水力喷射孔内射流增压规律数值模拟研究

水力喷射压裂过程中,高压射流会使水力射孔孔道内压力高于环空压力,形成孔内射流增压.孔内射流增压值是进行地面泵压预测和套管压力控制的基础.由于受到实验条件的限制,地面很难获得实际工况下的孔内射流增压值,因此,文章采用计算流体力学(CFD)方法,建立了二维水力喷射流场物理模型,模拟得到了实际 工况下水力喷射孔内射流增压值以及喷嘴压降、环空围压和入口面积比对孔内射流增压的影响规律.结果表明,在实际施工参数条件下,孔内射流增压值可达10.7～12.5 MPa;喷嘴压降和入口面积比是影响孔内射流增压的两个主要因素,而环空围压对孔内射流增压没有影响.     

连续管水力喷射压裂机理与试验研究

面对我国日益增加的"多井低产"问题,连续管水力喷射压裂技术作为一项能够有效提高单井产量的新技术而备受关注。依托国家863计划的重点课题,探索了连续管水力喷射压裂机理;基于孔内压力分布的数值模拟,验证了水力射流射入孔内的增压作用与水力封隔作用导致孔内压力升高的作用机理,分析了主要参数对孔内压力分布的影响;以连续管管径为重要特征参数,提出了连续管水力喷射压裂3种作业方式。基于试验研究,验证了连续管水力喷射压裂机理和数值模拟计算结果,认为在相同喷嘴压降下,孔内压力随着围压增加近似于呈线性增大;在井眼垂深较大、地层破裂压力较高时,推荐使用高一些的喷嘴压降,以获得更好的增压作用与水力封隔效果;对于连续管水力喷射压裂,通常采用管径不小于50·8mm(2英寸)的连续管。     

中高渗疏松砂岩水力喷射压裂水动力封隔特性

为确定海上疏松砂岩高渗透条件下水力喷射孔内流体增压特性是否满足岩石定点起裂条件,采用了计算流体力学方法,基于达西定律推导出速度与渗透率关系方程,建立了考虑岩石孔眼边界高渗条件下水力喷射孔眼内流体动力学模型,实验验证模型可靠,得出了地层渗透率、喷嘴压降、环空围压等关键参数对孔内流体增压的影响规律。结果表明,疏松砂岩高渗透性是降低其水力喷射压裂水动力封隔能力的关键因素,孔内流体增压值随储层渗透率升高呈现非线性递减;喷嘴压降与孔内流体增压值呈线性增加关系,但孔内流体增压值的增长斜率随储层渗透率升高而降低;环空围压对孔内流体增压值无显著影响;敏感性分析表明,影响孔内流体增压的参数排序：储层渗透率>喷嘴压降>环空围压。研究结果可为海上水力喷射压裂水力学参数优化设计提供理论依据。     

超临界CO2喷射压裂孔内增压机理

利用计算 流体力学方法模拟了超临界CO₂喷射压裂过程中的孔内流场,对比和分析了超临界CO₂喷射压裂与水力喷射压裂的增压效果,并研究了各参数对超临界CO₂喷射压裂增压效果的影响。研究结果表明:超临界CO₂喷射压裂在相同条件下具有比水力喷射压裂更强的孔内增压效果,在喷嘴压降为30 MPa时,其增压值比水力喷射压裂高2.4 MPa;超临界CO₂喷射压裂的孔内增压值随着喷嘴压降和喷嘴直径的增大而增大,随着套管孔径的增大而减小,且不受环空压力和超临界CO₂流体温度的影响。     

深水钻井喷射下导管水力参数优化设计方法

针对目前现有深水钻井喷射下导管水力参数设计方法没有较强理论支撑的问题,以射流和岩土力学理论为基础,推导出了导管喷射下入临界出口速度及临界排量的计算公式,并据此提出了深水钻井喷射下导管水力参数的优化设计方法,给出了设计原则和设计步骤.分析了深水钻井喷射下导管常用钻头与导管组合采用不同直径喷嘴时的临界排量,对于φ660.4 mm钻头和φ762.0 mm导管的组合,喷嘴当量直径为24.0 mm时,临界排量为69.5 L/s;喷嘴当量直径为26.0~30.0 mm时,破土直径最大为762.0 mm.在排量一定的情况下,喷嘴当量直径越小,能够破碎地层的强度也越高.对西非深水JDZ区块深水钻井喷射下导管的水力参数进行设计,选用φ14.3 mm喷嘴时,设计排量与实钻排量对比,误差不超过10%,证明该优化设计方法的设计结果合理,可用于深水钻井喷射下导管水力参数设计,指导现场施工.      

