲蚀单元设置为采用实验管线20模拟实际管线冲蚀，以确定实验管线20的失效点以及所述失效点处的冲蚀参数；

试件冲蚀单元10，试件冲蚀单元10包括夹持施力模块和冲蚀模块，所述夹持施力模块用于夹持试件11并沿试件11的两垂直轴向分别对试件11施加双向拉力，所述冲蚀模块用于按照所述失效点处的冲蚀参数向试件11的一侧表面喷射多相流体以进行冲蚀；以及

流体供应单元，所述流体供应单元用于为所述模拟冲蚀单元和试件冲蚀单元10供应冲蚀用多相流体。

上述中，可以理解的是，试件11具有两个相互垂直的轴向，所述夹持施力模块可以沿其中一个轴向对试件11施加方向相反的拉力(即双向拉力)，并沿另一个轴向对试件11施加方向相反的拉力(即另一双向拉力)，也就是说，所述夹持施力模块可以在试件11所在平面内对试件11施加四个不同方向的拉力(参照图7中箭头所指的上、下、左、右四个方向)。试件11为板状件。

需要说明的是，上述两个双向拉力的大小、具体形式可根据实际需要确定。例如，可通过所述夹持施力模块对试件11施加两个双向且大小不同的静拉力载荷，也可以对试件11施加两个双向、大小不同且具有一定频率及差值变化的疲劳拉力载荷。

在实验时，可获取现场实际失效管线的失效点的照片，并通过作业时间、携砂流体量、砂量(即固相颗粒含量)和管线壁厚损失算出冲蚀磨损过程中的壁厚损失规律，再采用实验管线20模拟实际管线冲蚀，获得实验管线20的失效点(刺漏孔洞或磨损最严重位置)和壁厚损失规律与现场实际失效管线进行对比分析，确定实验管线20的失效点，并确定该失效点处的冲蚀参数，例如该失效点处的流体冲蚀速度和实际作用于该失效点处的流体含砂率等；然后通过试件冲蚀单元10对试件11进行载荷式冲蚀，冲蚀时采用所述模拟冲蚀单元确定的失效点处的冲蚀参数进行冲蚀，由此可使冲蚀实验更加精确，更符合实际工况。

其中，需要说明的是，在现场施工过程中，作用在管线上的载荷以内压形式存在，而在实验时很难直接对管线施加载荷以模拟管线内压，因此采用可以施加载荷的试件11作为实验主体，将管线的内压载荷根据薄壁圆筒理论转化为轴向拉力和环向拉力，上述沿试件11的两垂直轴向分别对试件11施加的两个双向拉力即用于模拟上述轴向拉力和环向拉力。另外，采用所述模拟冲蚀单元为试件冲蚀单元10提供精确的冲蚀参数。

本发明的冲蚀磨损实验设备一方面通过采用实验管线20模拟实际管线冲蚀，能够得到实验管线20的失效点以及失效点处的冲蚀参数；另一方面通过沿试件11的两垂直轴向分别对试件11施加双向拉力，能够模拟压裂施工、反排、压井放喷等过程中管线承受的高内压载荷，同时配合冲蚀模块按照失效点处的冲蚀参数对试件11进行多相流冲蚀，能够更准确的模拟实际复杂工况，实现对复杂工况耦合条件下材料冲蚀磨损规律的研究，从而得到合理、有效的实验数据用于指导现场安全生产。

具体地，如图1所示，所述模拟冲蚀单元可包括PIV测速模块21和固相颗粒冲击检测模块，PIV测速模块21用于在实验管线20的冲蚀过程中测量实验管线20的失效点处的冲蚀速度，所述固相颗粒冲击检测模块用于在实验管线20的冲蚀过程中测量实验管线20的失效点处单位时间的固相颗粒冲击次数，从而确定所述失效点处的含砂率。实验时，在实验管线20的失效点内壁处安装与失效点面积、形状基本相似的固相颗粒冲击检测模块，检测在一定时间内冲击至失效点的固相颗粒数量，从而得到含砂率；在实验管线20外的一侧设置PIV测速模块21，检测固相颗粒冲击实验管线20内壁的真实速度，从而得到冲蚀速度。

