节流油嘴是高压油气井中控制流量和压力的非常重要的地面管汇部件,该类油气井流速高,压力大,流态复杂,容易造成油嘴冲蚀。冲蚀破坏导致油嘴频繁更换,给油气井的安全生产带来了严重隐患。因此急需基于减缓冲蚀和综合节流效应进行地面节流油嘴的结构优化研究。本文以地面节流油嘴为研究对象,通过节流理论、实验及数值模拟三个方面的分析,开展了节流油嘴冲蚀及结构优化研究。首先,针对天然气井或者油井,基于流体力学理论分析了天然气或者流体流经节流油嘴的流动规律,得到压裂后放喷工况下固定油嘴节流压降计算公式,分析不同井口压力、不同放喷流量及油嘴尺寸对油嘴节流压降的影响。结果表明:对于液体流经油嘴时,节流压降与油嘴长度呈线性关系,当油嘴直径超过8mm,油嘴长度对节流压降的影响非常小,而节流压降与油嘴直径呈幂函数关系。针对油嘴常用的42CrMo、硬质合金和陶瓷三种材料,利用自制的喷射式实验装置实现三种材料的冲蚀实验研究,获得流速和冲击角度对材料冲蚀速率的影响规律,采用扫描电镜分析了冲击角度和流体流速对不同材料的微观形貌的影响。实验结果表明,42CrMo钢的冲蚀质量损失随着角度的增大先增大后减小,在30°时达到最大。硬质合金和陶瓷冲蚀质量损失随着角度的增大而增大。针对两种脆性材料建立了压裂返排工况陶瓷和硬质合金材料冲蚀计算模型。利用CFD数值模拟方法分析压裂返排工况下节流油嘴内部的流场分布和冲蚀,将实验拟合出的冲蚀计算模型应用到FLUENT软件,通过改变喷嘴直径和长度来分析节流油嘴内流场和冲蚀变化,根据流场模拟结果及冲蚀分析对油嘴结构进行优化。模拟结果表明:节流压降与油嘴长度呈线性关系,与油嘴直径呈幂函数关系。当固定油嘴长度,改变油嘴直径时,油嘴直径越大,压降越小。直径越小压降变化越明显,损失也越明显;当固定节流油嘴直径时,油嘴长度越长压降越大,但变化趋势不太明显。幂率流体的冲蚀速率远大于水介质的。相比等直径喷嘴,采用变直径结构喷嘴的流动阻力更小,在相同的节流压差下,变直径油嘴的流量更大,冲蚀更小。节流油嘴内腔最大冲蚀速率发生在喷嘴入口的流体转向处。