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。     

水平井分段压裂与滑套球座冲蚀磨损研究

随着油气资源的不断开采对于那些储层物性好的油气藏越来越少,使得石油勘探开发转移到非常规油气上。水平井分段压裂技术在非常规油气开发过程中扮演着举足轻重的作用,很大程度提高了油气藏开采效益。其中水平井裸眼分段压裂技术中滑套球座冲蚀磨损的问题影响了分段压裂的效果,滑套球座冲蚀磨损所带来的问题直接影响到球座的密封性能,而密封性能是影响分段压裂作业成败的因素之一。因此在前辈的基础上概述滑套球座冲蚀磨损的相关因素与改进措施,从而为提高滑套球座的密封性能提供相应参考。     

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。     

平椭圆弯管冲蚀磨损数值模拟

为了研究天然气运输过程中含砂气体对弯管的冲蚀磨损特性并提高弯管的耐磨性,在充分分析圆管流体冲蚀特性的基础上提出了平椭圆管道。利用气固两相流冲蚀方程对平椭圆管道弯头进行冲蚀磨损分析,研究了不同长宽比的平椭圆管道的冲蚀速率和冲蚀区域形状,从中优选出合适的长宽比,并分析了不同质量流量、不同粒子直径及不同气体流速等工况下粒子对管道冲蚀的影响。分析结果表明:相比于普通圆管,平椭圆管能明显降低最大冲蚀速率,随着平椭圆管长宽比的增大,最大冲蚀速率逐渐下降;当长宽比达到1.4后,最大冲蚀速率下降的速度明显降低,因此认为平椭圆管最适宜的长宽比为1.4,此时最大冲蚀速率下降了21.9%;当粒子直径增大时,平椭圆管弯头处的最大冲蚀速率先升高、后降低、再升高,冲蚀区域基本保持不变。所得结论可为平椭圆弯管抗冲蚀措施的制定提供参考。     

基于CFD的弯管冲刷磨损数值模拟研究

弯管在油气集输管道中应用广泛,但容易发生冲刷磨损而造成泄漏事故,因此有必要对其冲刷磨损因素进行深入研究。基于流体动力学原理,借助CFD软件,应用DPM模型对油气集输管网中弯曲管道进行流场分析。结果表明:弯曲管道的冲刷磨损受到流体流速、管径以及曲率半径等多种因素影响;流体对管道冲刷磨损影响最大区域集中在弯管外侧;受到的冲刷磨损速率与入口流速和管径成正比;增大曲率半径会减弱流体对弯管内壁冲刷磨损的影响。该研究结论可为管道冲刷磨损防护提供一定的理论依据。     

基于CFD的不同流向弯头冲蚀过程的数值模拟

弯头作为改变介质流向的管件,在管路系统中承受着较大的冲击以及突变的压力,因此冲蚀成为弯头失效的主要原因。利用计算流体动力学CFD软件对四种不同流向以及水平放置弯头的冲蚀过程进行了模拟仿真,对比分析了五种情况下弯头的冲蚀率和冲蚀面积。结果表明:(1)弯头的外弧面处存在着最大压力值,含砂气携带着砂粒在该区域大量聚集,且在弯头外弧面区域极易发生冲蚀磨损;(2)当弯头中介质流向从上往下时,弯头平均冲蚀率是1.2763 kg/(m~2·s),最大冲蚀率是14.69 kg/(m~2·s),相对介质流向从下往上的情况均是最大的;(3)当弯头是水平放置的时候,其冲蚀面积达到了0.046 11 m~2比其他4种情况都大。     

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。     

全通径滑套可溶球座冲蚀数值模拟优化与试验研究

针对常规投球滑套压裂级数受限、球座钻除难度大、无法实现井筒全通径等问题,开展了全通径可溶球座式滑套的研究,通过Fluent软件对全通径滑套用压裂球座进行冲蚀模拟。采用空间填充设计法对球座“凹面”结构进行参数试验,并对其进行响应面预测通过筛选法寻求参数最优值。优选石墨烯、硬质合金两种表现耐冲蚀涂层,通过冲蚀现场试验对比了两种材料的耐冲蚀效果。结果表明：经过响应面参数优化后的“凹面”结构球座平均量损失相比原模型明显降低,经过冲蚀测试发现表面硬质合金球座耐冲蚀性能优于石墨烯球座。研究成果对球座耐冲蚀磨损性能优化改进有指导意义。     

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。     

不同工况下异径管冲蚀磨损数值模拟研究

运用Fluent软件中的DPM模型,对不同入口颗粒浓度和入口速度情况下异径管的冲蚀磨损进行数值模拟研究。通过数值模拟分析得出异径管的流场分布情况以及冲蚀部位分布。结果表明:在变径区域由于流道变窄使流体加速流动,导致颗粒湍动能增大,进而对变径区域壁面造成严重冲蚀;在相同入口颗粒浓度情况下,异径管的冲蚀速率随着入口速度的增大而上升,冲蚀严重区域的位置与尺寸将发生移动和变化;在相同入口速度下,异径管的冲蚀速率随着颗粒浓度的增加而接近于线性上升,冲蚀严重区域的位置与尺寸几乎不变。     

水下应急封井装置内部冲蚀磨损数值模拟

水下应急封井装置是一种应急抢险设备,用于水下井控失败后的抢险救援。为了解水下应急封井装置在不同工作状态下的磨损情况,对不同工况下应急封井装置的内部流动进行了CFD数值模拟。通过分析5种工况下内部管道的磨损率分布,确定磨损较严重的位置,并对其结构进行了优化。分析结果表明:主垂直管开启(工况1和工况2)时,最大磨损率较小,磨损主要分布在主垂直管的分流孔附近;主垂直管关闭时,最大磨损率明显增大,磨损严重的位置位于直角管下游管道外侧壁面,以及直角管内侧拐角处;将直角管结构改为盲三通可以显著减小该处的磨损率。所得结果可为水下应急封井装置的结构设计和优化提供一定参考,有助于加快我国水下应急装备的研究进展。     

