液固两相流对活动弯头的冲蚀研究

为了探究流体在输送中对活动弯头的冲蚀规律,以76. 2 mm (3 in) 10型长半径活动弯头为研究对象,建立了该型号活动弯头的物理模型。利用Fluent软件进行仿真分析,分别针对活动弯头的安装角度、流体进口速度、固体颗粒质量流量及固体颗粒直径等因素进行了数值模拟。研究结果表明:流体对活动弯头的冲蚀速率随着安装角度的增加呈现出先增大后减小的变化规律,并且在安装角度为3π/8时冲蚀速率达到最大值;随着流体进口速度的增大,其对活动弯头的冲蚀速率逐渐增大,其增长速率也逐渐增大;冲蚀速率与固体颗粒质量流量呈线性正相关关系;当固体颗粒直径增大时,冲蚀速率呈现出先减小后增大的变化规律,在颗粒直径为150μm时达到最小值,在颗粒直径大于500μm时,冲蚀速率的增长趋于平缓。研究结果可为活动弯头的进一步优化设计提供参考。     

射孔工况下多喷嘴水力喷射工具冲蚀研究

大排量高砂比水力喷砂压裂的射孔过程中,高速流动的携砂液会对喷射工具表面产生严重的冲蚀损伤。根据喷射工具本体材料35CrMo钢的喷射式冲蚀实验,得到了半经验的冲蚀计算模型。结合DPM数值模拟方法获得射孔过程中工具内部的液固两相流场分布及壁面冲蚀速率,讨论了液相参数和固相颗粒参数对流经上、下游喷嘴颗粒含量及喷嘴入口区域冲蚀损伤的影响。计算结果表明,当工具内部流动达到稳定时,下游喷嘴的颗粒含量大于上游喷嘴的颗粒含量,下游喷嘴入口区域的冲蚀损伤更为严重,颗粒含量及冲蚀损伤的差异性在使用大排量、高黏度液体和大直径、高密度颗粒时更为严重。为防止因上、下游喷嘴颗粒含量差异较大影响射孔效率的情况,建议在实际生产过程中,使用携砂性较好的高黏度压裂液和低密度小直径的颗粒,在保证作业效率和工具寿命的同时控制施工排量。     

弯头的冲蚀问题及其预测和预防

根据近年来国内外在弯头冲蚀方面的研究，对弯头处颗粒的冲蚀问题进行了描述，并介绍了弯头的冲蚀预测方法和预防措施。     

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。     

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。     

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。     

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。     

岩石脆性对水力压裂裂缝影响的数值模拟实验

水力压裂裂缝起裂与拓展轨迹对致密油气储层水力压裂改造效果的影响至关重要。基于胜利油区某区块埋深为3200m的致密砂岩储层岩石试样的单轴压缩物理实验结果,应用数值模拟软件RFPA~(2D),对单轴压缩数值模拟实验中的岩石力学参数进行标定,建立数值模拟模型,研究岩石脆性指数及残余应力水平对水力压裂裂缝拓展轨迹的影响。研究结果表明:岩石脆性指数越大,越有利于水力压裂裂缝的拓展,并且产生的裂缝越宽,起裂压力越小,形成有效复杂裂缝网络的面积越大,水力压裂改造的效果越好;岩石残余应力水平越低,水力压裂产生裂缝的发育程度越高,并且压裂裂缝的宽度越宽,起裂压力越低,水力压裂改造的效果越明显。     

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。     

套管孔眼压裂冲蚀大型现场实验研究

限流压裂过程中,携砂液高速流经射孔孔眼会产生严重的冲蚀现象,孔眼形态发生改变,导致孔眼限流作用失效,直接影响压裂改造效果。为明确限流压裂条件下孔眼冲蚀规律,本研究设计并搭建了孔眼冲蚀大型现场实验模拟系统,孔眼流速可达到191 m/s,套管压力达到35 MPa以上,采用真实压裂材料进行模拟实验,针对压裂施工的主要参数对套管内壁孔眼冲蚀规律进行实验研究。实验结果表明：井筒内壁孔眼冲蚀分布存在明显的不均匀性,孔眼优先沿跟端侧发生形变;压裂液黏度增大有助于孔眼限流作用保持;相同工况条件下,陶粒组冲蚀速率大于石英砂组;冲蚀速率对排量较为敏感,排量增大会加速孔眼限流失效;冲蚀速率与砂比间呈非线性关系,孔眼冲蚀速率在砂比7%～16%范围内相对稳定,砂比超过16%后,孔眼冲蚀速率急剧增大,在施工过程中建议将砂比控制在16%以下,可减缓孔眼冲蚀导致的孔眼形变。     

基于体位错理论模拟水力压裂过程的数值方法

提出了一种新的基于体位错理论模拟水力压裂过程的数值算法.将体位错理论与滤失方程、流体动量平衡方程、流体质量平衡方程和系统质量平衡方程耦合,全面地模拟了水力压裂过程.并运用邻近观测井,包括压裂注入井的水压数据,相互验证了围岩物理水力学参数和裂缝几何参数.对加州中部San Joapuin河谷的油井压裂过程进行了模拟,计算结果与实测压力数据吻合良好.     

