套管压裂过程中射孔孔眼冲蚀数值模拟

套管压裂过程中,携砂液在射孔孔眼处产生节流,造成孔眼处发生冲蚀,使孔眼的几何参数增大甚至产生裂纹,影响施工的安全和效果。为此,利用数值模拟软件,采用欧拉-拉格朗日颗粒追踪理论,分析了不同排量和含砂量情况下射孔孔眼附近的流场、颗粒的运动轨迹及孔眼的冲蚀规律。分析结果表明,随着含砂体积分数的增大,射孔孔眼的冲蚀速率不断变大,当含砂体积分数为15%时,孔眼的冲蚀速率达到2.99×10-5m/s;当排量为9 m3/min时,射孔孔眼的冲蚀速率陡增为2.03×10-5m/s,是排量为8 m3/min时最大冲蚀速率的2倍多。研究结果可为现场射孔和压裂参数优化提供科学依据。     

水平井限流压裂对射孔孔眼冲蚀的影响

水平井限流压裂中存在携砂液冲蚀射孔孔眼现象，导致段内多簇改造不均衡，不利于地质储量的充分动用，亟需认识清楚孔眼冲蚀过程。基于孔眼摩阻公式，推导了段内多簇多孔的孔眼冲蚀模型，考虑初始孔径差异和簇间应力差，采用孔径、流量分配和孔眼摩阻的变化来量化分析孔眼冲蚀规律。研究结果表明，平均初始孔径较大、应力较小的射孔簇易产生过度冲蚀；随着孔径的增大，孔眼摩阻迅速减小，限流作用减弱，不利于缝控储量均衡动用；单纯地提升排量并不能明显减小簇间的孔眼冲蚀差异；在相对较低的携砂液浓度下，簇间孔眼冲蚀和流量分配更均匀。这说明初始孔径差异和簇间应力差是导致孔眼冲蚀不均匀的主要因素，在限流压裂设计中可通过采用等孔径射孔工艺、适当增加前置液量、优化布孔位置和数量等方法，改善施工段携砂液分配。本研究为优化水平井限流压裂设计提供了支撑。     

水力压裂过程中套管内流动冲蚀损伤规律研究

油气田水力压裂施工时,高速注入的压裂液会对套管内壁产生一定冲蚀损伤,其中井筒造斜弯肘的冲蚀问题尤为严重。基于欧拉-拉格朗日多相流模型方法,采用RNG k-ε湍流模型和改进的冲蚀模型对水力压裂过程中套管内的携砂压裂液多相流动及冲蚀过程进行了数值模拟,研究了套管内部流场分布规律和压裂参数对套管冲蚀的影响规律。计算结果表明,套管内各位置颗粒浓度分布基本一致;从井口向井下压力逐渐降低,在弯肘处压力明显降低,压裂液流速接近峰值30 m/s;在竖直井与水平井相连接入弯处45°前位置出现了冲蚀破坏危险点,冲蚀速率出现峰值。水力压裂过程中套管壁面平均冲蚀速率随平均砂比、压裂液排量及压裂砂平均粒径的增大而增大,对套管壁面冲蚀影响最为关键参数是平均砂比,其次是颗粒粒径和排量,而压裂压力影响最小。在此基础上,从井眼轨迹和套管设计、压裂工艺参数设置等方面提出了降低压裂过程套管冲刷磨损的优化建议。     

压裂液对水平井滑套球座冲蚀磨损的数值模拟

针对水平井裸眼封隔器投球滑套分段压裂技术在施工过程中出现压裂携砂液对滑套球座冲蚀磨损的问题,采用欧拉多相流理论和Finnie微切削理论,建立压裂液对滑套球座冲蚀的液固两相双流体数学模型,结合实际工程模拟不同砂比、粒径、排量等因素对球座冲蚀磨损速率的影响,并进行失效分析和现场应用。分析结果表明,压裂携砂液冲蚀球座最严重的部位发生在滑套前端锥面;施工排量对球座冲蚀磨损的影响最大,且磨损速率与排量成指数关系;粒径次之,冲蚀磨损速率随支撑剂直径的增大而减小;砂比对球座冲蚀磨损的影响最小。该球座冲蚀磨损规律为非常规油藏水平井分段压裂施工方案的优化提供了理论依据。     

