全通徑滑套可溶球座沖蝕數(shù)值模擬優(yōu)化與試驗(yàn)研究

李夯

摘要：針對(duì)常規(guī)投球滑套壓裂級(jí)數(shù)受限、球座鉆除難度大、無法實(shí)現(xiàn)井筒全通徑等問題，開展了全通徑可溶球座式滑套的研究，通過Fluent軟件對(duì)全通徑滑套用壓裂球座進(jìn)行沖蝕模擬。采用空間填充設(shè)計(jì)法對(duì)球座 “凹面”結(jié)構(gòu)進(jìn)行參數(shù)試驗(yàn)，并對(duì)其進(jìn)行響應(yīng)面預(yù)測通過篩選法尋求參數(shù)最優(yōu)值。優(yōu)選石墨烯、硬質(zhì)合金兩種表現(xiàn)耐沖蝕涂層，通過沖蝕現(xiàn)場試驗(yàn)對(duì)比了兩種材料的耐沖蝕效果。結(jié)果表明：經(jīng)過響應(yīng)面參數(shù)優(yōu)化后的 “凹面”結(jié)構(gòu)球座平均量損失相比原模型明顯降低，經(jīng)過沖蝕測試發(fā)現(xiàn)表面硬質(zhì)合金球座耐沖蝕性能優(yōu)于石墨烯球座。研究成果對(duì)球座耐沖蝕磨損性能優(yōu)化改進(jìn)有指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：全通徑滑套；可溶球座；結(jié)構(gòu)優(yōu)化

中圖分類號(hào)：TE934.2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2024.01.005

Numerical Simulation Optimization and Experimental Study on Erosion of Full

Bore Sliding Sleeve Soluble Ball Seat

LI Hang

（Sinopec Research Institute of Petroleum Engineering，Beijing 100101，China）

Abstract：In response to the problems of limited fracturing stages， difficulty in drilling ball sockets， and inability to achieve full wellbore diameter in conventional ball throwing sliding sleeves， a study was conducted on the full diameter soluble ball socket type sliding sleeve. Erosion simulation was conducted using fluent software on the fracturing ball socket used for full-bore sliding sleeves. The space-filling design method was used to conduct parameter tests on the “concave”structure of the ball socket， and the response surface prediction was performed to seek the optimal parameter value through the screening method. Graphene and cemented carbide were preferred to be erosion-resistant coatings， and the erosion resistance effects of the two materials were compared through erosion field tests. The results show that the average loss of the concave structure ball seat after optimization of response surface parameters is significantly lower than that of the original model， and the erosion test shows that the erosion resistance of the surface carbide ball seat is better than that of the graphene ball seat. The research results have a guiding significance for optimizing and improving the erosion and wear resistance of ball seats.

Key words：full-bore sliding sleeve; soluble ball seat; structural optimization

水平井分段壓裂技術(shù)是提高油氣產(chǎn)量的重要措施，近年來被廣泛應(yīng)用于各大非常規(guī)油氣田^［1-4］。其中，壓裂滑套作為一種關(guān)鍵分段壓裂工具是實(shí)現(xiàn)壓裂的核心，通過投球打開滑套建立壓裂流道對(duì)滑套所在儲(chǔ)層實(shí)施壓裂，而壓裂成功的關(guān)鍵在于球座與所投憋壓球間的密封性能^［5］。作為整個(gè)工具的關(guān)鍵零部件，對(duì)球座工作可靠性的保證則是整個(gè)壓裂施工過程需要考慮的重要問題。隨著可溶復(fù)合金屬材料的出現(xiàn)，可在壓裂后自動(dòng)在井下流體中溶解的可溶球座被用于投球滑套中。但由于可溶球座的鋁合金基體材料耐沖蝕性能較差，在壓裂作業(yè)的惡劣工況條件下，球座會(huì)被高溫高壓攜砂流體不斷高速?zèng)_擊，造成球座壁面的嚴(yán)重磨損，使得憋壓球與球座接觸時(shí)不能有效封堵流體，導(dǎo)致滑套不能正常打開，無法對(duì)儲(chǔ)層進(jìn)行壓裂，進(jìn)而嚴(yán)重影響油氣生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)利益。因此，需要對(duì)可溶球座的沖蝕特性進(jìn)行研究，最大效益地提升可溶球座的抗沖蝕磨損性能。