其中，如图1所示，实验管线20可以是一段弯管。实验管线20根据功能可分为金属弯管和可视化玻璃钢弯管(由透明玻璃钢材质制成)，金属弯管为现场实际弯管的等比例还原，其主要功能在于完全模拟冲蚀工况进行实验，与现场失效管线对比定性确定失效点，并对冲蚀磨损规律进行初步定量研究，金属弯管设置为可拆卸的，以便于实验后肉眼观察、电子扫描形态以及测量壁厚(体积)损失与实验前的原始状态进行对比；可视化玻璃钢弯管与金属弯管等尺寸，其主要功能是配合PIV测速模块21和固相颗粒冲击检测模块为试件冲蚀单元10的冲蚀实验确定精准的冲蚀速度、含砂率等冲蚀参数。

需要说明的是，在实际过程中，液体流速不一定等于固相颗粒速度，使用PIV测速模块21可确定在实际工况液体流速下固相颗粒的真实流速，从而确定试件冲蚀单元10冲蚀实验中流体的流速(即固相颗粒的真实流速)；而且，在现场实际中冲蚀磨损失效必然是一个点或者一个小区域磨损后造成管线穿孔，因此不可能所有的固相颗粒都会撞击失效点造成冲蚀磨损，通过所述固相颗粒冲击检测模块确定在一定时间内撞击到失效点的固相颗粒数量，从而确定试件冲蚀单元10冲蚀实验中流体的含砂率。

本发明中，所述冲蚀磨损实验设备还可包括振动疲劳单元，所述振动疲劳单元用于对试件11进行振动疲劳处理，以模拟管线实际工况的振动疲劳。

在实验过程中，通常是在试件11进行冲蚀实验前对试件11进行振动疲劳处理，因此进行振动疲劳处理的试件与进行冲蚀实验的试件形状可以不同，以便于振动疲劳处理。例如，在进行振动疲劳处理时，试件11可以是图6所示形状，试件11上可设置有用于夹持试件的夹持孔112；在进行冲蚀实验时，可将经过振动疲劳处理的试件切割为图7所示的十字形试件或者图3所示的正方形试件，以便于对试件的夹持施力和冲蚀。

在现场实际中，冲蚀介质(即多相流体)中可能存在硫化氢等腐蚀介质，因此管线材料的损失不可能全是冲蚀磨损导致的，也会有腐蚀作用存在，而由于腐蚀介质的剧毒特性无法在冲蚀实验中使用，因此，所述冲蚀磨损实验设备还可包括腐蚀老化单元，利用所述腐蚀老化单元对试件11进行腐蚀老化处理，以达到模拟现场冲蚀介质中腐蚀性气体的目的。

其中，所述腐蚀老化单元可包括合金钢高温高压电化学反应釜。

另外，所述冲蚀磨损实验设备还可包括用于测量试件材料损失中腐蚀作用所占比例的电化学单元。这样可以确定在多相流体冲蚀环境中，纯冲蚀、纯腐蚀、冲蚀-腐蚀耦合作用各导致的材料损失量，从而可以针对性的调整多相流体性能，避免多相流体的腐蚀作用加剧材料冲蚀磨损速率。

本发明中，所述流体供应单元可包括气相供应模块、液相供应模块、固相供应模块34以及气液混合器31，固相供应模块34用于向由所述气相供应模块和/或所述液相供应模块供应的携砂流体中加砂以形成冲蚀用多相流体，气液混合器31用于在所述携砂流体为气液两相时对所述气相供应模块供应的气体和所述液相供应模块供应的液体进行混合。

其中，需要说明的是，所述携砂流体可以为气相、液相或者气液两相。当所述携砂流体为气相或液相时，可不经过气液混合器31，而直接由固相供应模块34加砂(即加入固相颗粒)；当所述携砂流体为气液两相时，需经过气液混合器31混合后再由固相供应模块34加砂。

为了实现上述情况，如图1所示，所述流体供应单元可包括主管道32，主管道32分别与所述冲蚀模块和实验管线20连通(用于向所述冲蚀模块和实验管线20供应冲蚀用多相流体)，气液混合器31设置在主管道32上，所述气相供应模块、所述液相供应模块以及固相供应模块34分别与主管道32连通，所述气相供应模块和所述液相供应模块位于气液混合器31的上游，固相供应模块34位于气液混合器31的下游，所述流体供应单元还包括与主管道32连通且与气液混合器31并联的旁管道33，旁管道33上设置有用于控制旁管道33通断的阀门。

在使用时，当所述携砂流体为气相或液相时，关闭气液混合器31，打开旁管道33上的阀门F3和F6，使得气体或液体经旁管道33流至气液混合器31的下游；当所述携砂流体为气液两相时，开启气液混合器31，关闭旁管道33上的阀门F3和F6，使得气体和液体进入气液混合器31中混合。

