近封隔器环空支撑剂沉降运移规律试验研究

针对水平井连续管拖动底封环空压裂施工中封隔器无法顺利解封的问题,设计了双射孔孔道水平井喷射压裂模拟装置,并利用该装置对近封隔器环空支撑剂沉降运移规律进行了试验研究。研究结果表明:随着施工排量的增加,支撑剂床高度和长度不断增加;随着压裂液黏度的增加,支撑剂床高度降低,但是支撑剂床能够被携带至环空更深处;由于压裂液黏滞力的作用,随着压裂液黏度的增加,支撑剂体积浓度不断降低;在该试验条件下,大粒径支撑剂形成的支撑剂体积浓度要低于小粒径支撑剂。研究结果对于水平井连续管水力喷射压裂施工具有参考意义。     

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。      

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。     

压裂液返排期间放喷油嘴的磨损规律研究

压裂液返排期间,由于支撑剂的回流返吐导致放喷油嘴磨损严重,不仅增加了更换油嘴的成本,而且影响压裂施工效果。为了延长放喷油嘴的使用寿命,基于光滑粒子流体动力学(SPH)和有限元(FEM)的耦合方法,对压裂液返排期间放喷油嘴的磨损规律进行数值模拟研究。以磨损速率为判断标准,优化设计了放喷油嘴的内流道结构,优选了油嘴材料,探讨了支撑剂质量分数和粒径对油嘴磨损程度的影响。研究结果表明:放喷油嘴收缩段与直线段的过渡段和出口处的磨损最严重,优选油嘴的内流道结构为流线形,收缩段长度为25 mm,整体长度为42 mm,材料为陶瓷;随着支撑剂质量分数和粒径的增加,放喷油嘴的磨损速率均呈现先增大后减小的规律;优化的放喷油嘴耐磨性强,使用寿命长,可保证压裂液返排施工高效进行。研究结果可为高压高含砂条件下的耐磨油嘴设计提供参考。     

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。     

连续油管水力压裂管内摩阻研究进展

连续油管水力压裂摩阻是压裂设计中的重要内容,同时也是压裂能否成功的指标之一。连续油管水力压裂过程中,由于对流体性质、支撑剂、曲率效应等造成的复杂流动理解不足,使得准确预测管内摩阻非常困难,尤其在卷筒上的螺旋段,因而实验成为当前研究连续油管管内摩阻的重要手段。研究认为:在其他条件不变的情况下,摩阻随连续油管管径的增大急剧变小;随压裂液排量增大而增大;随连续油管下入深度的增加总摩阻变小;随黏度和流行指数的增大而增大;随支撑剂积分数增大摩阻先增大而后减少。     

基于CFD的压裂球座冲蚀磨损数值模拟

在水平井压裂改造过程中,压裂球座的存在改变了流域的几何形状,进而影响了压裂液的流动状态,同时携砂压裂液在管道中快速运动,导致球座表面出现严重的冲蚀磨损现象,这使压裂球座的坐封配合性能下降,影响投球打开滑套以及后续压裂施工等操作的正常进行。基于CFD软件Fluent,建立了井下球座的流体动力学模型,分析了球座锥段角度、压裂液黏度和砂粒粒径等参数对井下流态以及球座表面冲蚀磨损速率的影响规律。模拟结果表明,磨损率的最大值出现在球座锥段与小圆柱段的连接处;球座表面冲蚀磨损率随着球座锥段角度的增大而快速升高,却随着压裂液黏度和砂粒粒径的增大而降低。     

高压弯管压裂液两相流模拟及流固耦合分析

弯管作为高压管汇的组成部分,发生冲蚀磨损和变形失效情况比直管更加严重,因此对高压管汇弯管部位压裂液固液两相流动及流固耦合效应进行分析具有重要意义。鉴于此,将弯管作为分析对象,采用RANS方法及标准k-ε湍流模型,得到压裂液在弯管中固液两相流压力、速度及颗粒质量浓度分布情况,并通过双向流固耦合技术分析了支撑剂质量浓度、流速及颗粒粒径等因素对弯管剪应力大小及变形的影响。研究结果表明:在弯头部位存在较大的压力和流速梯度,且支撑剂颗粒主要聚集于弯头外侧,该区域存在较大的剪应力和变形;随着支撑剂质量浓度和流速的增加,流固耦合效果越明显,弯管剪应力和变形程度增加,其中流速能显著影响弯管流固耦合程度;随着支撑剂粒径的增大,弯管的流固耦合程度先增大后减小。研究结果可为现场压裂液的设计提供参考。     

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。     

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。