連續油管水力噴射沖蝕數值模擬研究

許國文

(大慶油田有限責任公司 采油工程研究院，黑龍江 大慶 163453)

?

連續油管水力噴射沖蝕數值模擬研究

許國文

(大慶油田有限責任公司 采油工程研究院，黑龍江 大慶 163453)

摘要：連續油管水力噴射環空加砂壓裂技術可實現儲層的大規模、高效率改造。但在水力噴砂射孔過程中，連續油管會受到砂粒的嚴重沖蝕，尤其在連續油管彎曲半徑最小處(滾筒處)沖蝕尤為嚴重。應用CFD軟件對連續油管水力噴砂射孔過程中所受的沖蝕進行仿真分析，對沖蝕磨損較嚴重的部位及區段建立對應的數值計算模型。利用數值模擬結果分析固相顆粒聚集及遷移規律，并合理利用沖蝕模型預測了管壁沖蝕速率與流量、砂粒體積分數等參數的關系。為工程中沖蝕磨損的預測及防治提供理論參考。

關鍵詞：連續油管；水力噴射；數值模擬；沖蝕速率

[11]Zakeri A，Clukey E，Kebadze B，et al.Recent Advances in Soil Response Modeling for Well Conductor Fatigue Analysis and Development of New Approaches[C]//OTC-25795-MS，2015.

[12]蘇堪華.深水鉆井井口力學分析及導管承載能力研究[D].東營：中國石油大學，2009.

[13]王聯偉，張雷，董紹華，等.基于土彈簧模型的管道滑坡力學影響因素分析[J].油氣儲運，2014，33(4)：380-384.

[14]Wang J，Wang Y.Study on Structure Dynamic Characteristic of all Terrain Vehicle Frame[J].Advanced Materials Research，2013(798)：255-258.

連續油管水力噴射環空加砂壓裂技術是集射孔、壓裂于一體的新型增產改造技術，可實現儲層大規模、高效率壓裂改造[1-2]，在國內得到了廣泛應用。然而，在水力噴砂射孔過程中，高速的攜砂液會對連續油管造成嚴重沖蝕，尤其是在滾筒處發生的沖蝕最為嚴重。沖蝕的研究方法主要有試驗研究和數值模擬2 種[3]。通過CFD軟件對連續油管在噴砂射孔過程中所受的沖蝕進行仿真分析。針對沖蝕磨損較嚴重的部位及區段建立對應的數值計算模型，并進行數值模擬研究，利用數值模擬結果分析固相顆粒聚集及遷移規律，并合理利用沖蝕模型預測了管壁沖蝕速率與流量、砂體積分數等關鍵參數的關系，為工程中沖蝕磨損的預測及防治提供理論參考。

1沖蝕數值計算模型的建立

為了合理地確定仿真模型及邊界條件，對連續油管沖蝕問題做如下假設：

1)砂粒的形狀為球形。

2)流體與砂粒及管壁之間無熱量交換。

3)流體不可壓縮。

在連續油管噴砂射孔加砂過程中，液流的速度為9 m/s左右，對應的雷諾數量級遠大于4 000，因此在連續油管水力噴射壓裂過程中流體流動為湍流，選擇k-ε湍流模型作為求解模型。

在Fluent內置的沖蝕磨損速率計算模型中，沖蝕量的大小與顆粒的沖擊角度、沖擊速度和形狀有關。在液固兩相流或單相流沖刷腐蝕條件下，壁面材料不僅會受到力學的損傷(沖刷撞擊磨損導致的材料損傷)，而且會受到化學或電化學的損傷。電化學或化學對壁面材料的損傷也受到流速的影響，因此不同的沖刷腐蝕環境有不同的速度分量函數取值。根據連續油管沖蝕模型對應的速度分量函數取值為0.5～3.0[4]，選取2.5為本次模擬的速度分量函數值。建立的連續油管數值計算模型及網格劃分如圖1。