根据本发明中所述气相供应模块的一种实施方式，如图1所示，所述气相供应模块可包括依次连通的空压机22、干燥器23、缓冲罐24以及加热器25，空压机22用于产出气体，干燥器23用于对所述产出气体进行干燥，缓冲罐24用于储存干燥后的气体并对气体进行调压后排出，加热器25用于对调压后的气体进行加热控温。所述气相供应模块还可包括位于加热器25下游的气体流量计26和单向阀27。气体流量计26用于测量气体的流量，单向阀27用于防止气体倒流。由此，所述气相供应模块可稳定提供具有一定流速、温度、压力的气体。

其中，缓冲罐24具有用于调节出口气体压力的减压阀。加热器25可以是任意能够使气体升温的器件，例如图1所示，加热器25为一段加热管。

根据本发明中所述液相供应模块的一种实施方式，如图1所示，所述液相供应模块包括相连通的储液罐28和输送泵29，储液罐28用于储存液体，并包括能够对液体进行搅拌的搅拌器281(通过搅拌可防止液体固化)和对液体进行加热的加热部件282，输送泵29用于将储液罐28内的液体以一定压力和流速送出。

其中，如图1所示，所述液相供应模块还可包括位于输送泵29下游的液体流量计30。液体流量计30用于测量液体的流量。

根据本发明中固相供应模块的一种实施方式，如图5所示，固相供应模块34包括储砂罐341、匀速加砂器342以及出砂管343，储砂罐341的出口与匀速加砂器342的入口连通，匀速加砂器342的出口连接出砂管343，主管道32上设置有负压射流器321和与负压射流器321连通的负压吸砂管322，负压吸砂管322的入口与出砂管343的出口对应设置，使得从出砂管343排出的砂粒在重力作用下落入负压吸砂管322中并由主管道32中流动的携砂流体在负压射流器321中产生的负压吸入主管道32中与所述携砂流体混合形成多相流体。

其中，如图5所示，负压射流器321为设置在主管道32上的大径管段，负压吸砂管322与负压射流器321连通并设置为从负压射流器321向上延伸。在使用时，储砂罐341内的固相颗粒经匀速加砂器342向下匀速排出，并在重力作用下由出砂管343落入负压吸砂管322中，主管道32内的高速携砂流体在流经负压射流器321时产生负压，将落入负压吸砂管322中固相颗粒吸入主管道32内混合。

本发明中，为了实现流体的回收再利用，所述冲蚀磨损实验设备还可包括流体回收单元，所述流体回收单元用于回收试件冲蚀单元10和所述模拟冲蚀单元中的多相流体。

具体地，如图1和图2所示，所述流体回收单元可包括沉砂罐36和气液固分离器37，试件冲蚀单元10和实验管线20的流体出口可分别与沉砂罐36的流体入口连通，沉砂罐36的流体出口与气液固分离器37的流体入口连通，沉砂罐36用于沉积多相流体中的固相颗粒，气液固分离器37用于对来自沉砂罐36的多相流体进行分离，气液固分离器37具有气体出口、液体出口和固体出口，气液固分离器37的气体出口处可设置有放空阀371，分离出的气体可经放空阀371排空，气液固分离器37的液体出口与储液罐28连通，使分离出的液体进入储液罐28中循环使用。气液固分离器37与储液罐28之间可设置有回液泵39，从气液固分离器37排出的液体可经回液泵39泵送至储液罐28中。所述流体回收单元还可包括集砂器38，气液固分离器37的固体出口可与集砂器38连通。

其中，如图1和图2所示，沉砂罐36内可倾斜设置有多个挡砂板361，沉砂罐36的流体入口位于沉砂罐36的下部，沉砂罐36的流体出口位于沉砂罐36的上部，沉砂罐36的底部设置有排砂口362。

在实验过程中，进入沉砂罐36内的多相流体向上蔓延，最终从流体出口排出，期间，多个挡砂板361可阻挡部分随液流向上流动的固相颗粒，大部分固相颗粒在自身重力和挡砂板361的双重作用下停留在沉砂罐36中。

