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。     

径向孔眼辅助压裂裂缝形态

为研究不同径向孔眼参数对裂缝形态的影响规律,基于地层流-固耦合方程,应用ABAQUS有限元软件,利用最大拉应力准则判断裂缝起裂位置并预测裂缝扩展形态,最后通过大型真三维物模实验验证数模结果。结果表明:在径向孔眼内水力加压会改变原始地应力分布并形成干扰应力场;裂缝面由孔眼起裂并以缝高增长的方式扩展,当缝高增长超出干扰应力场后受水平地应力差影响转向;当同一水平面孔眼数量大于4时,干扰应力场即可互相连结成新的应力场;当以x、y轴均对称方式钻孔会形成形态复杂的多裂缝。径向孔眼对压裂裂缝具有引导能力,多径向孔眼具备构造复杂多裂缝的能力,利用径向孔眼对压裂裂缝的影响特性可有效提高传统压裂技术的改造效果,提高产能。     

连续管压裂冲蚀磨损性能研究

鉴于连续管压裂冲蚀失效的研究较少,且不全面,采用欧拉-拉格朗日方法以及Finnie冲蚀磨损理论,研究了压裂液对螺旋段连续管冲蚀磨损机理。采用控制变量法分别研究了支撑剂质量浓度、携砂液流量以及支撑剂粒径对螺旋段油管冲蚀磨损率的影响。研究结果表明,压裂液对螺旋段连续管的冲蚀磨损主要发生在油管外侧,除油管入口段外,其余部分冲蚀情况几乎相同;随着压裂液流量及支撑剂质量浓度的增加,螺旋段连续管的冲蚀速率增加,其中压裂液流量对冲蚀速率的影响尤为显著;随着支撑剂粒径的增大,最大冲蚀速率呈现出先减小后增加大的趋势,但是其平均冲蚀速率变化不大。研究结果对连续管压裂技术的现场应用具有一定的指导作用。     

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。      

段内多簇暂堵压裂中暂堵球直径优化研究

段内多簇暂堵压裂过程中，持续加砂造成孔眼冲蚀，直径变大。按照初始孔眼尺寸设计暂堵球粒径对封孔封堵效果差，段内多裂缝难以实现均衡扩展，造成水平井整体改造效果不理想。为优化暂堵球直径，提高孔眼封堵效果，开展了地面矿场孔眼极限冲蚀试验，结合井下鹰眼成像监测结果，明确了极限冲蚀下孔径增大幅度。通过三维建模几何匹配方法，优化了暂堵球直径并通过地面暂堵试验和井下暂堵压裂矿场试验加以验证。研究结果表明：极限冲蚀情况下，孔眼内部冲蚀程度远大于外部，孔眼形状由规则的圆形通孔变为喇叭形孔，极限冲蚀后内径介于区间30～35 mm,优化暂堵球直径区间为15～22 mm,为避免暂堵球缩径飞出孔眼，确定暂堵球最佳直径为22 mm;地面矿场暂堵试验证实了22 mm暂堵球可以卡封孔眼不脱落且起压速度快。研究成果可为现场选择暂堵球直径提供指导，提高暂堵球坐封效率与压裂改造效果。     

超高压压裂流速差对压裂注入头抗冲蚀性能影响及改进措施研究

水力压裂是国内外油气田广泛采用的一项增产增注措施,现已成为重要的完井手段。为满足压裂过程中的大排量需求,通常采用6条高压管线接入到压裂注入头,实际施工中由于各管线角度及连接方式不同以及供水不流畅等,不同管线内流体到达注入头时会存在流速差。本文通过建立压裂注入头冲蚀速率计算有限元模型分析了不同流速差条件下压裂注入头受到的最大冲蚀速率,得到管线间存在的速度差越大,压裂注入头最大冲蚀速率越大。进而提出通过管线连通的方案降低管线间流速差,以降低注入头的最大冲蚀速率,研究表明管线连通后管线间的速度差显著降低,可以有效降低注入头最大冲蚀速率达12%~23.3%,最终提高注入头使用寿命。     

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。     

套管壁面颗粒冲蚀预测及减弱措施研究

为了准确预测套管壁面的冲蚀及制定相应的减弱措施,采用离散颗粒硬球模型来描述颗粒的运动,用半试验关联式来计算颗粒的冲蚀速率。提出在套管壁面设置一定数量的肋条来减弱冲蚀的方法,并对肋条的几何参数进行优化。结果表明,颗粒在油套环空内的分布呈现不均匀特征;设置肋条不仅可降低套管壁面附近连续相的流速,还可使颗粒以较低速度沿套管壁面聚集,将60%以上颗粒的冲击速度降低到0.5m/s以下,降低颗粒与壁面碰撞的平均速度,极大地提高了套管壁的抗冲蚀性能;当肋条高度为4mm、肋条宽度与间距相同(5mm)时,布置10个肋条就可以收到相对最佳的抗冲蚀效果。     

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。     

水力压裂对油管头四通冲蚀磨损分析

页岩气水力压裂对井口装置的冲蚀破坏性较大,且油管头四通为永久性连接装置,一旦破坏将带来较大风险。基于喷射型冲蚀磨损机理及计算流体力学,结合冲蚀磨损试验及模拟计算,研究水力压裂下油管头四通材料的冲蚀磨损特性以及分析计算固-液两相流冲蚀下油管头四通冲蚀磨损程度。结果表明,冲蚀角度对油管头磨损影响较大;冲蚀介质的形状及表面因素决定油管头材料冲蚀磨损量;陶粒较石英砂冲蚀磨损率大;粒度对基材的冲蚀磨损满足"尺寸效应"。基于CFD预测水力压裂下油管头的减薄率,满足作业安全要求。     

