連續(xù)油管水力噴射沖蝕數(shù)值模擬研究

許國文

(大慶油田有限責(zé)任公司 采油工程研究院，黑龍江 大慶 163453)

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連續(xù)油管水力噴射沖蝕數(shù)值模擬研究

許國文

(大慶油田有限責(zé)任公司 采油工程研究院，黑龍江 大慶 163453)

摘要：連續(xù)油管水力噴射環(huán)空加砂壓裂技術(shù)可實現(xiàn)儲層的大規(guī)模、高效率改造。但在水力噴砂射孔過程中，連續(xù)油管會受到砂粒的嚴(yán)重沖蝕，尤其在連續(xù)油管彎曲半徑最小處(滾筒處)沖蝕尤為嚴(yán)重。應(yīng)用CFD軟件對連續(xù)油管水力噴砂射孔過程中所受的沖蝕進行仿真分析，對沖蝕磨損較嚴(yán)重的部位及區(qū)段建立對應(yīng)的數(shù)值計算模型。利用數(shù)值模擬結(jié)果分析固相顆粒聚集及遷移規(guī)律，并合理利用沖蝕模型預(yù)測了管壁沖蝕速率與流量、砂粒體積分?jǐn)?shù)等參數(shù)的關(guān)系。為工程中沖蝕磨損的預(yù)測及防治提供理論參考。

關(guān)鍵詞：連續(xù)油管；水力噴射；數(shù)值模擬；沖蝕速率

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連續(xù)油管水力噴射環(huán)空加砂壓裂技術(shù)是集射孔、壓裂于一體的新型增產(chǎn)改造技術(shù)，可實現(xiàn)儲層大規(guī)模、高效率壓裂改造[1-2]，在國內(nèi)得到了廣泛應(yīng)用。然而，在水力噴砂射孔過程中，高速的攜砂液會對連續(xù)油管造成嚴(yán)重沖蝕，尤其是在滾筒處發(fā)生的沖蝕最為嚴(yán)重。沖蝕的研究方法主要有試驗研究和數(shù)值模擬2 種[3]。通過CFD軟件對連續(xù)油管在噴砂射孔過程中所受的沖蝕進行仿真分析。針對沖蝕磨損較嚴(yán)重的部位及區(qū)段建立對應(yīng)的數(shù)值計算模型，并進行數(shù)值模擬研究，利用數(shù)值模擬結(jié)果分析固相顆粒聚集及遷移規(guī)律，并合理利用沖蝕模型預(yù)測了管壁沖蝕速率與流量、砂體積分?jǐn)?shù)等關(guān)鍵參數(shù)的關(guān)系，為工程中沖蝕磨損的預(yù)測及防治提供理論參考。

1沖蝕數(shù)值計算模型的建立

為了合理地確定仿真模型及邊界條件，對連續(xù)油管沖蝕問題做如下假設(shè)：

1)砂粒的形狀為球形。

2)流體與砂粒及管壁之間無熱量交換。

3)流體不可壓縮。

在連續(xù)油管噴砂射孔加砂過程中，液流的速度為9 m/s左右，對應(yīng)的雷諾數(shù)量級遠大于4 000，因此在連續(xù)油管水力噴射壓裂過程中流體流動為湍流，選擇k-ε湍流模型作為求解模型。

在Fluent內(nèi)置的沖蝕磨損速率計算模型中，沖蝕量的大小與顆粒的沖擊角度、沖擊速度和形狀有關(guān)。在液固兩相流或單相流沖刷腐蝕條件下，壁面材料不僅會受到力學(xué)的損傷(沖刷撞擊磨損導(dǎo)致的材料損傷)，而且會受到化學(xué)或電化學(xué)的損傷。電化學(xué)或化學(xué)對壁面材料的損傷也受到流速的影響，因此不同的沖刷腐蝕環(huán)境有不同的速度分量函數(shù)取值。根據(jù)連續(xù)油管沖蝕模型對應(yīng)的速度分量函數(shù)取值為0.5～3.0[4]，選取2.5為本次模擬的速度分量函數(shù)值。建立的連續(xù)油管數(shù)值計算模型及網(wǎng)格劃分如圖1。