集砂器38与沉砂罐36中的固相颗粒可集中在一起进行颗粒物化性能分析。

本发明中，为保证两个双向拉力的顺利施加，如图7所示，优选将试件11设计为十字形，试件11一侧表面的中央区域形成为冲蚀区113(冲蚀区113为试件11的核心区域，其作用是在加载双向拉力载荷的同时承受多相流体冲蚀磨损)，试件11的四个端部形成为四个夹持端，为了加强对试件夹持的牢固性和可靠性，所述夹持端可设置有夹持孔112。在这种情况下，所述夹持施力模块能够分别夹持四个夹持端并沿试件11的两垂直轴(即图7所示的水平轴和竖直轴)分别对试件11施加双向拉力。

本发明中，如图2-图4所示(需要说明的是，图2和图3中分别省略了前后、上下两侧的夹持施力部件)，所述夹持施力模块可包括四个夹头12和分别连接于四个夹头12的四个施力部件13，四个夹头12用于分别沿四个垂直方向夹持试件11(例如夹持四个夹持端)，四个施力部件13分别用于对四个夹头12施加拉力。在实验过程中，夹头12通过夹紧试件11并向外(即背离冲蚀区113的方向)拉伸以施加拉力载荷。

需要说明的是，本发明中所述的夹头12和施力部件13可以采用任意适当的结构，只要能实现其功能即可。例如，施力部件13可以为液压拉伸器，液压拉伸器通过液压作用向试件11施加拉力；如图4所示，夹头12可包括供试件11的夹持端插入的凹槽和用于限定所述凹槽的两个夹臂，通过控制两个夹臂之间的间距即可实现夹头12对夹持端的夹紧和松开。至于如何控制调节两个夹臂之间的间距，可采用现有技术中的任意已知方式，例如可在两个夹臂上穿设螺栓，通过旋拧螺栓来控制，螺栓可穿过夹持孔112。

另外，所述夹持施力模块还可包括四个拉力传感器14，四个拉力传感器14分别连接于四个施力部件13与四个夹头12之间。四个拉力传感器14用于监测对试件11施加的拉力载荷。

本发明中，如图2所示，试件冲蚀单元10还可包括工作台15和内部形成为冲蚀室162的防护罩16，所述夹持施力模块、所述冲蚀模块以及防护罩16均安装在工作台15上，所述夹持施力模块设置于冲蚀室162内，防护罩16的底部开设有供冲蚀室162内的多相流体排出的开口163，相应地，工作台15的与开口163对应的位置也形成为开口状。通过设置防护罩16，可以防止液流和固相颗粒飞溅。为了便于对实验进行观察，可将防护罩16设置为透明可视的。

在上述情况下，如图2所示，所述流体回收单元还可包括集液漏斗35，集液漏斗35设置于开口163下方，冲击到试件11上的多相流体将全部落入集液漏斗35中，集液漏斗35的出口与沉砂罐36的流体入口连通以将收集的多相流体通至沉砂罐36中。

本发明中，所述冲蚀模块包括喷嘴17，喷嘴17朝向试件11的所述一侧表面设置，喷嘴17的喷射方向与所述一侧表面之间的夹角设置为可调的，喷嘴17与所述一侧表面之间的间距设置为可调的。通过上述设置，可以实现对试件11的冲蚀角度和冲蚀距离的调节。

为了实现喷嘴17的喷射方向与所述一侧表面之间的夹角可调，根据本发明的一种实施方式，如图2所示，所述冲蚀模块可包括弧形导轨18，弧形导轨18的轴向(即前后方向)平行于所述一侧表面(即试件11的左侧面)，喷嘴17安装在弧形导轨18上并能够沿弧形导轨18可锁止地移动，以调节所述喷射方向与所述一侧表面之间的夹角。也就是说，在该种实施方式中，将喷嘴17设置为角度可调的。在其他实施方式，也可将试件11设置为角度可调的。

其中，喷嘴17在弧形导轨18上的锁止可通过多种方式实现，例如采用连接喷嘴17与弧形导轨18的螺栓(或者固定销)，在需要调整喷嘴17的角度时，可将螺栓拆掉，将喷嘴17移动到所需角度后，再安装螺栓将喷嘴17固定在弧形导轨18上。

为了实现喷嘴17与所述一侧表面之间的间距可调，根据本发明的一种实施方式，如图2所示，试件冲蚀单元10包括水平导轨161(参见图2所示的水平方向)，所述夹持施力模块安装在水平导轨161上并能够沿水平导轨161可锁止地移动，以调节试件11的所述一侧表面与喷嘴17之间的间距。也就是说，在该种实施方式中，将试件11设置为位置可调的。在其他实施方式，也可将喷嘴17设置为位置可调的。