在球座抗沖蝕磨損的結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究方面，通常有兩種思路，一是研究錐面排布角度對(duì)沖蝕磨損的影響研究，二是研究不同錐面結(jié)構(gòu)以提高球座抗沖蝕磨損性能。針對(duì)后者，文獻(xiàn)［6］基于CFD仿真分析的手段對(duì)“雙錐”、“凹面”、“凸面”等形式做了研究對(duì)比，發(fā)現(xiàn)“雙錐”、“凹面”結(jié)構(gòu)能夠有效提高球座抗沖蝕性能。針對(duì)雙錐球座方面，文獻(xiàn)［7］做出了具體的參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，但針對(duì)“凹面”結(jié)構(gòu)球座的研究，相關(guān)文獻(xiàn)并沒有具體從結(jié)構(gòu)參數(shù)上對(duì)凹面結(jié)構(gòu)球座進(jìn)行參數(shù)改進(jìn)。

因此，本文的研究方法主要是基于CFD仿真手段，對(duì)凹面球座結(jié)構(gòu)進(jìn)行響應(yīng)面優(yōu)化設(shè)計(jì)。此外，通過試驗(yàn)評(píng)價(jià)三種表面材料可溶球座的耐沖蝕性能，優(yōu)選高強(qiáng)度表面材料，實(shí)現(xiàn)可溶球座球座壓裂施工過程中的耐沖蝕及壓后的有效降解。

1 可溶球座數(shù)理模型

1.1 湍流模型

在進(jìn)行水平井分段壓裂時(shí)，根據(jù)對(duì)其壓裂液流動(dòng)時(shí)雷諾數(shù)的計(jì)算，判別該壓裂液在球座中的流動(dòng)為湍流，因此，在數(shù)值模擬中采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型，該模型有湍流脈動(dòng)動(dòng)能k和擴(kuò)散率ε組成，適用范圍較廣、精度較高，適合完全湍流的流動(dòng)過程模擬^［8］。k-ε模型運(yùn)輸方程如下：

湍流動(dòng)能方程（k方程）：

耗散方程（ε方程）：

1.2 沖蝕模型

采用離散相模型對(duì)球座內(nèi)固相顆粒進(jìn)行追蹤，整體沖蝕速率公式為：

2 模型建立及邊界條件設(shè)置

根據(jù)現(xiàn)有水平井分段壓裂技術(shù)，建立凹面結(jié)構(gòu)投球滑套球座模型。設(shè)計(jì)球座錐段最大直徑為100 mm。為了使流體能夠穩(wěn)定地流入球座內(nèi)部通道，球座向左端流體區(qū)域延伸50 mm。采用ANSYS mesh模塊對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。流體域網(wǎng)格采用多域掃掠型劃分六面體網(wǎng)格模型網(wǎng)格，如圖1所示。

球座仿真模擬時(shí)定義邊界條件參數(shù)為：攜砂液排量5 m³/min，固相顆粒粒徑0.5 mm，質(zhì)量流量14.2 kg/s，入口邊界設(shè)置為速度入口，v=Q/A=10.6 m/s；出口邊界設(shè)置為壓力出口，壓力大小為46 MPa；水力直徑D=4A/L=0.1 m。

3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

首先，通過Solidworks對(duì)凹面結(jié)構(gòu)球座進(jìn)行參數(shù)化建模，然后導(dǎo)入Fluent軟件中進(jìn)行沖蝕數(shù)值模擬。待初始模型樣本點(diǎn)計(jì)算完成后，啟用ANSYS 響應(yīng)面優(yōu)化模塊，確定優(yōu)化參數(shù)，選擇OSF試驗(yàn)設(shè)計(jì)，采用最大-最小距離設(shè)計(jì)類型。采用標(biāo)準(zhǔn)響應(yīng)面模擬出變量與目標(biāo)值的響應(yīng)面，最后選擇篩選法（Screening）尋找響應(yīng)面極值，找出最佳優(yōu)化參數(shù)。

3.1 優(yōu)化模型

凹面結(jié)構(gòu)球座模型優(yōu)化中，取凹弧段半徑R與弧段水平長度L為待優(yōu)化參數(shù)。初始尺寸模型與參數(shù)值如圖2與表1所示。

