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基于拖动压裂的水力喷砂射孔技术研究

吴思梦  
【摘要】:随着油气资源开采的不断深入,国内多数油气田均已进入生产的中后期,含水量持续升高、采收率不断下降;与此同时,勘探发现的新增油气储量有限。因此,最大程度地开发利用现有非常规油气资源成为了现阶段缓解油气产量降低、保持稳产的主要措施;而水力喷射分层压裂技术也成为了改造非常规油气藏的主要技术手段。其中,拖动管柱式分层喷射压裂技术一方面可利用一趟管柱实现射孔、压裂联合作业,作业周期短,且管串结构简单;另一方面可通过从下到上拖动管柱实现不限层数的射孔压裂施工,且后续无需冲砂钻塞操作,压后井筒清洁,对产层伤害小。作为拖动压裂施工的前置作业,水力喷砂射孔技术能够利用高速磨料射流在井筒与目标地层之间建立具有一定直径和深度的孔眼状油气通道;且相比于常规炮弹射孔,该技术具有穿透深,开孔孔径大,孔眼周围不存在压实带、对地层污染低,对地层改造能力强、可实现精准定点射孔等显著优点。尽管国内早已开展了水力喷砂射孔技术的相关研究,但研究方向多集中在射孔参数设计和技术应用方面;针对射孔力学机理和射孔工具性能方面的研究仍与国外存在一定的差距。尤其,在射孔施工过程中射孔工具明显存在射流性能不高、冲蚀磨损严重、使用寿命低等问题,严重制约了国内水力喷砂射孔技术的发展。因此,基于上述工程背景,本论文开展的研究工作主要有以下几点:(1)利用流体力学理论,分析固液两相流中磨料颗粒的受力情况,建立高速磨料射流形成过程的动力学方程;基于塑性材料破坏的第四强度理论和岩石破坏的库伦-摩尔准则,建立球形磨料颗粒对套管、岩石打击过程的力学模型,推导出磨料颗粒冲击速度与靶件受力之间的关系式。从力学分析的角度为水力喷砂射孔机理研究提供一定的理论依据。(2)针对国内水力喷砂射孔工具冲蚀磨损严重、使用寿命低的问题,以一种常用的水力喷砂射孔器为研究对象。借助数值模拟方法,对其内部的固液两相流场运动特性进行分析;进而总结出射孔过程中,常用水力喷砂射孔器的冲蚀磨损规律及影响因素。从提高使用寿命的角度为水力喷砂射孔器的结构优化设计提供思路。(3)基于上述分析,从工具本体结构和喷嘴内流道结构两方面进行优化,提出一种新型连体式水力喷砂射孔器结构设计方案;并利用Fluent软件,以射流性能和抗冲蚀性能为指标,对新型水力喷砂射孔器的结构参数进行优化。最后,对新型射孔器的综合性能进行分析评价。(4)从水力喷砂射孔技术施工过程中射孔管柱受力变形分析和施工参数设计两个方面,为该技术的现场应用提供一定的理论参考。


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