其中，所述夹持施力模块在水平导轨161上的锁止可通过多种方式实现。具体可与上述中喷嘴17在弧形导轨18上的锁止方式相同。

本发明中，为了实现整个所述夹持施力模块在水平导轨161上的安装和移动，可将所述夹持施力模块的各部件通过支架或壳体集成在一起，以形成一个整体。

在某些低温施工工况中，管线的温度较低，例如二氧化碳混相压裂施工，其是目前新兴的页岩油气增产措施，是一种段塞式注入液态二氧化碳和化学剂实施的储层改造工艺，其原理是先通过前置足量液态CO₂，提高地层压力，疏通孔隙通道，开启微裂缝，并形成CO₂覆膜降低后续水基压裂液伤害，随后通过大量高压滑溜水和耐高温低浓度胍胶压裂液体系压开地层并连通微缝隙，形成复杂高渗缝网结构以达到增产目的。二氧化碳混相压裂与常规水力压裂相比，增加了二氧化碳预冷循环环节，属于低温施工(-20℃～-40℃)，其高压管汇冲蚀失效风险相对于常规水力压裂更加严重。为了模拟二氧化碳混相压裂过程中的低温工况，所述试件冲蚀单元还可包括降温模块，所述降温模块设置为能够对试件11降温。

具体地，如图3所示，所述降温模块可包括液氮罐19，液氮罐19与用于夹持试件11的夹头12连通以通过向夹头12输送液氮的方式为试件11降温。试件11上可设置有测温探头111以对试件11进行测温。

另外，如图4所示的实施方式，所述降温模块还可包括降温箱191，降温箱191与液氮罐19连通，夹头12穿设于降温箱191，降温箱191内的低温可通过夹头12传导至试件11，从而实现对试件11的降温。

本发明中，所述冲蚀磨损实验设备中的各个部件之间的连通管路上可设置有用于控制管路通断的阀门，如图1所示的阀门F1～F15。另外，为了利于实验的进行，提高效率，所述冲蚀磨损实验设备还可包括数据采集与控制单元40，数据采集与控制单元40可与设备中的其他部件电连接，以实现对其他部件的运行控制，以及对各实验参数的监测和采集。

本发明另一方面提供一种冲蚀磨损实验方法，所述方法包括：

S1、获取实际失效管线的失效点、管线内压以及冲蚀参数；

S2、采用一段与所述实际失效管线材质相同且等比例缩小的管线作为第一实验管线(即上述中的金属弯管)，按照所述实际失效管线的冲蚀参数模拟管线冲蚀，确定所述第一实验管线的失效点；

S3、采用一段与所述第一实验管线尺寸相等的可视化管线作为第二实验管线(即上述中的可视化玻璃钢弯管)，按照所述实际失效管线的冲蚀参数模拟管线冲蚀，确定所述第二实验管线在所述失效点处的冲蚀参数；

S4、取试件11作为实验主体，沿试件11的两垂直轴向分别对试件11施加双向拉力以模拟所述管线内压，按照所述失效点处的冲蚀参数向试件11的一侧表面(即上述中的冲蚀区113)喷射冲蚀介质进行冲蚀实验。

上述中，所述实际失效管线的冲蚀参数包括冲蚀介质(即多相流体)参数和冲蚀速度，其中，所述冲蚀介质参数包括携砂流体的类型及物化性质、固相颗粒的类型及物化性质以及含砂率。所述第一实验管线的失效点处的冲蚀参数包括冲蚀介质参数、冲蚀角度以及冲蚀速度，其中，所述冲蚀介质参数包括携砂流体的类型及物化性质、固相颗粒的类型及物化性质以及含砂率。

为了便于描述，所述实际失效管线的冲蚀参数称为实际冲蚀参数，所述第一实验管线的失效点处的冲蚀参数称为实验冲蚀参数。

需要说明的是，实际冲蚀参数中携砂流体的类型及物化性质、固相颗粒的类型及物化性质与实验冲蚀参数中携砂流体的类型及物化性质、固相颗粒的类型及物化性质相同，实际冲蚀速度和实际含砂率与实验冲蚀速度和实验含砂率不同。由于试件11为平面，因此需要以一定角度冲蚀以模拟管线冲蚀方向，因此实验冲蚀参数还包括冲蚀角度。

