壓裂過程中井下節流器的流動模擬與應用

劉百川

【摘要】隨著國內許多油田先后進入開發中后期，油層含水量上升，層間矛盾加劇，堵水層與采油層之間的壓差越來越大，開發的油井也越來越深，地質環境越來越差。面對復雜的工況條件和惡劣的自然環境，對封隔器要求有更高更可靠的密封性能、能耐高溫高壓，結構簡單，使用靈活方便，使用壽命更長。本文針對壓裂液在油管、封隔器及其節流器中的流動，在充分分析流動因素、流變性、流動規律的基礎上，利用Fluent軟件對節流器附近流體的流動情況進行了二維數值模擬，為壓裂設計及施工提供理論基礎。

【關鍵詞】壓裂液；封隔器；節流器；CFD模擬

目前在壓裂酸化施工作業中，工作液注入管柱主要有封隔器管柱和光油管管柱兩大類。在沒有使用封隔器的光油管管柱情況下，通過套管壓力實時監測井底壓力的變化比較準確。出于保護套管或者卡層、分層壓裂的考慮，壓裂酸化作業時越來越多的使用封隔器管柱。壓裂液通過封隔器管柱，特別是節流器的壓力損失計算比較復雜，影響因素較多。目前現場主要通過經驗估計其大小，導致現場施工凈壓力誤差較大，影響對裂縫尺寸的評價，嚴重時甚至會導致施工失敗。

一、封隔器的基本用途

封隔器使用范圍廣泛，幾乎遍及勘探和開發的各個生產過程。之所以應用封隔器，除了可滿足生產中的各種工藝要求外，也有經濟上和操作上的考慮，因為借助封隔器進行井下作業，比之其他井下工具更為合算、方便。封隔器一旦在井下有效工作，就可以達到以下目的：

（1）隔絕井液和壓力，保護套管，從而改善套管工作條件；

（2）封隔產層或施工目的層，防止層間流體和壓力互相干擾，以適應各種分層技術措施的需要，或便于進行堵漏、封竄等修井作業；

（3）保存并充分利用地層能量（包括溶解氣能量），以提高油井生產效率，延長其工作時間；

（4）使井的控制僅限于地面油管，以確保安全和最大限度地控制地層；

（5）便于機械采油的方式（如為氣舉和水力油塞泵抽油提供必要的生產通道，或將套管分割為吸入和排出兩部分，以利無管泵進行抽油）；

（6）用在氣井中（尾管下至射孔段以下），可以緩和氣井液面過早上升；

（7）注水；

（8）壓裂酸化；

（9）洗井；

（10）卡堵水。

二、存在問題

由于封隔器采用液壓坐封、泄壓自動解封的原理，要坐封，啟動器內外必須產生一定的壓差。而壓差主要靠壓裂液流經噴嘴時產生的壓降來提供。此外，使用封隔器壓裂管柱壓裂時，井底靜壓力的實時監測不能直接通過監測套管環空壓力得到，必須通過計算壓裂液在封隔器管內摩阻來實現。如何正確計算、模擬非牛頓壓裂液或攜砂液流經噴嘴時的壓降，這是本文所要解決的主要問題。

三、壓裂過程中井下節流器的流動模擬

在我們所研究的壓裂過程中井下節流器的流動模擬，采用的就是現在國際上比較流行的CFD軟件——Fluent軟件進行分析。

（一）結構幾何模型

對于安裝在石油管道、節流管匯上的節流嘴而言，根據其結構形式，分為固定式和可調式兩種形式。在這里采用的是結構形式最簡單的固定式節流嘴進行分析的，如圖1所示（剖面圖）。

網格模型是在Gambit軟件中先繪制的二維結構模型，再運用它的劃分網格功能進行網格劃分。

（二）初始條件

如圖1所示的剖面圖，該固定式節流器是一個二維圓形直管段，它由三段組成，其D=62mm，d=30mm，比值d/D=0.484。沿著流動方向，L₁=400mm，L₂=40mm，L₃=200mm。網格劃分是結構性網格與非結構性網格組成。

邊界條件：左邊邊界為流體入口，給定壓力入口邊界條件；右邊邊界為流動出口，按壓力出口邊界處理。

（三）模擬結果

根據物理模型和相關參數進行模擬分析。使用Fluent流體分析軟件，對壓裂液通過節流嘴的流動狀態進行了數值模擬，并得到很好的收斂效果。得到了壓裂液流經噴嘴時的壓降、流速的二維變化情況。其結果如下：

（1）入口壓力為30MPa。對入口壓力為30MPa進行模擬，得到很好的收斂效果。壓力的變化情況見圖2，從圖2中可看出壓裂液通過節流嘴后壓力降低了1.8MPa。

（2）入口壓力為40MPa

對入口壓力為40MPa進行模擬，得到很好的收斂效果。壓力的變化情況見圖3，從圖3中可看出壓裂液流經節流嘴后壓力降低了1.7MPa。

（3）含砂5%壓裂液

對含砂5%的壓裂液，入口壓力為20MPa進行模擬，得到很好的收斂效果。壓力的變化情況見圖4，從圖4中可看出壓裂液流經節流嘴后壓力降低了2.2MPa。

（4）含砂10%壓裂液

對含砂10%的壓裂液，入口壓力為20MPa進行模擬，得到很好的收斂效果。壓力的變化情況見下圖5，從圖5中可看出壓裂液流經節流嘴后壓力降低了2.4MPa。

從上述結果可得出：在節流嘴出口處，含砂時的壓降比不含砂時的壓降大，而且含砂量越大，壓降越大。

四、結論

1、利用Fluent流體分析軟件對非牛頓型壓裂液、含砂壓裂液在節流器處的流動狀態進行二維數值模擬，從模擬的數據得出井深對經節流器后的壓降沒有影響，含砂壓裂液比不含砂壓裂液的壓降要大，且含砂量越大，其壓降越大。

2、模擬的計算結果對優化節流器尺寸、施工參數（如低替排量、啟封排量、油套平衡壓力）以及凈壓力監測有重要參考意義。