水力噴射連續(xù)油管彎曲對(duì)環(huán)空沖蝕規(guī)律研究

朱崇佳

（大慶油田有限責(zé)任公司鉆探工程公司鉆井三公司，黑龍江大慶163000）

連續(xù)油管在水力噴射壓裂工作過程中會(huì)受到砂粒的嚴(yán)重沖蝕，尤其當(dāng)連續(xù)油管在井筒內(nèi)發(fā)生彎曲后，磨蝕更加嚴(yán)重。針對(duì)連續(xù)油管作業(yè)過程中發(fā)生彎曲較嚴(yán)重的部位建立對(duì)應(yīng)的數(shù)值計(jì)算模型，并進(jìn)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，合理利用沖蝕模型預(yù)測(cè)連續(xù)油管彎曲與磨蝕的關(guān)系，為工程中沖蝕磨損的預(yù)測(cè)及防治提供理論參考。

1 連續(xù)油管螺旋彎曲對(duì)沖蝕磨損規(guī)律的研究

連續(xù)油管在井筒內(nèi)發(fā)生螺旋屈曲后，在壓裂加砂過程中，會(huì)改變井筒內(nèi)的流動(dòng)規(guī)律。對(duì)螺旋屈曲后的連續(xù)油管與套管環(huán)空流場(chǎng)進(jìn)行建模，并進(jìn)行沖蝕磨損計(jì)算。

1.1 仿真模型建立

利用三維建模軟件Solidworks建立螺旋彎曲的連續(xù)油管的幾何模型。定義螺距等參數(shù)（初步設(shè)定為5m）。將建立的三維幾何模型導(dǎo)入到網(wǎng)格劃分軟件Gambit中進(jìn)行網(wǎng)格劃分，由于油管與套管壁相切處的幾何域存在尖角（橫截面方向），會(huì)對(duì)網(wǎng)格劃分造成困難，因此對(duì)油管與套管壁緊貼的位置進(jìn)行倒圓角處理，采用掃掠法生成六面體網(wǎng)格。通過布爾運(yùn)算抽取流場(chǎng)計(jì)算域，為降低計(jì)算量，取了0.5螺距長(zhǎng)度的連續(xù)油管進(jìn)行計(jì)算，連續(xù)油管外徑為2.375″即60.325mm，壁厚取為4.445mm。作業(yè)砂相體積分?jǐn)?shù)流量選為0.1、0.2、0.3、0.4。壓裂流量選為7~10m3/min，砂粒密度為2600kg/m3。

1.2 沖蝕磨損規(guī)律研究

1.2.1 流場(chǎng)分析

壓裂作業(yè)中流量很大，沿軸向方向的速度量級(jí)也較大（入口流速18.09m/s），由于連續(xù)油管的存在，速度在橫截面方向存在明顯的速度梯度——在油管與套管壁緊貼的位置，出現(xiàn)較大的速度梯度，速度下降也比較明顯。因此，在橫截面方向（與軸向垂直的方向），存在著量級(jí)遠(yuǎn)小于軸向速度量級(jí)的“二次流”。如圖1（a）所示，為橫截面上速度矢量圖，油管的沿軸向的螺旋變化使得流體繞油管出現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)，該趨勢(shì)造成的直接結(jié)果就是：砂相在旋轉(zhuǎn)流動(dòng)的帶動(dòng)下，由油管與套管壁接觸的一端流向另一端，并最終堆積在油管與套管接觸的一側(cè)，如圖1（b）所示，砂相體積分?jǐn)?shù)分布云圖顯示，砂相在緊貼套管壁的右側(cè)的濃度要高于左下側(cè)。砂相在油管緊貼套管壁的兩側(cè)分別出現(xiàn)了高/低兩種體積分?jǐn)?shù)分布，最高體積分?jǐn)?shù)（約為0.2）為平均體積分?jǐn)?shù)（0.1）的兩倍。

圖1 （a）速度矢量圖和（b）砂相體積分?jǐn)?shù)分布云圖

1.2.2 沖蝕規(guī)律研究

對(duì)套管內(nèi)壁和油管外壁進(jìn)行沖蝕研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)套管內(nèi)壁和油管外壁上沖蝕速率分布大致相同，呈點(diǎn)狀沖蝕，分布較為分散，沒有沖蝕集中的區(qū)域[3-4]。環(huán)空中發(fā)現(xiàn)顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡也呈螺旋狀，顆粒彼此間的干擾較小。