具体地，试件11的冲蚀角度可根据所述第二实验管线的冲蚀云图中占比最大流线的冲蚀角度确定。

实验冲蚀速度可根据实验冲蚀介质中的固相颗粒在所述第二实验管线的所述失效点处的冲蚀速度确定。实验冲蚀介质中的固相颗粒在所述第二实验管线的所述失效点处的冲蚀速度可通过设置在所述第二实验管线外的PIV测速模块21测得(参见图1)。

实验含砂率可根据实验冲蚀介质中的固相颗粒在一定时间内冲击至所述第二实验管线的所述失效点的数量确定。实验冲蚀介质中的固相颗粒在一定时间内冲击至所述第二实验管线的所述失效点的数量可通过设置在所述第二实验管线内壁的所述失效点处的与该失效点面积、形状相似的固相颗粒冲击检测模块测得。

本发明中，所述方法还可包括：在所述S4之前对试件11进行振动疲劳处理，以模拟管线的振动疲劳工况；在所述S4之前对试件11进行腐蚀老化处理，以模拟管线的腐蚀工况；在所述S4之前对试件11进行降温处理，以模拟管线的低温工况。

本发明中，所述冲蚀介质为气固两相、液固两相或者气液固三相的多相流体。

本发明中，所述方法还可包括：在所述S4之后对冲蚀介质进行回收，分离出所述冲蚀介质中的液体进行循环利用，并分离出所述冲蚀介质中的固相颗粒进行颗粒物化性能分析。

本发明的冲蚀磨损实验方法可采用上述冲蚀磨损实验设备进行。

下面结合图1详细介绍本发明的冲蚀磨损实验方法，所述方法包括：

通过现场拍照获取目标工区实际失效管线的照片以确定失效点，测得实际失效管线的平均内压，并获取实际失效管线的实际冲蚀参数；

制备与实际失效管线材质相同且等比例缩小的第一实验管线(覆盖实际失效管线的失效点位置)并将其接入图1所示的冲蚀磨损实验设备中；

对实验设备进行气密性检测，具体为开启阀门F1、F2、F3、F6，开启空压机22和缓冲罐24，以10MPa稳压15min且压降为0.1MPa，则确定符合安全实验要求；

按照实际冲蚀介质参数配制相应的多相流体(以携砂流体是液体为例，具体操作为：开启阀门F3～F6、F15、F10、F12、F13，开启输送泵29，将储液罐28内的携砂液泵入主管道32后，开启阀门F7和匀速加砂器342，使储砂罐341内的固相颗粒匀速被吸入负压射流器321中，观察液体流量计30和加砂速度，待液体流量稳定、出砂速度稳定、液固两相混合均匀即可)，并将其以实际冲蚀速度通至第一实验管线中对第一实验管线进行冲蚀，获取第一实验管线的失效点，同时使用CFD软件进行相应的数值模拟计算，当第一实验管线的失效点与实际失效管线的失效点、数值模拟失效点重合时，则认为三者等效，由此确定第一实验管线的失效点；

将第一实验管线从设备中拆除，制备与第一实验管线尺寸形状相等的第二实验管线，在第二实验管线内壁的对应于第一实验管线的失效点处设置与该失效点面积、形状相似的固相颗粒冲击检测模块，将第二实验管线接入图1所示的冲蚀磨损实验设备中，在第二实验管线的内侧安装PIV测速模块21，按照与第一实验管线相同的冲蚀参数对第二实验管线进行冲蚀，由固相颗粒冲击检测模块和PIV测速模块21分别测得第二实验管线在所述失效点处的含砂率和冲蚀速度，并通过第二实验管线的冲蚀云图确定冲蚀角度；

根据实际失效管线的振动疲劳情况和腐蚀老化情况，采用振动疲劳单元和腐蚀老化单元分别对试件11进行振动疲劳处理和腐蚀老化处理，之后将试件11切割为便于夹持施力的十字形；

根据薄壁圆筒理论，确定拉力载荷参数(将管线内压转换为相应的环向拉力和轴向拉力)，将试件11装入夹持施力模块中，对试件11施加两个相互垂直的双向拉力载荷；

按照上述冲蚀角度调整喷嘴17的喷射方向与试件11的冲蚀区113之间的夹角；

按照实验含砂率配制相应的多相流体，并将其以实验冲蚀速度由喷嘴17以上述冲蚀角度喷射至试件11的冲蚀区113，进行冲蚀磨损实验。

在实验过程中，可采用流体回收单元回收冲蚀到第一实验管线、第二实验管线以及试件11上的多相流体，并将其进行三相分离，分离出的气相通过放空阀371直接排空，分离出的固相颗粒收集后等待分析，分离出的液相通过回液泵39返回储液罐28中继续参与循环。