大规模水力压裂过程中超级13Cr 油管冲蚀预测模型建立

大规模水力压裂过程中,高速流动的携砂压裂液会对油管内壁造成冲蚀,导致油管壁厚减薄,承载能力降低。为了准确预测大规模水力压裂过程中油管的冲蚀速率,利用自制的冲蚀实验装置,采用0.2 % 胍胶压裂液与40/70 目石英砂混合形成的液固两相流体,实验研究了冲蚀角度和流体流速对超级13Cr 油管冲蚀速率的影响,建立了适用于大排量高砂比压裂的冲蚀预测模型,运用新模型,可以比较准确地预测注入总液量和排量对超级13Cr 油管壁厚损失的影响。算例分析结果表明,大规模压裂过程中,超级13Cr 油管的壁厚损失范围为0.2~1.3 mm,应该控制排量和砂含量,防止油管壁由于冲蚀而导致安全性降低。     

套管固井滑套冲蚀磨损模拟分析与试验研究

为准确分析套管固井滑套长时间在固液两相流中冲蚀后的磨损情况及可靠性,在进行冲蚀理论分析和数值模拟的基础上,利用研制的冲蚀磨损试验装置,研究了特定工况下固井滑套带孔短节的冲蚀磨损情况,分析了滑套孔眼冲蚀磨损速率与孔眼数量、砂比及排量的关系,建立了冲蚀磨损速率新模型,研究了滑套带孔短节孔眼过流能力与冲蚀磨损速率的关系;同时,结合数值分析结果和试验数据,得到了A型材质滑套短节的冲蚀磨损系数。研究结果表明,当滑套孔眼为2个时,含砂流体对滑套孔眼周边的冲蚀磨损较为明显,且滑套孔眼冲蚀磨损速率与砂比呈线性关系,与排量呈指数关系。该研究结果可为套管固井滑套可靠性评估提供理论依据,且能够指导滑套压裂工具的现场应用。      

气井井下防砂工作筒冲蚀性能研究

为降低气井压裂后出砂对生产管柱及地面设备造成的危害,延长气井生产管柱使用寿命,提高生产安全性,研发了气井井下防砂工艺技术。研制的工作筒作为防砂筛管井下定位的关键部件,在压裂过程中受高速支撑剂颗粒冲蚀作用而磨损,其定位可靠性存在风险。为研究工作筒的冲蚀规律,运用数值模拟软件对工作筒在不同排量、砂比、粒径条件下的冲蚀情况进行分析。研究结果表明：支撑剂对工作筒的冲蚀磨损主要发生在筒内变径区域;随着施工排量的增加,工作筒的冲蚀速率随之增加,且成近似指数关系;在施工排量及砂比一定的条件下,颗粒直径变大,冲蚀磨损呈现出先增大后减小的趋势。分析结果可为防砂工作筒结构的优化设计提供依据。     

分层压裂管柱冲蚀特性数值模拟与实验分析

水力分层压裂技术由于施工排量大、携砂量大、管柱工具井下工作时间长，导致压裂管柱工具部件冲蚀严重。为了研究井下压裂工具冲蚀规律，有针对性分析了井下压裂部件的3种易冲蚀结构:轴向键结构、径向开孔结构和变径结构。采用CFX流场仿真模拟软件，研究了混砂液在易冲蚀结构位置的流场分布，总结出混砂液对易冲蚀结构的冲蚀磨损规律，并通过井下易冲蚀部件实验对有限元计算结果进行了验证。研究表明，键尖冲蚀率随轴向键的键尖形状由大到小变化顺序为:键尖角度60°、90°、45°、180°（键尖圆形）、30°，且键尖部位冲蚀率明显大于键尾冲蚀率；方形出砂口比圆形出砂口抗冲蚀能力强；缩径结构变径比越小冲蚀影响越明显，扩径结构的冲蚀影响可忽略；室内实验结果与有限元计算结果的最大相对误差为10.9%，说明了数值模拟结果的准确性。研究结果为分层压裂工具结构与管柱组合设计提供了理论和施工依据。     

