水力喷射工具射孔过程液固两相流冲蚀数值模拟

鉴于国内外运用多相流数值模拟方法对水力喷射工具冲蚀研究有待深入的现状,基于多级水力喷射工具单级喷枪,采用颗粒碰撞的欧拉-拉格朗日离散相模型,对水平井水力喷砂射孔过程进行流场分析及冲蚀速率计算。分析了单级喷枪上、下游喷嘴流场分布的不均匀性,以及这种不均匀性导致的工具内部各个喷嘴冲蚀速率的差异。分析结果表明,水力喷砂射孔过程中,水力喷射工具单级喷枪上、下游喷嘴流场呈现不均匀性,上游喷嘴单位时间通过的液体多于下游喷嘴,下游喷嘴的砂浓度高于上游3个喷嘴;水力喷射工具单级喷枪内壁面和外壁面都会受到液固两相流体的严重冲蚀,最大冲蚀速率发生在喷枪内壁下游喷嘴入口区域。     

新型超深井深穿透喷砂射孔工具研究与应用

现有喷砂射孔工具存在孔眼与储层接触面积不足、工具冲蚀严重、反射流影响喷射效果以及易砂卡等问题。为此,研发了新型超深井深穿透喷砂射孔工具。将喷枪材质35CrMo优化为碳化钨,硬度提高了25 HRC,增加了耐冲蚀能力。设计喷嘴与法线成5°角,避免了反射流干扰,增加了穿透深度。喷砂射孔后紧跟顶替液,冲高含砂液,顶替之后进行大排量反循环洗井,使含砂液处于流动状态,防止沉降,有效降低了砂卡概率。应用LS-DYNA流固耦合软件,对工具射流破岩进行了仿真验证,并经理论计算和多井次现场验证,优化了喷射流速、节流压差、摩阻、泵压和施工排量等关键参数。该工具在塔河油田成功应用,日产油从0. 8 t提高到6. 7 t。按照单喷嘴排量与喷射穿深的关系,预测穿深增加了30%,深穿透效果显著。新型超深井深穿透喷砂射孔工具提高了耐冲蚀能力和穿透深度,降低了砂卡概率,提高了采收率,应用效果显著。     

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。     

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。     

水力喷射环空加砂压裂喷嘴结构分析与优化

在水力喷射环空加砂压裂射孔过程中,针对喷嘴射流质量低的问题,运用ANSYS-Fluent数值模拟仿真分析方法,对喷嘴重要结构参数进行分析对比,使喷嘴获得最优射流质量。研究结果表明,圆弧形喷嘴的射流质量优于常用的锥直形喷嘴; 当喷嘴出口直径4.5 ～4.8 mm、直柱段长度7～12 mm、入口曲率半径9 mm时,喷嘴可获得最优射流质量。通过对喷嘴结构的优化,可有效提高喷嘴射流质量,为水力喷射环空加砂压裂工艺提供有效的技术支持。     

一种在水力压裂施工中有效降低井底摩擦压力的技术

水力压裂过程中,在井筒与地层之间建立有效的射孔通道相当必要,而射孔通道会对井底摩擦产生一定的影响,并会直接影响施工效果.压裂时过大的井底摩擦力会使施工压力增高,从而导致地层过早脱砂.使用过油管爆炸的传统射孔方法本身存在很多缺点,它以多种方式影响井底摩擦力,包括爆炸的压实作用对近井地带造成的伤害;在射孔通道内残留岩屑.过油管射孔枪只能打开较小直径的炮眼(EHD),通过射孔通道时会产生一个很高的压降,导致井底摩擦力增加.携支撑剂水力喷射(HJP)形成孔洞的过程是指沿油管管串或连续油管泵入流体和支撑剂或砂的混合物来形成裂缝.砂浆高速通过喷嘴生成穿过套管及固井水泥进入地层的通道,该通道连接井筒与地层.孔洞深度由砂浆作用时间决定,其他诸如孔洞直径、相位由喷射工具的性能决定.压裂施工数据显示,使用HJP可减少井底摩擦力70%.该工艺技术能在井筒与地层之间建立非常好的连通性,并可减少近井地带的伤害,显著降低压裂时过早脱砂的风险.     