实验结束后，关闭输送泵29和回液泵39，待不再有流体从喷嘴17中流出后开启防护罩16，去除施加在试件11上的拉伸载荷，取下试件11，清洗后等待分析；开启除F4、F5、F7、F8、F11以外的所有阀门，开启空压机22和缓冲罐24对设备管路进行吹扫，保证无残余液相和固相存在。

当所述冲蚀磨损实验方法用于模拟低温工况(例如二氧化碳混相压裂施工，管线温度为-20℃)时，上述方法还包括：在对试件11进行冲蚀前，采用降温模块将试件11的温度降低至实验温度(-20℃)并保持一段时间(例如10h)。

本发明的冲蚀磨损实验设备及方法能够对油气田开发领域各环节中管道设备面临的冲蚀工况(冲蚀介质、冲蚀角度、冲蚀速度、含砂率、温度)、载荷工况(内压波动、震动疲劳)等条件进行模拟，并以此为基础进行材料冲蚀磨损实验，从而便于通过实验结果和规律对现场管线设备的可靠性、安全使用寿命进行评价和预测，为大规模压裂施工、气井压井放喷过程中安全保障技术的发展提供理论依据和实验支撑，减少甚至杜绝由于材料管线冲蚀失效而直接导致的人员伤亡和财产损失。本发明的冲蚀磨损实验设备及方法适用于油气资源开发中的安全技术领域，可在陆上/海上油气钻井、大规模压裂等行业广泛推广应用，具有很高的经济技术价值。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (14)

1.一种冲蚀磨损实验设备，其特征在于，包括：

模拟冲蚀单元，所述模拟冲蚀单元包括实验管线(20)，所述模拟冲蚀单元设置为采用所述实验管线(20)模拟实际管线冲蚀，以确定所述实验管线(20)的失效点以及所述失效点处的冲蚀参数；

试件冲蚀单元(10)，所述试件冲蚀单元(10)包括夹持施力模块和冲蚀模块，所述夹持施力模块用于夹持试件(11)并沿所述试件(11)的两垂直轴向分别对所述试件(11)施加双向拉力，所述冲蚀模块用于按照所述失效点处的冲蚀参数向所述试件(11)的一侧表面喷射多相流体以进行冲蚀；

流体供应单元，所述流体供应单元用于为所述模拟冲蚀单元和所述试件冲蚀单元(10)供应冲蚀用多相流体。

2.根据权利要求1所述的冲蚀磨损实验设备，其特征在于，所述模拟冲蚀单元包括PIV测速模块(21)和固相颗粒冲击检测模块，所述PIV测速模块(21)用于在所述实验管线(20)的冲蚀过程中测量所述实验管线(20)的失效点处的冲蚀速度，所述固相颗粒冲击检测模块用于在所述实验管线(20)的冲蚀过程中测量所述实验管线(20)的失效点处单位时间的固相颗粒冲击次数，从而确定所述失效点处的含砂率。

3.根据权利要求1所述的冲蚀磨损实验设备，其特征在于，所述冲蚀磨损实验设备包括振动疲劳单元，所述振动疲劳单元用于对所述试件(11)进行振动疲劳处理。

4.根据权利要求1所述的冲蚀磨损实验设备，其特征在于，所述冲蚀磨损实验设备包括腐蚀老化单元，所述腐蚀老化单元用于对所述试件(11)进行腐蚀老化处理。

5.根据权利要求1所述的冲蚀磨损实验设备，其特征在于，所述流体供应单元包括气相供应模块、液相供应模块、固相供应模块(34)以及气液混合器(31)，所述固相供应模块(34)用于向由所述气相供应模块和/或所述液相供应模块供应的携砂流体中加砂以形成冲蚀用多相流体，所述气液混合器(31)用于在所述携砂流体为气液两相时对所述气相供应模块供应的气体和所述液相供应模块供应的液体进行混合。

6.根据权利要求5所述的冲蚀磨损实验设备，其特征在于，

所述气相供应模块包括依次连通的空压机(22)、干燥器(23)、缓冲罐(24)以及加热器(25)，所述空压机(22)用于产出气体，所述干燥器(23)用于对所述产出气体进行干燥，所述缓冲罐(24)用于储存干燥后的气体并对气体进行调压后排出，所述加热器(25)用于对调压后的气体进行加热控温；和/或