射孔孔眼磨蚀对分段压裂裂缝扩展的影响

非常规油气藏分段压裂施工中常利用射孔限流法促进段内多条水力裂缝均匀发育,压裂过程中,支撑剂会逐渐磨蚀射孔孔眼,致使射孔孔眼的限流作用失效。为研究射孔孔眼磨蚀现象对分段压裂中多裂缝发育的影响情况,耦合了孔眼磨蚀模型和水力裂缝扩展模型,建立了考虑射孔孔眼磨蚀的水平井分段压裂裂缝扩展模型。模拟结果表明:随着支撑剂磨蚀破坏射孔孔眼,孔眼的限流能力显著下降,导致压裂段内各水力裂缝尺寸差距增大。基于所建立的数值模型,研究了不同支撑剂浓度、压裂液排量条件下射孔孔眼磨蚀对压裂段内多条水力裂缝扩展的影响。结果表明:(1)压裂液内支撑剂浓度越高,射孔孔眼初期的磨蚀速度越快;(2)支撑剂浓度变化对段内裂缝扩展延伸的影响较小;(3)压裂液排量越高,射孔孔眼限流效果越好,压裂段内各裂缝发育越均匀。最后建议在分段压裂施工中尽可能提高压裂液排量,这将有助于压裂段内各裂缝的均衡发育。     

基于裂缝诱导应力场的套管应力影响因素分析

水平井分段压裂形成人工裂缝，产生的裂缝诱导应力场影响套管应力分布。为研究在裂缝诱导应力场作用下套管应力影响因素，基于理论公式和有限元分析方法，建立套管应力力学模型和裂缝-地层-水泥环-套管三维有限元模型，借助力学模型验证有限元模型的可行性，模拟岩石弹性模量、套管内壁压力、水泥环弹性模量、地应力变化和施工排量对套管应力的影响，并针对徐深气田实际压裂段进行实例分析。研究结果表明：当岩石弹性模量低于15 GPa时，套管发生塑性形变，套管内壁无压力加剧了套管塑性变形程度；当套管内壁压力为100 MPa时，水泥环软硬程度对套管应力基本无影响；套管应力随着水泥环弹性模量的增大呈现增大的趋势，水泥环泊松比和软硬地层不改变套管应力变化趋势；随着地应力差值的增大，套管应力呈现减小的趋势；施工排量为16 m³/min时，套管存在塑性变形，达到极限施工排量18 m³/min时，套管完全失效。研究成果对压裂段套管的损坏防治具有一定的指导意义。     

超级13Cr钢在蒸馏水和3.5wt%NaCl含砂流体中的冲蚀实验研究

大型储层改造过程中,高速含砂流体引起的冲蚀是管柱失效的重要原因之一。利用自行研制的喷射式冲蚀实验装置,以蒸馏水和3.5 wt%Na Cl为模拟溶液,对比研究了超级13Cr钢在含砂液固两相流体中的冲蚀速率随主流速度和压裂排量的变化规律。分析了Cl-1对超级13Cr钢的冲蚀的加速作用机理。研究表明,对于89mm×6.45 mm油管压裂,当排量低于2.2 m3/min时,Cl-1加速超级13Cr钢冲蚀速率作用不够明显;当排量在2.2~2.75 m3/min时,Cl-1使得电化学腐蚀加剧,导致总的冲蚀速率急剧增加;当排量大于2.75 m3/min时,冲蚀速率主要由冲刷流体产生及机械作用主导,Cl-1的影响开始降低。     

压裂过程超级13Cr油管冲刷腐蚀交互作用研究

压裂过程中,高速含砂流体引起的冲蚀-腐蚀协同作用是引起油管、井下工具等设备失效的重要原因之一。利用自行研制的喷射式冲蚀试验装置,以质量分数3.5%的NaCl含砂液、固两相流体模拟加砂压裂液,采用失质量法研究了压裂排量对超级13Cr油管材料的冲刷磨损和腐蚀交互作用。研究结果表明,在质量分数3.5%的NaCl含砂流体中,超级13Cr油管用钢冲刷和腐蚀交互作用可以分为冲刷加速腐蚀和腐蚀加速冲刷磨损2部分。以114.3 mm×6.88 mm油管压裂为例,在液体排量超过2.65 m3/min时,因为冲蚀加速腐蚀和腐蚀加速冲蚀产生的交互作用都明显增大,导致总的冲蚀速率急剧上升;继续增加排量,交互作用开始由冲刷磨损主导,而冲刷加速腐蚀部分产生的交互作用降低。研究结果可为预防油气田压裂过程超级13Cr油管冲蚀提供参考。     