高黏度牛顿流体中砂粒运动实验研究

为了解决疏松砂岩稠油油藏开采过程中的砂粒运移问题,基于固液两相流理论及实验流体力学理论,利用研制的高黏度流体颗粒自由沉降实验装置,分别开展了高黏度牛顿流体中球形颗粒的自由沉降实验、砂粒的自由沉降实验和不同含砂体积分数下混合黏度变化规律实验,根据实验结果,建立了不同粒径范围的阻力系数模型以及混合黏度模型。研究表明,高黏油混合黏度存在相应的临界值,在实验条件下,含砂体积分数为0.1%时,混合黏度达到最低,不利于携砂。结合上述模型和实验结果,建立了高黏度牛顿流体中的砂粒运动模型,揭示了高黏介质中颗粒的特定运移规律,为今后稠油携砂流动规律理论研究奠定了基础。      

节流器内液-固两相流固体颗粒冲蚀数值模拟

建立了考虑颗粒碰撞的颗粒冲蚀计算模型,该数学模型包括:在Eulerian坐标系下求解连续相流场;在Lagrangian坐标系下运用离散颗粒硬球模型求解颗粒碰撞;应用半实验关联式求解颗粒冲蚀速率。对水力加砂压裂施工中节流器内液-固两相流的固体颗粒运动和冲蚀特性进行了数值模拟。计算结果表明,固体颗粒密集于节流器入口到出口的一段狭长区域内,冲蚀速率随流体速度呈指数性变化。颗粒直径越大,冲蚀速率也越大。节流器内冲蚀最严重的位置发生在距离节流器出口上边缘10mm以内的局部区域。     

水平井水力喷射分段酸压技术

针对深层碳酸盐岩储集层水平井酸压面临的井下温度高、破裂压力高、压裂液流动摩阻高、储集层非均质性严重等难点,研发了水平井水力喷射分段酸压新技术。基于喷射分段酸压机理,自主研制了用于水力喷射分段酸压的井下喷射器和配套管柱,给出了水力喷射酸压工艺设计中喷嘴数量与喷嘴直径组合、喷砂射孔参数、泵注程序的优化设计准则。研究表明,水力喷射压裂酸化技术依靠水动力封隔实现分段酸压,井下工具简单、耐高温(160℃),可节约成本,降低作业风险;水力喷射注酸可延长近井地带有效酸蚀距离,增强酸化效果;井下喷射器最优喷嘴相位60°,宜采用螺旋布置喷嘴;建立了喷嘴最优排量与井口压力的关系图版,可在井口装置承压范围内提高施工排量,实现大排量、深穿透酸压,最终确定喷嘴直径及喷嘴数量布置。现场试验表明,水力喷射酸压试验井最大作业垂深可达6 400.53 m,喷射酸量高达618 m3,对深部水平井分段酸压具有较强的适应性。图4表3参15     

天然气携砂在90°弯管中的冲蚀磨损数值分析

针对天然气携砂弯管冲蚀问题,利用Fluent流体仿真软件进行气-固双相耦合,选用标准k-epsilon湍流模型、E/CRC冲蚀模型对固体颗粒的流场分布、冲蚀速率及冲蚀位置进行模拟,并针对4种不同重力场的流动特性进行分析。结果表明:颗粒质量流量较小时,冲蚀速率随流速呈线性变化,颗粒质量流量较大时,冲蚀速率随流速呈指数变化;冲蚀速率随颗粒直径的增大,呈现先增大后保持平稳趋势;最大冲蚀位置随流速的增加向后移动,随颗粒直径的增大略微向前移动;与重力方向相同的入口或出口位置,冲蚀较严重,和重力方向相同且二次流经过的位置,冲蚀现象最为严重。以上研究结果可为预防管道冲蚀提供理论依据和实际参考。     

