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压裂管柱内固液两相流动特性及磨损机理研究

张书进  
【摘要】: 大庆油田深层气井压裂施工和大规模多段水平井压裂过程中,由于压裂液的速度较高,且压裂液中含有高浓度的固体颗粒,对压裂管柱局部产生了严重的冲刷磨损,导致施工不能正常进行或根本无法施工,严重制约了水力压裂技术的发展。本文通过分析国内外两相湍流数学模型的研究进展,结合本文实际问题,在连续介质理论框架下,从欧拉-欧拉双流体模型基本方程出发,借鉴两相湍流理论,对压裂管柱内固液两相流动进行数值研究,运用冲刷磨损理论,对压裂管柱内冲刷磨损规律进行研究。 论文建立了直角坐标系下的二维轴对称压裂管柱内固液两相双流体湍流模型,确定适当的边界条件,完成方程的封闭,构成完整的定解问题。采用有限体积方法求解模型控制方程,通过数值计算突扩和突扩后渐缩圆管内固液两相流的时均速度分布规律,砂浓度分布,流线分布规律等。对不同施工排量和含砂比条件下的流场规律进行研究,分析其对流场结构及冲刷角度的变化,并对其内部流道形式进行优化。 论文建立了直角坐标系下的三维压裂管柱内固液两相双流体湍流模型,对水平井压裂管柱喷砂器内流场进行数值模拟,采用有限体积法对控制方程进行求解,计算得到了喷砂器内的流线,时均速度分布,砂浓度分布以及压力分布。为了验证喷砂器内复杂流态数值模拟结果的正确性,运用相似理论,依据在现场实际应用喷砂器结构及运行工况,设计了压裂管柱喷砂器内流场测量的实验单体,建立了LDA测试系统,对喷砂器内部流场进行测量,得到的测试结果与数值模拟结果的流场规律基本吻合,验证了所建立的湍流模型及算法的合理性。 论文对现场压裂施工后磨损管柱进行了失效分析,确定出冲刷磨损的主要形式,运用经典冲蚀磨损理论,结合冲刷磨损试验研究,建立了适合本研究的冲刷磨损理论模型。针对喷砂器内冲刷磨损比较严重的喷砂孔位置展开冲刷磨损规律模拟研究,将所建立的冲刷磨损模型运用到数值模拟结果中,预测喷砂器内套位置的冲刷磨损速率。通过流态模拟方法和冲刷磨损模拟方法,对喷砂器的结构进行优化,提出了一种新型不等距十孔喷砂器结构,有效改善了喷砂器部位的流态,减小了对管柱结构的损伤,为压裂管柱的喷砂器设计提出了新的思路。 本文的研究,不仅可为压裂管柱的优化设计提供有效的理论依据,也可在油田压裂生产中,预测工具的磨损量,并对压裂工具的设计具有重要的指导意义。也对推动压裂管柱的进一步发展,延长其使用寿命,提高压裂施工成功率,降低作业施工成本,具有良好的经济效益和应用前景。


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