水力脈沖強化壓裂工具設(shè)計與分析

嚴梁柱,占 慶,張櫻曦

(1.長江大學(xué) 機械工程學(xué)院,湖北 武漢 430100;2.中國石油大學(xué)(北京)石油工程學(xué)院, 北京 102249)

隨著石油工業(yè)勘探開發(fā)力度不斷加大,低滲透、超低滲透等非常規(guī)油氣資源逐漸成為各國油氣田的增產(chǎn)主體。低滲油田中地質(zhì)特征復(fù)雜、非均質(zhì)強,一般需人工壓裂改造之后才具有商業(yè)價值,多孔介質(zhì)的原始狀態(tài)與孔隙擴張后狀態(tài)對比如圖1所示。原始狀態(tài)下多孔介質(zhì)中孔隙小、結(jié)構(gòu)緊密,滲透性差極不利于油氣開采,在經(jīng)過改造后的多孔介質(zhì)孔隙和滲透性明顯變大,使得油氣開發(fā)具有商業(yè)價值。目前常用的壓裂技術(shù)主要有水力壓裂、液藥壓裂及復(fù)合壓裂等[1-4]。其中,水力壓裂是致密氣、煤層氣、頁巖油氣和干熱巖等儲層增滲改造的最主要方式。一般采用靜壓致裂的方式改善儲層的滲流能力,但是這種技術(shù)具有泵注量大、能量利用率低、返排率低及體積壓裂效果不理想的技術(shù)問題[5]。

圖1 多孔介質(zhì)的原始狀態(tài)與孔隙擴張后狀態(tài)對比

目前的水力壓裂技術(shù)通常采用靜壓致裂的方式改善儲層的滲流能力,具有泵注量大、能量利用率低、返排率低、體積壓裂效果不理想等技術(shù)問題。為增強水力壓裂效果,近年來研究人員從提高儲層滲透率、產(chǎn)油速率、裂縫擴展機理及油層吸水注液著手,提出水壓爆破壓裂、水力脈沖壓裂概念。與其他儲層增滲改造方式相比,水力脈沖壓裂利用儲層在排量變化過程中產(chǎn)生周期性的水錘效應(yīng),在短時間內(nèi)釋放大量能量,產(chǎn)生欠平衡環(huán)境,具有增滲能力強、響應(yīng)快、抑制裂縫閉合等優(yōu)點,可以在極短的時間內(nèi)產(chǎn)生大量裂隙提高儲層滲流能力[6-7]。

近幾年研究人員對水力脈沖的研究更加深入和廣泛。2011年中國礦業(yè)大學(xué)張瑞等人[8]研究發(fā)現(xiàn),水壓爆破壓裂可提高儲層滲透率,減小巖石強度及圍巖壓力,增加裂縫數(shù)量和起裂角度;2014年科羅拉多礦業(yè)大學(xué)Luke P. Frash等[9]人對實驗室條件下水力脈沖對儲層滲透率和產(chǎn)油速率的影響開展了實驗研究,研究表明,儲層的生產(chǎn)速率明顯提高,滲透率提高了兩個數(shù)量級;M.RezaSafari等[10]人對頁巖儲層中的脈沖壓裂進行了研究,研究表明脈沖壓裂具有水力壓裂和爆炸壓裂的優(yōu)點,調(diào)整脈沖壓裂的參數(shù)使之與儲層相適應(yīng),就有可能產(chǎn)生多方向擴展的裂縫,控制脈沖速率,巖石就會表現(xiàn)出“延性到脆性轉(zhuǎn)變”的特點;2014年中國礦業(yè)大學(xué)的袁亮等人[11]研究了水力脈沖壓裂對煤層的影響,重點探究了脈沖頻率對裂縫擴展延伸的影響,同時分析脈沖頻率,壓力波動幅度,破裂壓力和脈沖持續(xù)時間的關(guān)系;2015-05,彭深等人[12]對脈動水壓力在煤氣儲層中的傳播特征進行了研究;2015年科羅拉多礦業(yè)大學(xué)的Luke.P.Frash等[13]人在實驗室進行了機械脈沖水力壓裂(MIHF)試驗,MIHF是高速率應(yīng)變壓裂(HSRF)方法的一種,其利用機械能量源形成動態(tài)高壓水力脈沖,可有效地用于二次增產(chǎn)作業(yè),即:在進行過水力壓裂的井內(nèi),再進行MIFH可以很好地產(chǎn)生復(fù)雜的新裂縫,顯著增強油層的吸水注液能力,從而提高儲層的再增產(chǎn)能力。