基于阿基米德双螺旋线原理的水力喷射压裂技术

针对水平井多级压裂双簇水力喷射效果不佳、上下游喷射器冲蚀不均匀和水平井筒内携砂流体中砂粒易沉降等问题,研究了基于阿基米德双螺旋线原理的水力喷射压裂技术。根据阿基米德双螺旋线原理,设计了双螺旋水力喷射压裂管柱及喷射器,并采用可视化试验方法对双螺旋特性进行了室内携砂评价试验;根据牛顿第二定律建立了水力喷射压裂工况下等径直管和双螺旋管柱内携砂流体中砂粒运移的动力学方程,得出了等径直管和双螺旋管柱内砂粒的运动速度计算模型。研究得出,双螺旋水力喷射压裂管柱及喷射器能起到螺旋旋流作用,均衡双簇水力喷射压裂效果和降低上、下游水力喷射器冲蚀的非均匀性;等径直管内砂粒的运动规律符合恒定加速度运动方程,双螺旋管内砂粒的运动规律符合变加速度运动方程。研究结果表明,采用双螺旋结构水力喷射压裂管柱及喷射器是可行的,在均衡多级水力喷射压裂效果和提高水平井筒内携砂流体携砂能力方面具有显著作用。      

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在气井的加砂压裂测试过程中，由于压裂作业遗留在井筒和地层返出的支撑剂，随着高速流动的天然气和压裂液的混合流体进入测试管道，形成高速含砂射流，它对管道及其附件造成非常严重的破坏。通过损坏机理分析，结合现场生产实际，在气井的加砂压裂测试地面流程中，使用耐磨的硬质合金材料和优化油嘴、堵头等管件的结构，改变其冲击角，可减少流体对管件的冲蚀破坏。在节流上游段使用分离沉砂装置，收集井筒和地层返出的支撑剂，减少其在流体中的含量。在放喷出口处采用堵塞三通，消耗砂粒的冲击动能，减少砂粒对管壁的冲蚀破坏。上述技术经在现场使用，分离沉砂装置可收集98％以上的砂粒，大大地减少地面流程中支撑剂的含量。硬质合金的使用和管件结构的优化，增强了其耐磨性。堵塞三通的应用，减少了对管壁的冲蚀破坏。三种技术可将流程安全控制时间延长数十倍以上，且成本被控制在比较合理的水平，从而达到了安全、经济生产的目的。     

用于出砂井的水力喷射泵结构设计

油井出砂对地面设备和井下设备带来极大的危害。通过室内试验研究了地层砂在井筒内的流动和沉积状态,测定了不同粒径的砂粒沉降速度和一定液量下的极限携砂量。设计了应用在出砂井中的水力喷射泵采油装置,其特点是采用平行双管柱结构的水力喷射泵,合理设计泵内流道,尽可能保持液体匀速流动,适当提高液体流速,提高携砂能力。最后为防止液体停止流动导致砂堵排出管,设计了结构独特的沉砂管。     

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。     

水力压裂支撑剂铺置形态影响因素研究

为改善支撑剂在裂缝中的铺置形态和提高压裂增产效果,采用实验模拟方法,应用可视化裂缝平板装置开展压裂液携砂实验,结合支撑剂颗粒的微观运动轨迹和砂堤的宏观形状,描述缝内砂堤的形成过程,分析黏性和非黏性压裂液携砂方式的区别,研究射孔孔眼间干扰、压裂液排量、压裂液黏度和施工砂比对缝内砂堤形态的影响规律。结果表明:支撑剂在裂缝中的运移是流化和沉积共同作用的结果,以流化拖拽和输送为主;黏性压裂液中流化层和砂堤之间可形成不流动的液体薄层,对颗粒具有托举作用,减小流体和颗粒间的摩擦和碰撞;砂堤的形成过程共经历砂堤形成、生长、平衡状态和活塞状推进4个阶段,在射孔孔眼干扰和液体冲蚀的共同影响下,形成的砂堤形态可由堆积角、平衡高度和前进角表征,裂缝内存在近井筒和缝高方向的无砂区;砂堤的平衡高度主要取决于支撑剂颗粒的运动速度,与施工排量和压裂液黏度成反比,与砂比成正比。该研究可为压裂施工参数优化提供参考。     