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。     

分段压裂球座耐冲蚀性能评价

为了提高分段压裂滑套球座的耐冲蚀性,根据球座材料优选、优化后的流道结构及表面处理技术,加工了4种类型的球座试样,对不同类型的试样进行了冲蚀磨损试验,并对冲蚀后的试样进行了加压密封试验,对比分析了球座的冲蚀程度和耐压能力。分析结果表明,不同结构类型的球座试样冲蚀最严重的部位都发生在球座喉道连接处,即球座与球的密封部位;经过材料优选和结构优化的22°锥角+球弧面密封QT500-7球座,在冲蚀累计过砂200 m3后密封仍可达到70 MPa,满足现场压裂应用条件。研究结果可为与球座类似的工具设计提供依据。     

基于流场分析的压裂四通管汇冲蚀预测

四通接入式压裂管汇是使用较多的一种管汇布置方式,该布置下的流场性能、冲蚀性能备受设计和现场应用人员的关注。建立了压裂管汇四通冲蚀预测模型,使用CFD方法及Fluent软件,在压力、速度流场分析基础上,研究不同粒径、入流速度、陶粒密度对管道内壁的冲蚀影响与机理,并开展寿命预测。研究结果表明,四通内壁冲蚀率随陶粒粒径、流速、密度增大而增大,且四通交汇区域冲蚀现象严重。安全范围内,预测压裂四通管汇在最大平均冲蚀速率下的最小使用寿命为30 000 min。     

水平井分段压裂投球滑套球座冲蚀分析

水平井早已成为提高油田勘探开发综合效益的重要途径,为了更好地提高油田采收率或对低渗透油气藏的水平井进行增产改造,就必须采用一些增产技术。水平井分段压裂技术是水平井增产的重要技术,流体携砂冲蚀是水平井分段压裂中工具失效的主要原因之一。为此采用计算流体力学(CFD)方法建立了流体携砂冲蚀的流固耦合模型。通过计算确定滑套球座冲蚀的主要区域,并通过改变压力、砂流量和球座锥面角度进行再计算,总结出影响冲蚀效果的规律。分析结果对整个投球滑套的设计具有指导作用。     

液固两相流对八通压裂头的冲蚀研究

为探究高压流体对八通压裂头的冲蚀磨损规律,建立了八通压裂头的流道模型.基于冲蚀磨损理论,研究了压裂头内部液固两相流特征及流速、颗粒质量流量、颗粒直径和流道结构对最大冲蚀率的影响规律.研究结果表明:冲蚀磨损主要发生在竖直流道壁面的出口段区域,呈条形带状分布,并且从出口端往上越靠近流道交汇处冲蚀磨损率越大;最大冲蚀率随流速...     

压裂泵入流体在射孔孔眼处的压力损失计算

压裂过程中压裂液流体在泵入所压开裂缝过程中的压力是诊断、分析压裂施工效果及裂缝性质的重要信息，而压裂液流过措施井的射孔孔眼时的压降对裂缝中的压裂压力分析有着一定的影响。本文应用非牛顿流体的基本特性和研究方法，基于管流中液体流动的分析思路，对压裂过程中泵入流体在射孔孔眼中流动的压力损失的进行理论计算；对不同的压裂液流体在孔眼处的压降损失与射孔段的密度、射孔孔眼的孔径的关系做了定性分析；同时对压裂液流变性、舍砂液的支撑剂浓度等对所孔眼处压降损失的影响进行了计算分析。所得到的分析结果从理论上给出了压裂液在射孔孔眼处的压力损失的影响规律。     

水平井喷砂射孔填砂压裂工具冲蚀规律

连续管携带的压裂工具串冲蚀十分严重,制约了水平井喷砂射孔填砂压裂工艺作业效率及推广应用.为此,通过观察现场压裂作业后井下工具串的冲蚀形态,确立了工具主要冲蚀区域的结构特征,通过数值模拟对3种易冲蚀结构进行冲蚀机理研究,找出了冲蚀速率的影响因素,提出了压裂工具的优化思路.研究结果表明:压裂工具在环空高速携砂液冲蚀下会在其...     

限流压裂设计和数值模拟方法研究

基于三维水力裂缝几何模型，根据限流压裂设计中流体流动与循环电路中电流流动的相似性，建立一个计算限流压裂设计中各层注液量分配的数值模型。根据所建立的模型，对比分析了炮眼个数、地层特性等因素对限流压裂施工的裂缝几何参数的影响程度，得知影响限流压裂设计中裂缝几何参数的主要因素是各层炮眼个数、最小主应力和地应力差。因此，进行限流压裂设计必须综合考虑炮眼个数、地层特性等因素对限流压裂施工的裂缝几何参数的影响，以准确预测各层裂缝几何参数和改造程度。     

水力压裂工况下42CrMo材料冲蚀磨损特性研究

利用自制的喷射型冲蚀磨损试验机,研究了水力压裂工况下高速携砂液对高压管汇材料42CrMo钢和45#钢的冲蚀磨损作用。研究结果表明,随着携砂液中砂粒质量浓度和粒径的增大,材料的冲蚀磨损量相应增多;材料的冲蚀磨损量随冲蚀速度的提高而显著增多,冲蚀速度与冲蚀磨损量呈一定指数关系,冲蚀粒子粒径和冲蚀速度对材料冲蚀磨损量的影响可概括为冲击粒子动能的影响;在粒子高速冲击时,42CrMo钢比45#钢具有更好的耐磨性,这是由材料本身的性能决定的。