本文提出的渦輪驅(qū)動周向滑套式脈沖發(fā)生系統(tǒng),相較于同類別其他脈沖發(fā)生裝置,如現(xiàn)有泵源水力脈沖發(fā)生裝置設(shè)備成本高,結(jié)構(gòu)復(fù)雜,僅適用于煤礦井下脈動注水,不適用于遠距離井管壓裂?，F(xiàn)有管段水力脈沖發(fā)生裝置,多采用變化流量來控制頻率,水力脈沖頻率過高或過低,難以針對不同儲層(煤巖、頁巖等)特征進行最優(yōu)水力脈沖頻率的精準控制,且無法用于井管段密封壓裂等。該工具采用驅(qū)動套筒作為傳動組件,壓裂液在殼體內(nèi)流動的過程中,僅會通過不易發(fā)生堵塞的渦扇及止回閥,因此,本裝置在使用過程中不易發(fā)生堵塞,穩(wěn)定性良好。

1 渦輪驅(qū)動周向脈沖發(fā)生工具設(shè)計

為解決現(xiàn)有工具存在的泵源水力脈沖發(fā)生裝置設(shè)備成本高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜,在油氣儲層中適應(yīng)性差,無法精準控制脈沖頻率導(dǎo)致儲層受污染等問題。提出渦輪驅(qū)動周向滑套式脈沖發(fā)生工具[14],渦輪驅(qū)動周向滑套式脈沖發(fā)生工具(如圖2)由殼體、渦輪機構(gòu)、傳動機構(gòu)以及止回閥組成。

1-上殼體;2-渦輪機構(gòu);3-止回閥;4-調(diào)頻機構(gòu);5-增壓機構(gòu);6-下殼體。

工具主要技術(shù)參數(shù)如表 1所示。工具采用驅(qū)動套筒作為傳動組件,壓裂液在殼體內(nèi)流動的過程中,僅會通過不易發(fā)生堵塞的渦扇及止回閥,降低了使用過程中發(fā)生堵塞概率,提高了工具穩(wěn)定性同時可通過排量實現(xiàn)對頻率的精準控制。

表1 渦輪驅(qū)動周向脈沖發(fā)生工具主要技術(shù)參數(shù)

進行儲層改造時僅需將工具隨連續(xù)油管下入到待壓裂的井段,注入壓裂液,壓裂液依次流經(jīng)上腔體、渦扇及單向閥流入下腔體內(nèi),渦輪受流動影響發(fā)生轉(zhuǎn)動,轉(zhuǎn)動驅(qū)動套筒傳遞給調(diào)頻齒輪,調(diào)頻齒輪將調(diào)制好的脈沖傳遞給從動套筒,從動套筒轉(zhuǎn)動周期性滿足內(nèi)孔與射孔連通,形成脈沖水擊壓力波動,實現(xiàn)水力脈沖強化水力壓裂。

2 渦輪機構(gòu)設(shè)計及分析

渦輪機構(gòu)是渦輪驅(qū)動周向脈沖發(fā)生工具的動力元件,渦輪機構(gòu)動力學(xué)的性能直接決定了工具是否可以正常運轉(zhuǎn)。渦輪機構(gòu)作用是將流經(jīng)的壓裂液壓力轉(zhuǎn)化為動力,驅(qū)動渦輪旋轉(zhuǎn)帶動滑套周期性開合。渦輪機構(gòu)的動力學(xué)參數(shù)主要包括轉(zhuǎn)矩、效率、功率及壓降[15]。圖3為渦輪機構(gòu)的三維效果圖,可以看出輪盤是渦輪的主體部分,渦輪由多個葉片安裝在輪盤上形成;輪盤負責(zé)轉(zhuǎn)動并接受流體的動能轉(zhuǎn)化,葉片用于捕捉和轉(zhuǎn)化流體的動能。