水力喷射工具的研究及开发

水力喷射工具是水力喷射压裂和喷射酸化工艺的重要设施,它是将流体压力转化为速度的一个装置。其中喷嘴是喷射工具喷射射流的执行元件。文章运用工程流体力学原理确定了喷嘴的结构形状和几何参数,并根据能量守恒、动量守恒原理和伯努利原理对喷射关键参数进行了理论计算,根据喷嘴结构参数并结合现场条件设计出了喷射工具。在材料选择上,考虑工作液体可能为酸液,优选出了耐腐蚀的高强度碳化硅陶瓷喷嘴。最后,根据现场碳酸盐岩清水喷射实验结果,该喷嘴仅用清水在４０ＭＰａ驱动压力,１１０Ｌ／ｍｉｎ排量下达到了破岩效果,延伸了岩心孔道。从而验证了喷嘴设计的合理性以及喷射破岩的有效性,该工具的设计和开发对喷射压裂和喷射酸化技术具有现场实用价值。     

射流式水力降压实验研究

采用研制的射流式水力降压模拟工具及其相应的试验台架,对一种在常规钻井方式下有效降低井底压力的射流式水力降压方式进行了实验研究。着重研究了工具喷嘴直径、排量及安装位置距钻头距离对降压效果的影响。研究得出如下结论:(1)射流式水力降压工具的降压效果随排量的增加而增加,在排量为9 L/s,工具距钻头距离L=0,喷嘴直径N=2.5 mm情况下,井底环空产生最大压差为0.45 MPa,当L=6 m,N=3.5 mm,工具吸入口处产生最大压差0.58MPa,该处压差平均降低17.74%;(2)工具降压效果与工具安装位置及喷嘴尺寸选择有关,工具安装在近钻头处,降压效果最明显,过于远离井底,降压效果波及不到井底,L>2 m时对井底环空压降趋近于0;(3)射流式水力降压工具可以有效地解决窄密度窗口地层的涌、漏等故障。     

水平井旋转射流冲砂洗井水力参数设计方法

水平井旋转射流冲砂洗井,是通过旋转射流清洗工具在井筒内产生射流冲击作用和环空旋流效应来洗井,不仅能有效解决油田冲砂作业中存在的砂卡问题,还能在一定程度上解除井筒近井地带的污染,降低表皮系数。但是,目前国内冲砂洗井的各种水力参数往往是根据直井冲砂经验确定的,喷嘴也没有经过专门设计,没有形成完善的工艺,给现场应用带来了很大困难。从水平井旋转射流冲砂洗井机理入手,建立了水力参数优化设计方法:首先计算出水平井不同井段所需要的最小工作排量,再根据最小工作排量求出循环压耗、喷嘴压降和射流冲击力等参数;以最大射流冲击力为目标函数,以最小排量为起点,设一个排量基数,在最小排量基础上逐渐增加排量基数,在满足泵压和泵功率的条件下,选择最大射流冲击力下的排量为最优排量。水力参数设计方法在长庆油田元东平6井等3口井进行了现场应用。应用结果表明,设计的排量既能满足各个井段的冲砂洗井要求,又获得了最大的射流冲击力,节省了冲砂洗井作业时间,降低了作业成本,经济效益明显。      

水力喷射分段压裂密封机理

采用室内试验,结合计算流体力学方法,系统研究了水力喷射分段压裂过程中的密封机理,确定了影响射流密封性能的3个因素,即射流压力、喷嘴直径和套管孔眼直径,并获得了影响规律及计算模型。研究结果表明：高速射流周围存在低压区域,促使环空注入的高压液体流入喷射位置,然后在射流黏滞作用下被带入裂缝中,依靠射流实现密封;密封压力随射流压力和喷嘴直径增大而增加;套管孔眼能够防止孔道的高压液体影响密封压力,辅助高速射流,进一步增强其密封性能;水力喷射分段压裂技术应用于裸眼井时,射流密封性能有限。     

水力喷射注氮压裂工艺及参数设计计算

针对常规水力压裂技术在低压、低渗和能量衰竭地层应用中,常会出现压裂液滞留及返排率低等问题,提出了水力喷射注氮压裂方法,并论述了该方法的特点及施工流程。在分析水力喷射注氮压裂井筒流动压降基础上,结合水力喷射参数及喷嘴组合优选原则和具体实例给出了工艺参数设计方法和计算步骤。计算结果表明,对于同一喷嘴组合而言,地面油管压力随着油管排量的增加而增加,但会随着井口氮气干度的增加而降低;对于不同喷嘴组合,都有其所适用的油管排量和井口氮气干度范围,可用于指导施工时参数设计;水力喷射注氮压裂存在一个最优油管泵注排量,该排量可以满足设计中所有的井口氮气干度要求,文中算例的最优油管施工排量为2.5~3.0 m3/min;最后分析了水力喷射注氮压裂相对于常规液氮压裂所具有的优势。分析和计算的结果可以为水力喷射注氮压裂现场应用以及参数设计提供参考。