圖1　連續油管數值計算模型及網格劃分

2沖蝕磨損規律研究

相對于普通油管壓裂，連續油管的過流面積小，壓裂液的高流速導致連續油管受到嚴重的沖蝕，其中滾筒纏繞段中的壓裂液受到離心力的作用使管壁受到不均勻的沖蝕，遠離滾筒的管壁沖蝕最嚴重。沖蝕會使連續油管的壓力等級和抗拉能力降低，更容易產生疲勞破壞。滾筒處連續油管的沖蝕具有以下2個特點：①在離心力作用下，連續油管上遠離滾筒的壁面附近固相濃度很高；②連續油管的曲率相對較大，壁面附近顆粒的沖擊角很小，甚至部分顆粒沿著管壁滑動或者滾動[5-7]。使用建立的計算流體力學沖蝕計算模型，對水力噴砂射孔過程中滾筒纏繞段的連續油管的沖蝕規律進行了研究。

2.1流場仿真結果分析

砂粒在不同入口體積分數時，90°橫截面上砂粒的分布如圖2所示。由圖2可知，由于離心力的作用，砂粒聚集在遠離滾筒的一側管壁上(管壁外側)，最大體積分數是入口體積分數的2.6倍。由于彎曲連續油管中存在著二次流，如圖3所示。連續油管橫截面上存在著兩個方向相反的渦流，兩個渦流大致以圖4中螺旋線中心與橫截面中心的連線為界，上部渦流沿順時針方向、下部渦流沿逆時針方向將聚集在管壁外側的砂粒卷向管壁內側，從而形成圖2所示的“翼形”砂粒體積分數分布。

a　入口流速12 m/s，入口體積分數0.1

b　入口流速12 m/s，入口體積分數0.2

圖3　90°橫截面上砂粒速度矢量

圖4　橫截面位置

當壓裂液中加砂量達到一定體積分數或者增大流量、減小螺旋半徑時，管壁外側上的砂相體積分數達到最大堆積體積分數后便會形成滑動底床。當砂粒體積分數小于堆積體積分數而又很高時，砂粒間的相互作用十分強烈，砂粒可以看作整體沿著管壁外側滑動，因此也可以看作滑動底床。此時砂粒對于管壁的沖蝕實際上變為砂粒對管壁磨蝕。應用沖蝕模型對管壁的壁厚損失進行計算，沖蝕速率沿管長方向的分布如圖5所示，沿橫截面方向的分布如圖6所示。由圖5～6可知，管壁外側的沖蝕速率最高。由于速度入口邊界的影響，砂粒沖擊入口不遠處的管壁造成該處沖蝕速率最高。

圖5　管壁處沖蝕速率的分布

圖6　沖蝕速率沿管壁周向的典型分布

2.2連續油管沖蝕速率影響因素分析

2.2.1流量對沖蝕速率影響

根據分析結果得出了砂粒體積分數為10%時，管壁上沖蝕最嚴重處的沖蝕速率隨壓裂液流量的變化規律如圖7所示。由圖7可知，沖蝕速率與流量近似成平方關系。砂粒體積分數很高時，管壁的沖蝕主要是由于砂粒相對于管壁的摩擦運動產生的，磨蝕體積與作用顆粒在目標面上的法向接觸載荷與滑動距離的乘積成正比，砂粒的離心力可近似看作砂粒與管壁的法向接觸載荷，該離心力與砂粒在管內流速的平方成正比。

圖7　流量對沖蝕速率的影響

2.2.2砂粒體積分數對沖蝕速率影響

選擇10 m/s作為流體入口邊界條件，砂粒直徑為0.4 mm，砂粒體積分數為0.02～0.15。經過仿真分析，得出在不同砂體積分數下，水力噴射加砂過程中砂粒對連續油管的沖蝕規律曲線如圖8所示。由圖8可知，沖蝕速率近似與砂粒體積分數成線性關系，作用在管壁上的法向接觸載荷隨砂粒體積分數的增加而成比例的增加，沖蝕速率也相應的線性增加。

圖8　砂粒體積分數對沖蝕速率的影響

2.2.3滾筒半徑對沖蝕速率影響

連續油管在工作時，滾筒、鵝頸架以及井眼造斜段會產生嚴重的彎曲，尤其在滾筒處彎曲最為嚴重。在加砂過程中必定會對這些彎曲的連續油管產生嚴重的沖蝕。

選擇10 m/s作為流體入口邊界條件，砂粒體積分數為7 %，連續油管曲率半徑分別選擇1 041.4、1 409.7、1 778 mm為初始條件，對加砂過程中砂粒對連續油管的沖蝕進行模擬仿真。經過分析可得出不同曲率半徑條件下連續油管的沖蝕規律如圖9所示。由圖9可知，沖蝕速率隨滾筒半徑的增加而減小，即纏繞在滾筒上的內層連續油管沖蝕較嚴重，但數值變化不大。沖蝕主要集中在管內壁外側。隨著連續油管曲率半徑的增大，砂粒對連續油管的沖蝕逐漸減小。