圖3 渦輪機構(gòu)三維效果圖

在渦輪結(jié)構(gòu)設(shè)計時,渦輪內(nèi)部流體流動較為復(fù)雜,為突出主控因素,做出以下假設(shè):①渦輪具有無限多的葉片,認為葉片的型線即是流體的流道;②液體是理想的,為牛頓流體,流體流動時沒有相互摩擦;③忽略定轉(zhuǎn)子之間相互周期的影響。

基于以上假設(shè),通過流體流動方程,即可得出渦輪轉(zhuǎn)矩、功率等計算公式,并進一步確定渦輪葉片的結(jié)構(gòu)參數(shù)[16-17]。

2.1 渦輪轉(zhuǎn)矩

轉(zhuǎn)矩是渦輪的重要參數(shù)之一,也是衡量渦輪水力性能的重要指標[18-19]。當(dāng)動力液通過渦輪內(nèi)部,其與轉(zhuǎn)子相互作用,單位時間內(nèi)動力液的能量轉(zhuǎn)變?yōu)檗D(zhuǎn)子上的動能,使轉(zhuǎn)子獲得工作轉(zhuǎn)矩,帶動渦輪軸旋轉(zhuǎn)輸出機械能到執(zhí)行單元。通過對兩個轉(zhuǎn)子葉片中流體的進出口速度進行分解,如圖4所示。

圖4 動力液出口速度分解圖

渦輪轉(zhuǎn)子獲得的轉(zhuǎn)矩:

Mi=0.5ρQiD(c1cosα1-c2cosα2)

(1)

設(shè)c1u=c1cosα1,c2u=c2cosα2,進一步化簡可得渦輪的力矩公式:

Mi=ρQiR(c1u-c2u)

(2)

當(dāng)渦輪尺寸結(jié)構(gòu)一定時有:

(3)

式中:As為轉(zhuǎn)子入口流道截面積,m2。

可知,當(dāng)渦輪結(jié)構(gòu)和沖砂液密度一定時,渦輪上的扭矩Mi與轉(zhuǎn)速n成反比例線性關(guān)系。為求渦輪扭矩最大Mimax,即渦輪的轉(zhuǎn)速為零時,代入(4)式得:

(4)

2.2 渦輪功率

渦輪從動力液中轉(zhuǎn)化的功率為:

(5)

式中:ω為周向角速度,rad/s。

可知,當(dāng)渦輪外形結(jié)構(gòu)和流量Qi一定時,轉(zhuǎn)速n就是其唯一變量,之間呈現(xiàn)拋物線關(guān)系。

2.3 渦輪效率

渦輪內(nèi)部動力液所消耗的功率為:

N=ΔpQi

(6)

輸出功率與輸入功率之比為渦輪的總效率,即:

(7)

將式(6)、(7)代入上式得:

(8)

由上式可知,當(dāng)渦輪的結(jié)構(gòu)尺寸、流量一定時,渦輪的壓降與轉(zhuǎn)速n與渦輪的轉(zhuǎn)化效率有關(guān)。由于渦輪的壓降在結(jié)構(gòu)設(shè)計完成時,壓降將基本不會變化,因此,只與轉(zhuǎn)速相關(guān),之間呈拋物線關(guān)系。

通過對渦輪轉(zhuǎn)矩、功率等于轉(zhuǎn)速之間的計算公式,初步繪制了數(shù)字沒有實際意義,只代表大小的特性曲線,總結(jié)了轉(zhuǎn)矩、功率、效率和壓降隨渦輪轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律,如圖5所示。

