水平井分段压裂滑套球座的冲蚀数值分析.pdf

《水平井分段压裂滑套球座的冲蚀数值分析.pdf》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、!!"#!研究与探讨水平井分段压裂滑套球座的冲蚀数值分析马明新1李国锋1许婵婵1杨超2黄亮3[1.胜利石油工程有限公司钻井工艺研究院，山东东营257000；2.中石化中原石油工程有限公司钻井二公司西南项目部，河南濮阳457001；3.中海石油（中国）有限公司湛江分公司，广东湛江524057]摘要：鉴于压裂滑套球座在水平井裸眼分段压裂工艺中的重要性，本文通过数值分析的方法分析了滑套球座的冲蚀形态，并进行了不同锥面锥角和锥段结构下的冲蚀分析，研究表明，不同锥段结构及锥段锥角条件下，球座锥段的冲蚀形态均呈片状或点状分布，推荐球座锥段锥角取30°，滑套球座的锥段结构采用凹面结构。关

2、键词：水平井分段压裂；滑套球座；冲蚀前言水平井裸眼完井分段压裂工艺中，采用管外封隔器和投球滑套配合进行分段压裂，通过投球实现压裂通道的开启。然而对于压裂液排量可以达到5m3/min左右的非常规井，在压裂施工中比起普通压裂的排量要大得多，由于滑套球座变径产生截流作用，对于滑套球座锥面来说将不可避免地导致其受到损害，如果一旦密封锥面受到侵蚀而变形，球座就会无法形成有效的密封，从而导致压裂滑套无法打开，压裂施工也将受到严重影响。作为水平井裸眼段压裂技术一个重要组成部分的滑套球座，提高压裂滑套的抗冲蚀性是其需要考虑的重难点，因此，对于滑套球座的冲蚀进行分析对合理设计球座锥段结构有着

3、非常重要的意义。目前国外裸眼分段压裂技术已经在现场得到了成熟应用，并且可以实现井下球座滑套的可打捞、可控开关与无限级压裂等技术，目前我国之所以在工具性能、使用效果以及耐冲蚀性等方面和国外还有着一定的差距，是由于我国的分段压裂投球滑套技术工艺起步相对较晚，现如今球座滑套的研制开发也正朝着全通径、多簇无限级等方向发展。同时，国内欠缺专门针对球座流道结构的冲蚀性分析，然而球座锥段锥角和锥段结构角度对两相流动状态以及锥段的冲蚀冲蚀存在显著的影响，同时压裂液特性、压裂流量、砂粒粒径、砂浓度等压裂施工参数都对球座滑套的耐冲蚀性存在一定影响，鉴于篇幅有限，本文假设以上压裂施工在一定参数条

4、件下，为了方便对球座滑套结构的优化，对不同锥角和锥段结构下球座的冲蚀数值分别进行了分析。1压裂滑套球座的数值模型锥段锥角为15°、30°、45°以及60°。压裂液的粘度为100mPa·s，密度1400kg/m3，流量4m3/min，出口压力40Mpa，砂粒的平均颗粒粒直径380μm，密度2000kg/m3，含砂体积浓度为30%。1.1数值模型和网格地的划分对球座的三维建模和划分网格采用GAMBIT前处理软件，为了使网格划分精度的到保证，采用六面体结构化网格的网格形式。网格划分示意图如图1所示。式中，C（dp）表示与颗粒粒径相关联的函数；α是颗粒轨道与壁面之间的夹角，其表示颗

5、粒与壁面碰撞时的角度，f（α）是与碰撞角度相关的函数；Vp表示颗粒的碰撞速度，b（Vp）是与颗粒碰撞速度相关的函数；Aface是壁面计算单元的面积；为计算过程中颗粒所代表的质量流率；Nparticles为在单元面积Aface上发生碰撞的颗粒数目；Rerosion是以kg/（m2·s）为单位的冲蚀率。图1球座三维模型网格划分示意图（锥段倾角30°）除此之外，在进行数值计算的过程中，入口边界采用的是1.2对于数值计算模型的设置速度进口边界条件，而出口边界则采用是压力出口边界条件，采用FLUENT软件，把球座的冲蚀形态及流道两相流动状其中出口压力是40Mpa，球座壁面采用的是无滑

6、移壁面边界。态用离散相模型(DPM模型)和冲蚀模型进行数值分析。2对球座冲蚀形态和两相流动的分析（1）离散相模型文章以30°的锥段锥角作为实例，对球座锥段的冲蚀率FLUENT通过在拉氏坐标系下积分颗粒作用力微分方程分布、流道砂粒浓度分布和流道压力分布进行了分析，同时还来求解离散相颗粒运动轨道，得到颗粒受力微分方程形式为：分析球座冲蚀冲蚀的形态及原因。2.1球座冲蚀形态分析图2球座锥段冲蚀率分布(锥角为30°)图2给出了球座锥段冲蚀率分布云图。由图可知，球座研究与探讨!!"#!锥段的冲蚀形态呈片状或点状分布，即某些区域内冲蚀较为式中，α为球座锥段的锥角。严重，冲蚀率较高（可达

7、2.8×10-6kg/m2·s）。由以上分析可知，当锥角≤30°时，锥段冲蚀率较低；当2.2球座冲蚀砂粒浓度及压力分布分析锥角>30°时，锥段冲蚀率急剧增大，实际应用中，球座锥角的减小会增加球座锥段长度，而锥角过大则会显著加剧球座锥段的冲蚀冲蚀程度，综合考虑，锥角30°为较为合理的选取方式。4锥段结构形式对冲蚀冲蚀的影响在锥角一定的前提下（锥角为30°），通过改变球座锥段的结构形式（凹面、凸面、直面），分析计算球座的冲蚀速率，绘制了不同锥段结构形式条件下球座锥段平均冲蚀直方图如图5所示，分析不同锥段结构形式对冲蚀冲