空气与气体钻井技术约占世界陆上油气钻井的30%,已为石油钻井界科技人员普遍接受,并被越来越多地用于各大油田。气体钻井技术以气体作为循环介质,在提高钻井速度,克服井漏、粘卡等恶性工程事故,保护油气储层等方面具有显著优势。目前国家对气体钻井的科技攻关主要集中在提高钻速、保护储层、井口安全以及新装备研发等方面,较少考虑钻井中出现的腐蚀冲蚀特点及其危害。本文将地面排砂管线作为研究对象,以钻探四川盆地坚硬地层作为工程研究背景,从多个角度探究了排砂管线冲蚀磨损特性并提出相应的结构优化设计方案,具体做出如下研究内容:(1)明确排砂管线受冲蚀最严重的管段位置,发现由冲蚀导致的管线刺漏多由此管段诱发。考察了排砂管线应用现状及详细地调查气体钻井安全事故,并整理了国内外关于冲蚀磨损和排砂管线的研究现状,确定管线冲蚀磨损的主要影响因素。(2)基于显示动力学理论,利用LS-DYNA建立多颗粒冲蚀模型,模拟气体钻井排砂管线易损管段冲蚀损伤演化过程,深入探究冲蚀机理及工程参数对冲蚀结果的影响,为减冲设计管材选择提供理论依据。以易损管段整段作为研究对象,从计算流体力学角度分析了管内流场和岩屑运动轨迹对管壁造成冲蚀的内在机理,为过渡接头的结构优化设计提供新思路。(3)考虑了气体钻井在钻进时钻遇不同地层井底返出混合介质属性及流动特征发生变化,对排砂管线易损管段冲蚀磨损地影响。钻遇出气层时井内总气量增加,携岩气体高速涌入排砂管线及钻遇出水层时井底返出气液固三相混合物,使排砂管线内部流动规律复杂多变冲蚀磨损难以预测。考虑了钻进时井下发生岩爆这一特殊情况,返出的岩屑量急剧增加且粒径大而多棱角,计算各情况下的管线冲蚀磨损程度。(4)考虑到地理条件地限制和现场管网地布置特点,需要用不同结构的弯接头作为连接过渡。分别研究了不同结构参数的接头在正常气体钻进条件下的冲蚀磨损特性,同时分析了不同结构的优劣。(5)根据前文研究结论,结合弯接头和T型接头的优缺点,提出结构优化的接头用作排砂管线易损管段的过渡连接。验证该接头在不同工作条件下的冲蚀磨损程度和管内岩屑运动轨迹特征,各结果参数表现良好。