投球滑套双锥度球座的冲蚀磨损优化研究

水平井裸眼完井分段压裂技术是现阶段提高低渗透油藏产能的主要技术,其技术难点在于分段压裂工具的密封可靠性,其中投球滑套的密封性能在很大程度上直接决定分段压裂的成败,导致投球滑套密封失效的主要原因则是流体携砂冲蚀。依据投球滑套球座的实际工况,在常规单锥度球座的基础上提出双锥度球座,并借助Fluent流体软件实现对双锥度球座的结构优化,优化后的球座二锥度应介于70°~80°之间。双锥度球座解决了由于球座冲蚀磨损造成的投球滑套密封失效问题,保证了水平井裸眼完井分段压裂的可靠性。     

基于ANSYS-CFD的滑套球座冲蚀分析

在水平井裸眼完井分段压裂技术工艺管柱中,投球开启自锁滑套的作用是分层控制开关,通过投球实现准确的分段开启,其安全可靠性能决定了分段压裂工艺的成败,关系到水平井压裂改造开发效果的好坏。研究了压力、砂流量、球座锥度对冲蚀的影响,给出了球座最佳的结构设计数据。     

基于CFD的排屑管路弯头局部冲蚀磨损研究

排屑管路弯头磨损失效是气体钻井中的常见问题,严重影响钻进效率。为深入研究弯头磨损机理,采用计算流体动力学CFD软件对弯头内气固两相流场进行了数值模拟研究。研究结果表明,高速气流携带岩屑经过弯头时,受惯性力作用,岩屑颗粒在外壁面一侧汇聚,造成管壁冲蚀磨损,磨损区域位于弯头30°~60°转角位置,弯管磨损速率的最大值远高于其平均值,说明弯管局部刺漏要远早于弯管的整体磨损失效。根据弯头磨损分布特点,对排屑管路弯头进行结构改进,在壁面主要磨损位置设置挡板。现场试验结果表明,连续钻进80 m,弯管没有刺漏,钻进效果显著提高。     

基于CFD的排屑管路弯头局部冲蚀磨损研究

排屑管路弯头磨损失效是气体钻井中的常见问题,严重影响钻进效率。为深入研究弯头磨损机理,采用计算流体动力学CFD软件对弯头内气固两相流场进行了数值模拟研究。研究结果表明,高速气流携带岩屑经过弯头时,受惯性力作用,岩屑颗粒在外壁面一侧汇聚,造成管壁冲蚀磨损,磨损区域位于弯头30°⁶0°转角位置,弯管磨损速率的最大值远高于其平均值,说明弯管局部刺漏要远早于弯管的整体磨损失效。根据弯头磨损分布特点,对排屑管路弯头进行结构改进,在壁面主要磨损位置设置挡板。现场试验结果表明,连续钻进80 m,弯管没有刺漏,钻进效果显著提高。     

基于CFD的旋风分离器壁面磨损数值预测

针对旋风分离器在工业应用中存在的磨损问题,采用数值模拟的方法对其壁面的磨损问题进行了预测和分析。颗粒轨道计算时只考虑颗粒与气相之间的相互作用和颗粒的湍流扩散,选用相间耦合的随机轨道模型来计算分离器内颗粒的运动。流场计算采用Fluent中的QUICK差分格式和Simplec算法,选用325目的滑石粉作为模拟计算的对象。结果表明,旋风分离器壁面磨损呈不均匀分布,主要的磨损部位有分离器顶板、环形空间上部以及锥体的端部附近,随着入口速度的增加,各部分的磨损量都有不同程度的增大,且总体趋势一致。     

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。     

含砂石油对管道冲蚀的CFD模拟

应用Fluent软件,模拟含砂石油对三通管的冲蚀行为,找出三通管易发生磨损的位置,分析了管道放置方式、入口方向、速度和颗粒质量分数等对三通管冲蚀的影响。研究结果表明,当以三通管的支管为入口时,对于竖直放置的三通管,与入口方向正对的外侧壁面的磨损最严重,且下侧出口主管的磨损率要大于上侧出口支管的磨损率;对于水平放置的三通管,2个出口支管的磨损率基本相同,但重力的影响使管道底部的磨损比顶部的磨损严重;当以三通管的主管一端为入口时,磨损较严重的区域是三通管交汇处的2个拐角;磨损率随着速度或颗粒质量分数的增大而增大,但三通管最大磨损率的位置与速度和颗粒质量分数无关。     

压裂工况下油气田地面管汇的冲蚀磨损研究

水力压裂施工时,携砂液中的高流速、高强度支撑剂颗粒会对地面高压管汇的内壁产生一定的冲蚀磨损,其中弯管的冲蚀磨损尤其严重。为准确掌握在不同工况下高压管汇内多相流的流动规律以及冲蚀磨损的具体分布情况,在高压管汇材料冲蚀磨损试验的基础上,应用计算流体力学方法及ANSYS-FLUNT软件建立了适合水力压裂工况的固液两相流数学模型,得到了高压管汇弯管内液相及固体粒子的流动规律、压力变化规律以及冲蚀磨损的分布规律,并与现场回收的失效样品进行了对比验证。研究结果可以为高压管汇的设计制造、重点部位的监测等安全防护技术提供参考。