所述液相供应模块包括相连通的储液罐(28)和输送泵(29)，所述储液罐(28)用于储存液体，并包括能够对液体进行搅拌的搅拌器(281)和对液体进行加热的加热部件(282)，所述输送泵(29)用于将所述储液罐(28)内的液体以一定压力和流速送出。

7.根据权利要求5所述的冲蚀磨损实验设备，其特征在于，所述流体供应单元包括主管道(32)，所述主管道(32)分别与所述冲蚀模块和所述实验管线(20)连通，所述气液混合器(31)设置在所述主管道(32)上，所述气相供应模块、所述液相供应模块以及所述固相供应模块(34)分别与所述主管道(32)连通，所述气相供应模块和所述液相供应模块位于所述气液混合器(31)的上游，所述固相供应模块(34)位于所述气液混合器(31)的下游，所述流体供应单元还包括与所述主管道(32)连通且与所述气液混合器(31)并联的旁管道(33)，所述旁管道(33)上设置有用于控制所述旁管道(33)通断的阀门。

8.根据权利要求7所述的冲蚀磨损实验设备，其特征在于，所述固相供应模块(34)包括储砂罐(341)、匀速加砂器(342)以及出砂管(343)，所述储砂罐(341)的出口与所述匀速加砂器(342)的入口连通，所述匀速加砂器(342)的出口连接所述出砂管(343)，所述主管道(32)上设置有负压射流器(321)和与所述负压射流器(321)连通的负压吸砂管(322)，所述负压吸砂管(322)的入口与所述出砂管(343)的出口对应设置，使得从所述出砂管(343)排出的砂粒在重力作用下落入所述负压吸砂管(322)中并由所述主管道(32)中流动的携砂流体在所述负压射流器(321)中产生的负压吸入所述主管道(32)中与所述携砂流体混合形成多相流体。

9.根据权利要求1-8中任意一项所述的冲蚀磨损实验设备，其特征在于，所述冲蚀磨损实验设备包括流体回收单元，所述流体回收单元用于回收所述试件冲蚀单元(10)和所述模拟冲蚀单元中的多相流体；和/或

所述试件冲蚀单元(10)包括内部形成为冲蚀室(162)的防护罩(16)，所述夹持施力模块设置于所述冲蚀室(162)内，所述防护罩(16)的底部开设有供所述冲蚀室(162)内的多相流体排出的开口(163)。

10.根据权利要求9所述的冲蚀磨损实验设备，其特征在于，所述流体回收单元包括依次连通的集液漏斗(35)、沉砂罐(36)以及气液固分离器(37)，所述集液漏斗(35)设置于所述开口(163)下方以收集多相流体，所述沉砂罐(36)用于沉积多相流体中的砂粒，所述气液固分离器(37)用于对来自所述沉砂罐(36)的多相流体进行分离，所述气液固分离器(37)的液体出口与所述流体供应单元连通。

11.根据权利要求1-8中任意一项所述的冲蚀磨损实验设备，其特征在于，所述冲蚀模块包括喷嘴(17)，所述喷嘴(17)朝向所述试件(11)的所述一侧表面设置，所述喷嘴(17)的喷射方向与所述一侧表面之间的夹角设置为可调的，所述喷嘴(17)与所述一侧表面之间的间距设置为可调的。

12.根据权利要求11所述的冲蚀磨损实验设备，其特征在于，

所述冲蚀模块包括弧形导轨(18)，所述弧形导轨(18)的轴向平行于所述一侧表面，所述喷嘴(17)安装在所述弧形导轨(18)上并能够沿所述弧形导轨(18)可锁止地移动，以调节所述喷射方向与所述一侧表面之间的夹角；和/或

所述试件冲蚀单元(10)包括水平导轨(161)，所述夹持施力模块安装在所述水平导轨(161)上并能够沿所述水平导轨(161)可锁止地移动，以调节所述试件(11)的所述一侧表面与所述喷嘴(17)之间的间距。

13.根据权利要求1-8中任意一项所述的冲蚀磨损实验设备，其特征在于，所述试件冲蚀单元包括降温模块，所述降温模块设置为能够对所述试件(11)降温。

14.根据权利要求13所述的冲蚀磨损实验设备，其特征在于，所述降温模块包括液氮罐(19)，所述夹持施力模块包括用于夹持所述试件(11)的夹头(12)，所述液氮罐(19)与所述夹头(12)连通以通过向所述夹头(12)输送液氮的方式为所述试件(11)降温。

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