高压管汇冲蚀磨损规律研究

针对高压管汇在压裂作业时内壁受冲蚀作用导致磨损破裂失效的问题,基于固液两相流和冲蚀磨损理论,利用FLUENT软件研究了高压管汇内壁的冲蚀磨损率和冲蚀离散量分布规律,分析了高压管汇的弯管段曲率半径、弯曲度和管汇内壁直径对管汇冲蚀磨损规律。研究结果表明:高压管汇的弯管出口处发生冲蚀磨损最严重,离散量集中分布在弯管处至直管出口处,而在直管段冲蚀磨损率很小;随着管汇的内壁直径、弯管曲率半径和弯管段弯曲度的增大,管汇的最大冲蚀磨损率和平均冲蚀磨损率减小;随着进口流速的增加,管汇的最大冲蚀磨损率和平均冲蚀磨损率增大。研究结果可为高压管汇的失效、预防以及安全防护提供参考依据。     

全通径滑套分段压裂工具耐冲蚀性能试验研究

结合全通径分段压裂滑套工具现场使用工况,设计了一套适用于大排量、高砂比、长时间冲蚀模拟试验装置以及性能验证装置,试验时平均排量4.5~6.0 m3/min,含砂体积分数20%~30%,有效冲蚀时间达到24 h,充分模拟了全通径分段压裂滑套和开关工具的耐冲蚀性能,并深入分析了工具各项性能指标。试验结果表明,滑套孔眼中轴向冲蚀较周向冲蚀更为严重;开关工具经冲蚀后液缸边角位置发生一定的冲蚀磨损,经联机及密封测试后,滑套密封压力仍稳定在70 MPa,开关工具锁块仍能顺利伸缩,并成功多次打开、关闭滑套。全通径滑套分段压裂工具经长时间、大排量、高砂比冲蚀后,工具性能均能满足使用要求。     

超深井变径连续管冲蚀磨损规律研究

针对超深井变径连续管的冲蚀问题,基于冲蚀理论和固液两相流理论,对变径连续管的井下水平段和滚筒缠绕段进行冲蚀模拟分析,研究变径连续管不同壁厚和变壁厚段的冲蚀情况,采用控制变量法研究排量、含砂比、颗粒直径以及颗粒密度对变径连续管的冲蚀影响规律。研究表明：随着壁厚的减小,变径连续管内壁的冲蚀逐渐减小,变径段的冲蚀要比不变径段的冲蚀小,而且滚筒缠绕螺旋段的冲蚀集中在连续管外侧。此外,随着排量、含砂比、颗粒密度的增加,最大冲蚀速率呈增大的趋势;随着颗粒直径的增加,最大冲蚀速率呈减小的趋势。研究结果对变径连续管的应用具有一定的指导作用。     

水力喷射压裂用喷嘴耐冲蚀试验方法研究

喷砂射孔所用磨料、压裂液和支撑剂均需通过喷嘴,并以较高的压力和排量被泵注到地层和裂缝中,导致喷嘴冲蚀严重及其内部流道变形,这将降低喷嘴的冲蚀切割能力,对压裂施工的顺利进行产生很大的影响。鉴于此,对水力喷射压裂喷嘴冲蚀程度随喷射时间变化的规律进行试验研究。设计了试验方案,分析了喷嘴冲蚀特性,确定了试验参数,并得到了喷嘴直径与时间的拟合模型。试验结果表明:在排量3 m~3/min、砂比10%的工况下,喷嘴内壁的破坏形式以微切削和疲劳损伤为主,喷嘴出口处脆性破坏明显;喷嘴直径及喷嘴质量与磨蚀时间具有明显的线性关系。研究结果对工具的合理使用和延长工具使用寿命有着重要的指导意义。     