圖1　連續(xù)油管數(shù)值計算模型及網(wǎng)格劃分

2沖蝕磨損規(guī)律研究

相對于普通油管壓裂，連續(xù)油管的過流面積小，壓裂液的高流速導(dǎo)致連續(xù)油管受到嚴(yán)重的沖蝕，其中滾筒纏繞段中的壓裂液受到離心力的作用使管壁受到不均勻的沖蝕，遠離滾筒的管壁沖蝕最嚴(yán)重。沖蝕會使連續(xù)油管的壓力等級和抗拉能力降低，更容易產(chǎn)生疲勞破壞。滾筒處連續(xù)油管的沖蝕具有以下2個特點：①在離心力作用下，連續(xù)油管上遠離滾筒的壁面附近固相濃度很高；②連續(xù)油管的曲率相對較大，壁面附近顆粒的沖擊角很小，甚至部分顆粒沿著管壁滑動或者滾動[5-7]。使用建立的計算流體力學(xué)沖蝕計算模型，對水力噴砂射孔過程中滾筒纏繞段的連續(xù)油管的沖蝕規(guī)律進行了研究。

2.1流場仿真結(jié)果分析

砂粒在不同入口體積分?jǐn)?shù)時，90°橫截面上砂粒的分布如圖2所示。由圖2可知，由于離心力的作用，砂粒聚集在遠離滾筒的一側(cè)管壁上(管壁外側(cè))，最大體積分?jǐn)?shù)是入口體積分?jǐn)?shù)的2.6倍。由于彎曲連續(xù)油管中存在著二次流，如圖3所示。連續(xù)油管橫截面上存在著兩個方向相反的渦流，兩個渦流大致以圖4中螺旋線中心與橫截面中心的連線為界，上部渦流沿順時針方向、下部渦流沿逆時針方向?qū)⒕奂诠鼙谕鈧?cè)的砂粒卷向管壁內(nèi)側(cè)，從而形成圖2所示的“翼形”砂粒體積分?jǐn)?shù)分布。

a　入口流速12 m/s，入口體積分?jǐn)?shù)0.1

b　入口流速12 m/s，入口體積分?jǐn)?shù)0.2

圖3　90°橫截面上砂粒速度矢量

圖4　橫截面位置

當(dāng)壓裂液中加砂量達到一定體積分?jǐn)?shù)或者增大流量、減小螺旋半徑時，管壁外側(cè)上的砂相體積分?jǐn)?shù)達到最大堆積體積分?jǐn)?shù)后便會形成滑動底床。當(dāng)砂粒體積分?jǐn)?shù)小于堆積體積分?jǐn)?shù)而又很高時，砂粒間的相互作用十分強烈，砂?？梢钥醋髡w沿著管壁外側(cè)滑動，因此也可以看作滑動底床。此時砂粒對于管壁的沖蝕實際上變?yōu)樯傲鼙谀ノg。應(yīng)用沖蝕模型對管壁的壁厚損失進行計算，沖蝕速率沿管長方向的分布如圖5所示，沿橫截面方向的分布如圖6所示。由圖5～6可知，管壁外側(cè)的沖蝕速率最高。由于速度入口邊界的影響，砂粒沖擊入口不遠處的管壁造成該處沖蝕速率最高。

圖5　管壁處沖蝕速率的分布

圖6　沖蝕速率沿管壁周向的典型分布

2.2連續(xù)油管沖蝕速率影響因素分析

2.2.1流量對沖蝕速率影響

根據(jù)分析結(jié)果得出了砂粒體積分?jǐn)?shù)為10%時，管壁上沖蝕最嚴(yán)重處的沖蝕速率隨壓裂液流量的變化規(guī)律如圖7所示。由圖7可知，沖蝕速率與流量近似成平方關(guān)系。砂粒體積分?jǐn)?shù)很高時，管壁的沖蝕主要是由于砂粒相對于管壁的摩擦運動產(chǎn)生的，磨蝕體積與作用顆粒在目標(biāo)面上的法向接觸載荷與滑動距離的乘積成正比，砂粒的離心力可近似看作砂粒與管壁的法向接觸載荷，該離心力與砂粒在管內(nèi)流速的平方成正比。

圖7　流量對沖蝕速率的影響

2.2.2砂粒體積分?jǐn)?shù)對沖蝕速率影響

選擇10 m/s作為流體入口邊界條件，砂粒直徑為0.4 mm，砂粒體積分?jǐn)?shù)為0.02～0.15。經(jīng)過仿真分析，得出在不同砂體積分?jǐn)?shù)下，水力噴射加砂過程中砂粒對連續(xù)油管的沖蝕規(guī)律曲線如圖8所示。由圖8可知，沖蝕速率近似與砂粒體積分?jǐn)?shù)成線性關(guān)系，作用在管壁上的法向接觸載荷隨砂粒體積分?jǐn)?shù)的增加而成比例的增加，沖蝕速率也相應(yīng)的線性增加。