圖5 轉(zhuǎn)矩、功率、效率及壓降隨渦流轉(zhuǎn)速關(guān)系曲線

3 渦輪部件的數(shù)值模擬

渦輪部件在渦輪驅(qū)動周向滑套式脈沖發(fā)生工具工作過程中主要承受著壓裂液對它的作用力以及自身重力,為實現(xiàn)將壓裂液的加速,渦輪部件需要具備足夠的強度來保障上述條件需要,以免造成斷裂而損壞其他部件。因此,很有必要將渦輪部件單獨提出,并利用有限元分析軟件,進行強度計算分析[19-20]。

圖6展示了使用ANSYS有限元數(shù)值模擬軟件進行渦輪建模和網(wǎng)格劃分的效果圖。首先進行建立渦輪的三維模型工作,設(shè)置葉片數(shù)量、輪徑、壁厚等,建立出符合工具設(shè)計的三維模型,如圖6a;然后設(shè)置網(wǎng)格數(shù)量,對建模后的部件進行網(wǎng)格劃分,如圖6b。

圖6 渦輪的三維模型

在工作狀態(tài)下,渦扇可以視為內(nèi)部受到力矩并且外部受到固定約束的力的作用。因此,在數(shù)值模擬施加載荷約束時可以簡化為在渦輪部件的內(nèi)壁施加轉(zhuǎn)矩載荷,并對渦輪部件的外壁進行固定約束。

仿真模擬的結(jié)果有多種,能從不同方面體現(xiàn)出渦扇的性質(zhì)。圖7為工作狀態(tài)下渦輪部件總形變云圖,渦輪部件的中部在工作狀態(tài)下應(yīng)變最大,最大達到0.863 mm,在進行強度設(shè)計時需要加強渦輪中部材料強度。

圖7 工作狀態(tài)下渦輪部件總形變云圖

圖8為工作狀態(tài)下渦輪最大主彈性應(yīng)變云圖,可以看出渦輪整體發(fā)生的彈性形變量較小,最大部分依舊集中在渦輪中部約為0.516 mm。

圖8 工作狀態(tài)下渦輪最大主彈性應(yīng)變云圖

圖9為渦輪的應(yīng)力強度云圖,顯示了渦輪中間剖面狀況,可以清楚地看出渦輪內(nèi)部應(yīng)力分布比較均勻,無應(yīng)力集中情況。

圖9 渦輪的應(yīng)力強度云圖

由分析結(jié)果可以看出渦輪部件中部更易發(fā)生變形與斷裂,故而在設(shè)計時需要選用材料強度較高的材料,保證強度足夠以免在工作時出現(xiàn)意外。

4 結(jié)論

本文對渦輪機構(gòu)進行了力學(xué)分析,以探究渦輪的力矩、功率以及效率與渦輪轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系。為了驗證通過添加渦輪驅(qū)動可以實現(xiàn)水力脈沖強化壓裂的可行性, 使用ANSYS有限元數(shù)值模擬軟件分析了渦輪在工作時的應(yīng)力集中情況。通過以上分析, 得出以下結(jié)論:

1) 當(dāng)渦輪結(jié)構(gòu)和沖砂液密度保持不變時,渦輪上的轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速呈反比例線性關(guān)系。

2) 當(dāng)渦輪外形結(jié)構(gòu)和流量保持不變時,轉(zhuǎn)速成為唯一的變量,與渦輪之間呈現(xiàn)拋物線關(guān)系。

3) 當(dāng)渦輪的結(jié)構(gòu)尺寸和流量保持不變時,渦輪的壓降與轉(zhuǎn)速以及渦輪的轉(zhuǎn)化效率有關(guān)。由于渦輪的壓降在結(jié)構(gòu)設(shè)計完成后基本不會變化,因此只與轉(zhuǎn)速相關(guān),呈拋物線關(guān)系。

4) 渦輪機構(gòu)的數(shù)值模擬結(jié)果表明渦輪中部形變量較大和應(yīng)力偏大,渦輪部件應(yīng)按照渦輪中部最大受力和應(yīng)變情況所需的較高強度材料進行設(shè)計,以保證施工安全。