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可膨胀预充填防砂筛管及防砂机理研究

张建乔  
【摘要】: 目前,现有的机械方法大都难以胜任油田开发中后期的防砂任务。改进现有防砂工艺,开发新型机械防砂技术,成为油田开发中的一个重要问题。 结合双层预填充筛管、可膨胀筛管的优点,设计开发了可膨胀预充填筛管。其包括四层结构:外层保护结构、过滤筛网、中间砾石层和内支撑割缝筛管,具有砾石充填和膨胀施工一次完成的优势,且膨胀力小、对井下其它设备的影响小,成为一种新型的低成本、长防砂周期的机械防砂方法。内支撑割缝筛管是可膨胀预充填筛管结构中最重要的部分。针对内支撑割缝筛管现有缝型结构,设计开发了内支撑复合缝腔割缝筛管,其显著的结构特点为缝腔外窄内宽,可以延长割缝筛管的使用寿命、扩大泵的吸入面积、减小油流阻力,利于原油的高产采出。 井下原油对内支撑复合缝腔割缝筛管的冲蚀作用不可避免,因此,采用室内实验模拟方法,研究了其冲蚀机理,测取了其在不同参数条件下的冲蚀速度,结合BP算法,建立了其冲蚀速度预测模型,并通过割缝外宽与冲蚀速度的转换,建立了其使用寿命预测模型。实验结果表明:①其冲蚀形式主要有点坑、犁削和切片,当砂粒直径较大时,出现了点坑与犁削凹坑或切片凹坑相连接现象,成为沟壑形状的综合型形貌。②筛管参数与筛管的强度和原油流动阻力息息相关。 针对通用有限元软件建模复杂、计算时间长且可能出现对于特定领域不能满足精度要求等问题,提出了非自由边界分割网格划分方法,自主开发了内支撑复合缝腔割缝筛管专用有限元分析软件-SFEM,其具有建模简单、内核小、计算速度快等特点。 采用SFEM和Fluent软件分别计算了内支撑复合缝腔割缝筛管参数与其强度和原有流动阻力的关系,结合BP算法,建立了内支撑复合缝腔割缝筛管强度预测模型和原油流经内支撑复合缝腔割缝筛管的流动阻力预测模型。 基于内支撑复合缝腔割缝筛管的强度预测模型、原油流动阻力预测模型和使用寿命预测模型,采用混合遗传算法,对内支撑复合缝腔割缝筛管进行了多目标优化设计,改变了割缝筛管采用经验公式简单优化的局面。其优化后具有流动阻力小、使用寿命长、强度高的特点,从而为其在油田的推广应用奠定了理论基础。 以提高保护外壳的膨胀性能为基础,设计了径向上凹凸变换的外壳结构,可以实现小应力和大位移补偿,为提高可膨胀预充填筛管的现场成功率提供了依据。采用数值分析方法,分析了外壳参数与其膨胀性能的关系,并描述了外壳的膨胀机理。


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