圖9　滾筒半徑對沖蝕速率的影響

2.2.4其他影響因素

影響連續油管沖蝕速率的因素很多，除了上述影響因素之外還包括砂粒的粒徑、密度、連續油管的管徑以及內壁的表面硬度等。一般壓裂作業中使用的砂粒粒徑為20～40目、密度約為2 650 kg/m3，數值較為固定，不對此進行討論。連續油管管徑主要影響管內流速，相同流量下，管徑小則流速高，相應的沖蝕速率就會增加。

3結論

1)在連續油管內壁面外側靠近入口的區域沖蝕最為明顯，因此應對此區段管壁進行強化處理。

2)沖蝕速率受到液體流量，砂粒體積分數、滾筒半徑以及管徑的影響，增大流量，沙粒會增加管壁的磨損，增大滾筒半徑可以減小沖蝕磨損?？筛鶕┕ば枰x擇合適的連續油管滾筒及管徑，選擇合理的施工參數也可有效地減小對連續油管的沖蝕損害。

參考文獻：

[1]王鳳山，張書進，王文軍，等.大慶油田低滲透水平井壓裂改造技術新發展[J].大慶石油地質與開發，2009，28(5)：234-238.

[2]吳濤.水平井多段壓裂技術在大慶油田的發展與應用[J].化學工程與裝備，2004(7)：169-171.

[3]董剛，張九淵.固體粒子沖蝕磨損研究進展[J].材料科學與工程學報，2003，21(2)：307-312.

[4]Bitter J G.A study of erosion Phenomena[J].Wear，1963，6(3)：5-21.

[5]丁一剛，王慧龍，郭興蓬，等.金屬在液固兩相流中的沖刷腐蝕[J].材料保護，2001，34(11)：16-18.

[6]Habib M A，Badr H M，Ben-Mansour R，et al.Numerical calculations of erosion in anabrupt pipe contraction of ratios[J].International Journal for Numerical Methods in Fluids，2004，46 (1)：19-35.

[7]Chen X H，McLaury B S，Shirazi S A.Application and experimental validation of a computational fluid dynamics(CFD)—based erosion prediction model in elbows and plugged tees[J].Computers&Fluids，2004，33(10)：1251-1272.

Numerical Simulation Research of Coiled Tubing Hydraulic Jet Erosion

XU Guowen

(OilProductionEngineeringResearchInstitute，DaqingOilfieldLimitedCompany，Daqing163453，China)

Abstract：Coiled tubing hydrajetting and annulus fracturing technology enables large-scale，high-efficiency reservoir stimulation，which has been widely used in China.However，in the process of hydrajetting perforation，coiled tubing will be severely eroded by the sand，especially in the drum with minimum radius where the erosion will be more serious.CFD software will be applied to simulate coiled tubing erosion when hydrajetting.For the heavy parts of erosion and sections of the corresponding numerical model，based on which researches will be conducted，the results of numerical simulation will be used to analyze solid phase particles aggregation and migration patterns，and rationally utilize erosion model to predict the key parameters between the wall erosion rate and flow rate，which will provide theoretical reference for prediction and prevention of erosion wear for engineering.

Keywords：coiled tubing；hydrajetting；numerical simulation；erosion rate

文章編號：1001-3482(2016)06-0012-04

收稿日期：2015-12-07

基金項目：中國石油天然氣股份公司油氣藏儲層改造技術持續攻關專項“大慶油田致密油層壓裂技術攻關及現場試驗”(2015CGCGZ002)

作者簡介：許國文(1984-)，男，工程師，現從事分層開采工藝及配套工具的研究及推廣工作，E-mail：xuguowen@petrochina.com.cn。

中圖分類號：T934.2

文獻標識碼：A

doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.06.003