圖8　砂粒體積分?jǐn)?shù)對沖蝕速率的影響

2.2.3滾筒半徑對沖蝕速率影響

連續(xù)油管在工作時，滾筒、鵝頸架以及井眼造斜段會產(chǎn)生嚴(yán)重的彎曲，尤其在滾筒處彎曲最為嚴(yán)重。在加砂過程中必定會對這些彎曲的連續(xù)油管產(chǎn)生嚴(yán)重的沖蝕。

選擇10 m/s作為流體入口邊界條件，砂粒體積分?jǐn)?shù)為7 %，連續(xù)油管曲率半徑分別選擇1 041.4、1 409.7、1 778 mm為初始條件，對加砂過程中砂粒對連續(xù)油管的沖蝕進行模擬仿真。經(jīng)過分析可得出不同曲率半徑條件下連續(xù)油管的沖蝕規(guī)律如圖9所示。由圖9可知，沖蝕速率隨滾筒半徑的增加而減小，即纏繞在滾筒上的內(nèi)層連續(xù)油管沖蝕較嚴(yán)重，但數(shù)值變化不大。沖蝕主要集中在管內(nèi)壁外側(cè)。隨著連續(xù)油管曲率半徑的增大，砂粒對連續(xù)油管的沖蝕逐漸減小。

圖9　滾筒半徑對沖蝕速率的影響

2.2.4其他影響因素

影響連續(xù)油管沖蝕速率的因素很多，除了上述影響因素之外還包括砂粒的粒徑、密度、連續(xù)油管的管徑以及內(nèi)壁的表面硬度等。一般壓裂作業(yè)中使用的砂粒粒徑為20～40目、密度約為2 650 kg/m3，數(shù)值較為固定，不對此進行討論。連續(xù)油管管徑主要影響管內(nèi)流速，相同流量下，管徑小則流速高，相應(yīng)的沖蝕速率就會增加。

3結(jié)論

1)在連續(xù)油管內(nèi)壁面外側(cè)靠近入口的區(qū)域沖蝕最為明顯，因此應(yīng)對此區(qū)段管壁進行強化處理。

2)沖蝕速率受到液體流量，砂粒體積分?jǐn)?shù)、滾筒半徑以及管徑的影響，增大流量，沙粒會增加管壁的磨損，增大滾筒半徑可以減小沖蝕磨損。可根據(jù)施工需要選擇合適的連續(xù)油管滾筒及管徑，選擇合理的施工參數(shù)也可有效地減小對連續(xù)油管的沖蝕損害。

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Numerical Simulation Research of Coiled Tubing Hydraulic Jet Erosion

XU Guowen

(OilProductionEngineeringResearchInstitute，DaqingOilfieldLimitedCompany，Daqing163453，China)

Abstract：Coiled tubing hydrajetting and annulus fracturing technology enables large-scale，high-efficiency reservoir stimulation，which has been widely used in China.However，in the process of hydrajetting perforation，coiled tubing will be severely eroded by the sand，especially in the drum with minimum radius where the erosion will be more serious.CFD software will be applied to simulate coiled tubing erosion when hydrajetting.For the heavy parts of erosion and sections of the corresponding numerical model，based on which researches will be conducted，the results of numerical simulation will be used to analyze solid phase particles aggregation and migration patterns，and rationally utilize erosion model to predict the key parameters between the wall erosion rate and flow rate，which will provide theoretical reference for prediction and prevention of erosion wear for engineering.

Keywords：coiled tubing；hydrajetting；numerical simulation；erosion rate

文章編號：1001-3482(2016)06-0012-04

收稿日期：2015-12-07

基金項目：中國石油天然氣股份公司油氣藏儲層改造技術(shù)持續(xù)攻關(guān)專項“大慶油田致密油層壓裂技術(shù)攻關(guān)及現(xiàn)場試驗”(2015CGCGZ002)

作者簡介：許國文(1984-)，男，工程師，現(xiàn)從事分層開采工藝及配套工具的研究及推廣工作，E-mail：xuguowen@petrochina.com.cn。

中圖分類號：T934.2

文獻標(biāo)識碼：A

doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.06.003