油气井管柱是石油和天然气开采作业中的必需设备,随着深层油气资源的勘探开发,深井、超深井、大斜度井、定向井、大位移井、水平井比例增大已成为必然趋势,油气井管柱所处的工作环境也急剧恶化,尤其是高温、高压、高产井等三高油气井,油气井管柱几乎不可避免地出现各种损伤,造成人力、物力和财力的巨大损失。研究影响油气井管柱安全可靠性和使用寿命的各项因素发现,油气井管柱受颗粒冲蚀是其失效的主要原因之一。冲蚀将直接导致油气井管柱等设备的壁厚减薄,强度减弱,使用年限降低,存在H2S等有毒、有害气体泄漏的风险给安全生产造成隐患。当管柱的冲蚀磨损程度较轻时,会引起管柱表面强化层的剥落,诱导硫化氢等对套管钢材电化学腐蚀破坏,也会降低其抗挤毁强度和抗内压强度,对正常的石油开采安全构成严重威胁；冲蚀磨损较为恶劣时,管柱的承载极限降低,会影响到管柱变形、挤毁、破裂及泄漏,引发油气井控制等安全问题。若是维修、更换不及时,最终导致油气井管柱破裂,引发堵、漏、卡等井下事故甚至导致全井报废或井喷等恶性事故。为了更好地理解管壁材料损失机制,有必要分析管内流体的流动特性,追踪固体颗粒的运动轨迹,研究颗粒对油气井管柱的冲蚀速率。运用CFD软件对管道流体进行数值模拟,可以快速准确地找到冲蚀薄弱位置,预测固体颗粒对地面设备和管柱壁面的冲蚀损伤状态。这为油气生产设备的安全评估提供理论基础,根据模拟结果制定相应的措施缓解冲蚀行为,对延长管柱的使用寿命,提高油田的经济效益显得至关重要。本文归纳总结具有说服力的颗粒冲蚀理论,分析其优缺点及适用范围,结合油气井管柱中颗粒冲刷的实际工况,确立油气井管柱受颗粒冲蚀的磨损机理。从环境因素、磨粒性能、靶材性质三方面归纳影响冲蚀的因素。本文细致地分析液流中单个颗粒的受力情况,根据颗粒的运动微分方程分析其跟随性,建立冲击速度、攻角、靶材流动应力、颗粒形状与冲击深度的数学模型表达式,从理论上初步剖析尖角粒子比圆角粒子具有更强冲蚀破坏性。本文详细分析了管流循环式、旋转式、射流式三种冲蚀实验装置,对比论证了各种冲蚀实验装置的优缺点。结合石油行业油气井管柱的工作环境,筛选适合本课题的最佳试验设备,并设计一套研究高应力下油气井管柱受颗粒冲蚀磨损行为的试验方案。本文采用商业计算流体软件Fluent中的离散相模型对水力压裂操作条件下的管柱壁面冲蚀情况进行了模拟,与实际试验相比,项目资金投入少,研究周期短,考虑的因素全面,得到各种参数下的完整数据,具有显著的优势。其中,UDF在定义颗粒的属性及入射速度和改善算法方面具有良好的可操作性。根据Finnie的切削磨损方程编写程序计算冲蚀率,量化粒子的速度和冲蚀角度对组件表面的冲蚀率影响,动态地链接到DPM求解器上,计算汕管接头、油套管环空、正交双弯头受压裂液中颗粒冲蚀的磨损速率来预测冲蚀风险。利用得出的液体速度分布和粒子运行轨迹,结合碰撞能量与破坏力对磨损损伤进行了初步分析,并根据计算结果绘制主要冲蚀参数(施工排量,流体粘度,颗粒粒径、密度、形状因子等)与冲蚀磨损量的关系曲线,将曲线结果与定性分析结论对照,验证冲蚀模型数学表达式的可靠性。对压裂施工工艺提供合理化的建议,对现场施工具有很好的参考和指导意义。通过本文研究,主要取得以下成果：1.结合油气井管柱的工况特点,提出颗粒冲蚀是促使管柱失效的一项重要原因；2.深入分析单个颗粒的受力情况,讨论其跟随性,从动量定理的角度,初步建立冲击速度、攻角、靶材流动应力、颗粒形状与冲击深度的数学模型表达式；3.筛选试验设备,并设计一套研究高应力下油气井管柱受颗粒冲蚀磨损行为的试验方案。4.通过UDF定义冲蚀率函数,定量地分析冲蚀因素的作用效果,得出：直管段部分受颗粒冲蚀的程度较轻,油管接头下游处内表面、环空中接箍迎坡面是冲蚀最严重的部位,弯头的拱背部分沙粒浓度大造成的冲蚀损伤比内弯部分更为严重。冲蚀率随冲蚀速度的增加而增加；也粒径的增大而增大,但粒径达到0.65mm时,最大冲蚀率几乎保持不变。液体粘度增加,最大冲蚀率反而减小,当液体粘度达到一定程度,最大冲蚀率下降的趋势明显变缓。颗粒形状是控制冲蚀磨损的主要因素,颗粒棱角越尖锐,冲蚀磨损的程度越严重。与其形状因子比,颗粒密度对冲蚀速率的影响相当微弱。