含砂介质对异径管的冲蚀磨损分析

为探究含砂介质对异径管的冲蚀磨损规律,建立了异径管物理模型,使用Fluent软件进行数值模拟,分别以介质进口速度、介质含砂质量流量、管口径比(小口管径与大口管径之比)和过渡段倾角为变量进行仿真分析。分析结果表明:异径管的冲蚀速率随进口速度的增大而增大,并且其增长速率也随着进口速度的增大而增大;异径管冲蚀速率与流体介质含砂质量流量呈正相关关系;随着管口径比的增大,介质对异径管的冲蚀速率逐渐减小;冲蚀部位在管口径比发生变化时也会发生改变,当管口径比较小时,冲蚀部位分布在过渡段靠近小口端一侧,管口径比增大,冲蚀部位发生偏移,并在管口径比达到0.7时,变成了靠近大口端一侧;过渡段倾角增大,含砂介质对异径管的冲蚀速率逐渐增大,其增长速率也随着过渡段倾角的增大而增大。研究结果可为异径管的设计和使用提供指导。     

螺旋屈曲状态下连续管冲蚀因素分析

针对连续管作业过程中连续管与套管之间形成较大环空间隙时，容易发生螺旋屈曲，以及连续管内壁冲蚀严重的问题，采用试验和数值模拟方法，对螺旋屈曲连续管的内壁冲蚀进行研究，并对试验和数值分析结果进行非线性拟合，以获得不同颗粒粒径、流量、屈曲螺距等因素对连续管内壁冲蚀的影响规律；同时通过试验获得相应的参数为仿真提供依据，提高模拟仿真的准确性，并利用灰色关联分析法(GRA)对连续管冲蚀模拟仿真数据进行分析。分析与试验结果表明，随着流量的增大，连续管的冲蚀速率呈线性增加；随着颗粒粒径以及屈曲螺距的增加，连续管的冲蚀速率逐渐减小。其中，当颗粒粒径增大时，颗粒的数目为主要影响因素；当屈曲螺距越小时，冲蚀分布越均匀。所得结论可为连续管作业过程中的冲蚀防护提供理论支持。     

海上油气井防砂筛管冲蚀规律和失效预测研究

防砂筛管冲蚀失效直接影响到海上油气井能否安全高效生产,实时掌控筛管冲蚀程度,预测筛管使用寿命是海上油气井生产安全的重要保障。通过设计管流式冲蚀实验装置,开展了筛网过流单元冲蚀实验,并基于冲蚀经典理论模型,拟合建立了筛管冲蚀速率模型;依据编织型过滤金属网布筛管结构特征,构建了完整结构的筛管外护罩、多层过滤筛网和打孔基管物理模型,应用计算流体力学流固耦合模拟器,研究网布式筛管冲蚀规律,预测生产工况下筛管冲蚀寿命,并进行了实例分析。研究结果表明,筛管冲蚀速率随含砂流体流速呈幂函数关系,随含砂浓度先线性增大后趋于平缓,随含砂粒径增大先增加后降低并趋于纯流体冲蚀速率。本文揭示的筛管冲蚀规律和建立的预测模型可为海上油气田防砂设计和安全生产提供理论依据。     

水力压裂工况对活动弯头冲蚀行为的影响

目的探究压裂施工参数对活动弯头冲蚀的影响,厘清不同工况条件下活动弯头冲蚀行为及冲蚀速率的演化趋势。 方法使用CFD软件建立通径为69.85 mm的双弯弧活动弯头模型,结合压裂实际工况,分别针对不同安装角度、支撑剂质量流量、压裂液流速及黏度条件下活动弯头冲蚀行为进行仿真计算。 结果不同工况条件下弯头最大冲蚀速率均出现在第二弯弧外拱侧出口处。在其他参数相同的条件下,活动弯头最大冲蚀速率在安装角度75°时出现极小值;支撑剂质量流量在4.2～25.2 kg/s 范围内,最大冲蚀速率呈线性增大,当支撑剂质量流量达到 33.6 kg/s 后,由于“屏蔽效应”导致冲蚀速率增速较略有降低;冲蚀速率随着压裂液流速增大呈近似指数型增长趋势;压裂液黏度在 10～40 mPa·s 范围内时,活动弯头最大冲蚀速率较为平稳,随着黏度逐渐增大,最大冲蚀速率也随之增大,并在 120 mPa·s 后趋于平稳。 结论研究结果与现场实际基本符合,可为压裂现场活动弯头布局及施工参数优化提供有效参考。 