水力噴射連續油管彎曲對環空沖蝕規律研究

朱崇佳

（大慶油田有限責任公司鉆探工程公司鉆井三公司，黑龍江大慶163000）

連續油管在水力噴射壓裂工作過程中會受到砂粒的嚴重沖蝕，尤其當連續油管在井筒內發生彎曲后，磨蝕更加嚴重。針對連續油管作業過程中發生彎曲較嚴重的部位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，合理利用沖蝕模型預測連續油管彎曲與磨蝕的關系，為工程中沖蝕磨損的預測及防治提供理論參考。

1 連續油管螺旋彎曲對沖蝕磨損規律的研究

連續油管在井筒內發生螺旋屈曲后，在壓裂加砂過程中，會改變井筒內的流動規律。對螺旋屈曲后的連續油管與套管環空流場進行建模，并進行沖蝕磨損計算。

1.1 仿真模型建立

利用三維建模軟件Solidworks建立螺旋彎曲的連續油管的幾何模型。定義螺距等參數（初步設定為5m）。將建立的三維幾何模型導入到網格劃分軟件Gambit中進行網格劃分，由于油管與套管壁相切處的幾何域存在尖角（橫截面方向），會對網格劃分造成困難，因此對油管與套管壁緊貼的位置進行倒圓角處理，采用掃掠法生成六面體網格。通過布爾運算抽取流場計算域，為降低計算量，取了0.5螺距長度的連續油管進行計算，連續油管外徑為2.375″即60.325mm，壁厚取為4.445mm。作業砂相體積分數流量選為0.1、0.2、0.3、0.4。壓裂流量選為7~10m3/min，砂粒密度為2600kg/m3。

1.2 沖蝕磨損規律研究

1.2.1 流場分析

壓裂作業中流量很大，沿軸向方向的速度量級也較大（入口流速18.09m/s），由于連續油管的存在，速度在橫截面方向存在明顯的速度梯度——在油管與套管壁緊貼的位置，出現較大的速度梯度，速度下降也比較明顯。因此，在橫截面方向（與軸向垂直的方向），存在著量級遠小于軸向速度量級的“二次流”。如圖1（a）所示，為橫截面上速度矢量圖，油管的沿軸向的螺旋變化使得流體繞油管出現了旋轉運動的趨勢，該趨勢造成的直接結果就是：砂相在旋轉流動的帶動下，由油管與套管壁接觸的一端流向另一端，并最終堆積在油管與套管接觸的一側，如圖1（b）所示，砂相體積分數分布云圖顯示，砂相在緊貼套管壁的右側的濃度要高于左下側。砂相在油管緊貼套管壁的兩側分別出現了高/低兩種體積分數分布，最高體積分數（約為0.2）為平均體積分數（0.1）的兩倍。

圖1 （a）速度矢量圖和（b）砂相體積分數分布云圖

1.2.2 沖蝕規律研究

對套管內壁和油管外壁進行沖蝕研究，結果發現套管內壁和油管外壁上沖蝕速率分布大致相同，呈點狀沖蝕，分布較為分散，沒有沖蝕集中的區域[3-4]。環空中發現顆粒運動軌跡也呈螺旋狀，顆粒彼此間的干擾較小。

砂相最大濃度與入口砂相的含量（體積分數）大致成正比關系，當含砂量為30%時，環空中出現的最大砂濃度超過了50%。如圖2所示。流量對沖蝕速率的影響關系曲線，可以看出流量與最大沖蝕速率呈正比關系，流量的增加會導致沖蝕的增加，因為，流量增大顆粒的運動速度也會增大，必然會導致沖蝕速率增加，如圖3所示。

圖2 砂體積分數對最大砂相濃度的影響

圖3 流量對沖蝕速率的影響

2 連續油管正弦彎曲對沖蝕磨損規律的研究

2.1 仿真模型建立

對正弦彎曲的連續油管與套管環空流場進行建模，建立方法與螺旋彎曲的建立方式相似，但在正弦彎曲時連續油管由沿井眼中心到彎曲后緊貼套管壁，在緊貼套管壁的位置出現尖角區域，加大了網格劃分難度。在入口段和出口段區域中，模型截面的拓撲形狀沿軸向保持一致，因此適用于掃掠法生成六面體網格；在油管與套管緊貼位置處，盡管截面幾何形狀較為復雜，但仍然可以使用掃掠法生成六面體網格；但是在兩個區域過渡的區域采用了非結構網格來離散此幾何區域。

2.2 沖蝕磨損規律研究

2.2.1 流場分析

從環空入口向內，速度是增加的，油管正弦段貼近套管壁面處上側流體速度梯度較大[5-6]。圖4為不同截面上液相速度矢量圖，不同截面流體速度矢量分布差異很大。正弦起始段（Surface2和Surface3之間的區域），流體從上側繞環控流向下側，而正弦結束段（Sur?face4和Surface5之間的區域）則與之相反，流體從下側繞環控流向上側。

圖4 不同截面處流場的速度矢量圖

油管壁面沖蝕速率云圖可知，沖蝕區域集中在油管正弦波峰段的內側（Surface2和Surface3之間的區域），直線受到沖蝕較為微弱。通過分析截面液相速度矢量圖，Surface2和Surface3截面，流體從兩側繞油管流向底端，而且貼近油管壁面的流體速度方向垂直于油管壁面且速度較其他區域加大，因此造成該段區域受沖蝕速率集中且最大[7]。

2.2.2 沖蝕規律研究

正弦起始段，顆粒向下側移動，正弦結束段，下側顆粒又向上側發散。流量增大會導致沖蝕速率的增加。流量和沖蝕速率呈非線性關系，流量越大，沖蝕速率增幅越大，如圖5所示。

圖5 流量對沖蝕速率的影響

3 結論

(1)對于環空內的沖蝕磨損，螺旋彎曲段套管外壁和油管內壁上沖蝕速率分布大致相同，呈點狀沖蝕，分布較為分散；正弦彎曲段沖蝕磨損主要集中在正弦彎曲起始段內側；

(2)沖蝕速率主要受到入口流量，混合液砂相體積分數的影響，入口流量及砂相體積分數增加時，油套管壁面磨蝕增加，入口流量和砂相體積分數成正比關系，應當在滿足射孔壓裂要求的條件下選擇合適施工參數，以減小油管和套管壁面的沖蝕磨損。