气井井下防砂工作筒冲蚀性能研究

为降低气井压裂后出砂对生产管柱及地面设备造成的危害,延长气井生产管柱使用寿命,提高生产安全性,研发了气井井下防砂工艺技术。研制的工作筒作为防砂筛管井下定位的关键部件,在压裂过程中受高速支撑剂颗粒冲蚀作用而磨损,其定位可靠性存在风险。为研究工作筒的冲蚀规律,运用数值模拟软件对工作筒在不同排量、砂比、粒径条件下的冲蚀情况进行分析。研究结果表明：支撑剂对工作筒的冲蚀磨损主要发生在筒内变径区域;随着施工排量的增加,工作筒的冲蚀速率随之增加,且成近似指数关系;在施工排量及砂比一定的条件下,颗粒直径变大,冲蚀磨损呈现出先增大后减小的趋势。分析结果可为防砂工作筒结构的优化设计提供依据。     

水力喷砂分段压裂优化设计与施工

依据水力喷砂分段压裂的技术特点结合常规加砂压裂设计方法,建立了水力喷砂分段压裂优化设计方法。通过数值计算,给出了喷嘴数量与施工排量的匹配关系曲线和环空压力与排量的关系曲线,借助实验手段,模拟现场油管与环空注入压裂液的比例研究了压裂液混合液的黏弹性恢复能力和耐剪切性能,为现场水力喷砂射孔喷嘴数量、排量和射流速度的设计,加砂压裂油管和环空排量的优化提供了参考。     

YC—152压裂防砂一体化工具的研制

针对目前疏松砂岩油藏压裂防砂由于受到充填工具的限制,采用2步法施工周期长、作业成本高,而且压裂效果难以保证的难题,研制了YC—152压裂防砂一体化工具。该工具集地层压裂改造和环空充填防砂于一体,主要由坐封装置、高压复合密封组件、锁紧装置、悬挂装置、丢手装置、解封装置和填砂装置7部分组成。携砂液流通通径大,满足4 m3/min排量压裂施工的需要;封隔压力高达35 MPa,悬挂能力700 kN。室内试验和现场试验表明,该工具综合性能可靠,很好地满足了压裂防砂的要求。     

超临界CO2压裂缝内支撑剂运移规律

为了优化超临界CO₂压裂工艺技术和施工参数,考虑超临界CO₂压裂液中支撑剂颗粒之间相互作用,采用欧拉-拉格朗日方法中的多相质点网格方法,建立超临界CO₂压裂缝内支撑剂运移数学模型,通过室内水力压裂支撑剂运移物模实验验证模型准确性,进行超临界CO₂压裂缝内支撑剂运移规律计算和分析。研究表明:未增黏CO₂由于黏度低,携砂效果极差,优化其他参数对携砂效果影响不大;CO₂黏度增加到2.5 mPa·s即可有效提高携砂效果,采用超轻支撑剂与细尺寸颗粒组合,携砂效果与增黏到10 mPa·s效果相差不大;优化支撑剂密度比尺寸对携砂效果提高更为明显;增大排量可以提高携砂效果,但排量继续增大,其携砂效果变化较小;流体滤失对CO₂携砂效果影响变化不大。该研究为解决CO₂携砂性能差的问题提供了技术支撑,对超临界CO₂压裂设计优化及现场施工具有重要指导意义。