砂相最大濃度與入口砂相的含量（體積分?jǐn)?shù)）大致成正比關(guān)系，當(dāng)含砂量為30%時(shí)，環(huán)空中出現(xiàn)的最大砂濃度超過了50%。如圖2所示。流量對(duì)沖蝕速率的影響關(guān)系曲線，可以看出流量與最大沖蝕速率呈正比關(guān)系，流量的增加會(huì)導(dǎo)致沖蝕的增加，因?yàn)?，流量增大顆粒的運(yùn)動(dòng)速度也會(huì)增大，必然會(huì)導(dǎo)致沖蝕速率增加，如圖3所示。

圖2 砂體積分?jǐn)?shù)對(duì)最大砂相濃度的影響

圖3 流量對(duì)沖蝕速率的影響

2 連續(xù)油管正弦彎曲對(duì)沖蝕磨損規(guī)律的研究

2.1 仿真模型建立

對(duì)正弦彎曲的連續(xù)油管與套管環(huán)空流場(chǎng)進(jìn)行建模，建立方法與螺旋彎曲的建立方式相似，但在正弦彎曲時(shí)連續(xù)油管由沿井眼中心到彎曲后緊貼套管壁，在緊貼套管壁的位置出現(xiàn)尖角區(qū)域，加大了網(wǎng)格劃分難度。在入口段和出口段區(qū)域中，模型截面的拓?fù)湫螤钛剌S向保持一致，因此適用于掃掠法生成六面體網(wǎng)格；在油管與套管緊貼位置處，盡管截面幾何形狀較為復(fù)雜，但仍然可以使用掃掠法生成六面體網(wǎng)格；但是在兩個(gè)區(qū)域過渡的區(qū)域采用了非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格來離散此幾何區(qū)域。

2.2 沖蝕磨損規(guī)律研究

2.2.1 流場(chǎng)分析

從環(huán)空入口向內(nèi)，速度是增加的，油管正弦段貼近套管壁面處上側(cè)流體速度梯度較大[5-6]。圖4為不同截面上液相速度矢量圖，不同截面流體速度矢量分布差異很大。正弦起始段（Surface2和Surface3之間的區(qū)域），流體從上側(cè)繞環(huán)控流向下側(cè)，而正弦結(jié)束段（Sur?face4和Surface5之間的區(qū)域）則與之相反，流體從下側(cè)繞環(huán)控流向上側(cè)。

圖4 不同截面處流場(chǎng)的速度矢量圖

油管壁面沖蝕速率云圖可知，沖蝕區(qū)域集中在油管正弦波峰段的內(nèi)側(cè)（Surface2和Surface3之間的區(qū)域），直線受到?jīng)_蝕較為微弱。通過分析截面液相速度矢量圖，Surface2和Surface3截面，流體從兩側(cè)繞油管流向底端，而且貼近油管壁面的流體速度方向垂直于油管壁面且速度較其他區(qū)域加大，因此造成該段區(qū)域受沖蝕速率集中且最大[7]。

2.2.2 沖蝕規(guī)律研究

正弦起始段，顆粒向下側(cè)移動(dòng)，正弦結(jié)束段，下側(cè)顆粒又向上側(cè)發(fā)散。流量增大會(huì)導(dǎo)致沖蝕速率的增加。流量和沖蝕速率呈非線性關(guān)系，流量越大，沖蝕速率增幅越大，如圖5所示。

圖5 流量對(duì)沖蝕速率的影響

3 結(jié)論

(1)對(duì)于環(huán)空內(nèi)的沖蝕磨損，螺旋彎曲段套管外壁和油管內(nèi)壁上沖蝕速率分布大致相同，呈點(diǎn)狀沖蝕，分布較為分散；正弦彎曲段沖蝕磨損主要集中在正弦彎曲起始段內(nèi)側(cè)；

(2)沖蝕速率主要受到入口流量，混合液砂相體積分?jǐn)?shù)的影響，入口流量及砂相體積分?jǐn)?shù)增加時(shí)，油套管壁面磨蝕增加，入口流量和砂相體積分?jǐn)?shù)成正比關(guān)系，應(yīng)當(dāng)在滿足射孔壓裂要求的條件下選擇合適施工參數(shù)，以減小油管和套管壁面的沖蝕磨損。