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。     

油井水力压裂流-固耦合非线性有限元数值模拟

基于多孔介质流固耦合的控制方程,推导了相应的非线性增量有限元列式,并采用以节点位移和孔隙压力为自由度的黏结单元来模拟水力损伤造成的预设裂缝的起裂和扩展,在此基础上建立了油井水力压裂的有限元模型。在该模型中考虑了压裂液的黏性系数和支撑剂的体积浓度随时间变化,所有参数均采用现场压裂的数据。通过数值模拟,得到了缝口压力、射孔孔眼摩阻、沿程摩阻、井筒内液柱静水压力和地面井口压力随压裂时间的变化规律,并给出了“压裂作业三条线”,模拟得到的“压裂作业三条线”与现场压裂实测结果吻合良好。     

水力压裂裂缝三维扩展ABAQUS数值模拟研究

油井岩石的水压致裂过程是多孔介质下的流固耦合过程。建立了水力压裂流体渗流连续性方程与岩石变形应力平衡方程,引入了二次正应力裂纹起裂及临界能量释放率裂缝延伸准则,考虑流体在裂缝面横向、纵向流动,采用有限元计算软件ABAQUS中的Soil模块模拟岩石水力压裂的三维复合裂缝起裂与扩展。通过其黏结单元设定裂缝延伸方向,编写用户子程序并嵌入ABAQUS主程序中,以确定初始地应力场、渗流场、随深度变化的孔隙度及随时间变化的滤失系数。从数值模拟结果可以得到水力压裂泵注不同时刻裂缝几何形态、缝内压力分布、岩石变形及其应力分布、孔隙压力分布、压裂液滤失量以及压裂液流体特性、排量、上下隔层应力差、滤失系数等参数对裂缝几何尺寸的影响。     

水力裂缝起裂延伸和闭合的机理分析

水力压裂技术是改造低渗透信集层,使其达到工业性开采的最经济有效的增产措施之一。在实际施工时发现,实施施工压力比预计的大很多,这就严重影响压裂施工成功。９０年代以手,人们研究发现,近井筒地带的水力裂缝起裂和扩展以及裂缝端部的多缝效应,才是影响裂模拟中计算压力偏小的主要因素。     

水力压裂井温资料解释方法研究

通过理论分析,结合实际井温曲线特征,总结出了应用井温曲线结合测温时间综合解释裂缝高度的方法。该方法综合考虑了井温曲线形态、井筒压力和测温时间,提出不同测温时间录取的井温资料,分别用曲线的半幅点、温度曲线变化梯度的改变点、温度曲线变化梯度方向的改变点及温度由降变升拐点判断裂缝边界,提高了裂缝高度解释的适应性。     

人工压裂形成多裂缝的可能性研究

人工裂缝形太对压裂效果至关重要，压裂设计中首先要考虑的就是裂缝裂态。随着固井质量提高和射孔深度加大，井周应力集中变得复杂，射孔壁的应力集中已不容忽视，每一个射孔都能成为一个独立的破裂源，射孔方位不同，应力集中也不同，这可能影响人工裂缝的形成与形态，并存在出现多条人工裂缝的可能性，分析套管射也壁的应力集中状态，讨论裂缝延伸的阻力和每一次射孔诱发人工裂缝的优先顺序，并讨论应力状态对裂缝形态的影响和初裂缝缝态与射孔方位的关系。依据大庆喇萨杏油田应力测试结果，分析深射孔条件下的人工裂缝裂，结论是：若射忆方位随机，800－1200m深度出现人工直立初裂缝或水平初裂缝的概率大体相同，所需破裂压力也相近，一次压裂可能出现多条裂缝；控制射孔方位可以控制人工初裂缝形态；由于该水平最小主主应力与垂向主应力相近，初裂缝可以保持原来的形态独立延伸。图3表2参5（刘建中摘）。     

低渗透油藏水力压裂井应力场转向定量评价

基于多孔介质流-固耦合理论和有效应力定律,建立了孔隙压力与地应力相互作用的低渗透油藏水力压裂井应力场转向评价模型,采用有限元数值模拟技术并开发相应程序对耦合模型进行求解,定量分析了低渗透油藏开发过程中水力裂缝附近区域地应力场的变化特征。计算结果表明:水力裂缝导致近裂缝区域地应力场分布特征大幅度改变,沿裂缝与垂直裂缝方向应力场大小变化各向异性,应力场转向范围随初始水力裂缝长度增加而动态变化。     

压裂液返排模型的建立及应用

压裂液返排过程中通过合理控制返排时间和流量,可使支撑剂在产层区获得较好的铺置,从而使裂缝具有较高的导流能力。目前压裂液返排工作制度的确定一般依靠现场工程师的经验,缺少可靠的理论依据。为此建立了包含考虑二维滤失的裂缝扩展模型,停泵后即刻返排、停泵后关井闭合返排的数学模型,模拟了返排期间压力、排量随时间的变化规律,建立了压裂液返排模型,得到压裂液返排控制的优化设计方法,并编制了计算程序,指导现场选择合适的返排时间和返排流量。现场实例表明,应用编制的压裂液返排计算软件得到的结果,可为压裂液返排时间和流量的确定提供依据,有助于现场返排的科学化和定量化。     

基于精细地质模型的大型压裂裂缝参数优化

以Z23北区特低渗透油藏为例,基于Petrel软件建立的储层精细地质模型分析了控制工区压裂效果的关键地质因素。根据控制压裂效果的地质因素（油层厚度、渗透率）,将改造目的层一砂组、二砂组和三砂组各分为4类储层。以储层精细地质模型为基础,采用数值模拟方法和经济净现值法优选了8类储层的大型压裂裂缝参数。裂缝参数优选结果表明：对于非均质性强的储层,与储层相匹配的裂缝参数差异较大;要获得理想产能,低渗透储层需要造长缝,而渗透率相对较高的储层需要高导流能力裂缝。现场应用实践表明：按照此方法优选的裂缝参数压裂效果好,储层改造针对性强,可以推广。