水平井压裂管柱固液两相流动机理及应用技术研究
随着油田的深入开发,水平井压裂施工排量和加砂量不断增加,现场出现了喷砂器偏磨、油管断脱、砂堵等诸多工况,这直接导致压裂管柱不能满足多段施工,或根本无法施工,造成施工失败和原材料的浪费,致使水平井分段压裂成为了制约水平井开发大面积应用的"瓶颈"技术难点.本文基于水平井压裂管柱内固液两相流动特点,压裂液采用欧拉方法,陶粒采用拉格朗日方法,考虑陶粒的湍流作用,陶粒相对压裂液的耦合作用,建立水平井压裂管柱内固液两相流数学模型.进行水平井压裂管柱材料的冲刷磨损实验,分别对不同角度、不同含砂比和转速的情况下进行实验,得出不同工况下的材料磨损速率.运用经典冲刷磨损理论,结合实验数据确定经验常数,建立适合本研究的冲刷磨损模型.运用所建立的固液两相流模型和冲刷磨损模型,对水平井压裂管柱内固液两相流动及磨损规律进行研究,分别对正常压裂施工情况、结构偏心情况和射孔段不均匀出流情况进行模拟,分析管柱损伤原因.采用LDA测试结果和压裂施工后工具磨损形貌对内流场速度分布规律和磨损规律进行验证,其规律吻合较好,验证了所建立流体模型和冲刷磨损模型的可靠性.对水平井压裂管柱卡距内沉砂规律进行数值模拟,分析液体粘度、颗粒直径和流量对沉砂量的影响,得出不同卡距内的沉砂规律,为压裂施工的卡距设计提供理论指导.针对磨损比较严重的喷砂器结构,结合现场应用磨损情况提出结构改进方案,提出三向喷砂器、斜截面喷砂器、十孔导流喷砂器、十孔导斜喷砂器等结构,对所提出的不同类型喷砂器进行数值模拟,并根据模拟结果进行了参数优化.三向喷砂器,在一个孔偏心及两个孔偏心情况流态均匀性和磨损量都有一定程度的改善,但在结构偏心情况下,可能存在两口之间内套磨损加剧的问题;斜截面喷砂器对近死堵位置的涡流有一定的抑制作用,使磨损量有所改善,对喷孔内的流态改善最明显;十孔导流喷砂器,有很好的导流作用,但对通孔的内壁磨损比较严重;十孔导斜喷砂器,将十孔喷砂器和斜截面喷砂器相结合,可起到很好抑制涡流和的导流效果,有效提高喷砂器的耐磨性.本文的研究为水平井压裂管柱内部两相流动规律和磨损规律的预测提供了有效方法,得出的磨损规律和沉砂规律,可为水平井压裂管柱优化设计和施工设计提供有效的理论依据.提出的应用技术优化方案,可延长工具使用寿命,提高压裂施工成功率.因此,本课题的研究,为进一步提高水平井多段压裂施工提高技术成熟度,扩大应用规模提供技术手段,为老油田稳产增产、新油田高效开发,提高油田最终采收率,提供技术保障.
- 作者：
- 徐德奎
- 学位授予单位：
- 东北石油大学
- 专业名称：
- 油气田地面工程
- 授予学位：
- 博士
- 学位年度：
- 2013年
- 导师姓名：
- 王尊策
- 中图分类号：
- TE934.2
- 关键词：
- 水平井压裂；压裂管柱；喷砂器；冲刷磨损；沉砂
- Horizontal well fracturing； Fracturing string； Bybass crossover sub； Erosion wear； Sand setting