3.2 擬合度評(píng)價(jià)與響應(yīng)面優(yōu)化

圖3是對(duì)響應(yīng)面預(yù)測模型進(jìn)行的線性回歸檢驗(yàn)，當(dāng)離散點(diǎn)越靠近直線說明擬合性較好；表2是擬合度評(píng)價(jià)表，其擬合度指標(biāo)分別用決定系數(shù)R²與均方根差δ_RMSE來評(píng)價(jià)^［13］。由圖表可知，“凹面”結(jié)構(gòu)球座決定系數(shù)為0.999 75，均方根差為2.391 4×10^-11，接近其最佳值（1、0）。由此可見，該響應(yīng)面模型計(jì)算結(jié)果可信。

由圖4可知，對(duì)于“凹面”結(jié)構(gòu)球座，參數(shù)組合情況下對(duì)球座沖蝕磨損率的影響是非線性的，其響應(yīng)面上存在沖蝕率最低值的極值點(diǎn)。在兩因素耦合作用下，隨著 R段尺寸減小和L段尺寸的增大時(shí)，球座的沖蝕率則呈現(xiàn)上升趨勢。

表3是凹面結(jié)構(gòu)下由篩選法得到的優(yōu)化后的最佳參數(shù)尺寸。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，參數(shù)優(yōu)化后的凹面球座模型的沖蝕率相比原模型沖蝕率有明顯的下降，說明了通過響應(yīng)面方法對(duì)球座抗沖蝕磨損性能的提升是可行的。

4 球座沖蝕試驗(yàn)及結(jié)果分析

4.1 沖蝕試驗(yàn)材料選擇及過程

測試無表面涂層的可溶鎂鋁合金材料和石墨烯可溶合金材料，以及有表面硬質(zhì)合金涂層的可溶鎂鋁合金球座的沖蝕性能。其中石墨烯可溶合金球座是以可溶鎂鋁合金為基體材料，引入石墨烯技術(shù)，即在鎂鋁合金材料中按照一定比例加入石墨烯納米片，提高材料的整體強(qiáng)度，該材料的的屈服強(qiáng)度可達(dá)469 MPa，比常規(guī)可溶合金材料強(qiáng)度提升50%以上。表面硬質(zhì)合金涂層球座是在常規(guī)可溶鎂鋁合金表面噴涂硬質(zhì)合金，硬質(zhì)合金涂層的厚度在5～8 μm之間^［14］。

采用圖5試驗(yàn)流程進(jìn)行沖蝕試驗(yàn)，其具體的操作流程和參數(shù)為：在攪拌池內(nèi)進(jìn)行配置含砂比為30%的攜砂液，待攪拌均勻后，開啟節(jié)流閥，打開離心泵，通過節(jié)流閥調(diào)節(jié)流體流量為240 m³/h，使攜砂液在指定工況下循環(huán)流動(dòng)。^［15］

4.2 沖蝕試驗(yàn)結(jié)果分析

圖6～7分別為球座沖蝕質(zhì)量損失和宏觀形貌，由圖6可知，在前32 h時(shí)間段內(nèi)，各個(gè)球座在每個(gè)時(shí)間段內(nèi)的質(zhì)量損失并非是均勻變化的，而是存在一個(gè)波動(dòng)范圍，從石墨烯2號(hào)的沖蝕時(shí)間延長來看，球座質(zhì)量損失逐漸趨于穩(wěn)定。由圖7可知，在經(jīng)過長時(shí)間沖蝕后，硬質(zhì)合金球座和表面未處理球座壁面光滑，而石墨烯球座較為完整，保護(hù)了錐面末端的投球密封面，因此比其余兩種球座沖蝕性能更好。

5 結(jié)論

通過在試驗(yàn)工況240 m³/h，含砂比30%條件下對(duì)三種表面材料球座進(jìn)行沖蝕試驗(yàn)；并在仿真工況排量5（m³/min），固相顆粒粒徑0.5 mm，質(zhì)量流量14.2 kg/s條件下對(duì)凹面球座沖蝕結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析優(yōu)化，結(jié)果如下：

1） 沖蝕試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)石墨烯球座耐沖蝕性能優(yōu)于硬質(zhì)合金球座。

2） 響應(yīng)面參數(shù)優(yōu)化后的 “凹面”結(jié)構(gòu)球座平均量損失與初始模型相比明顯下降，響應(yīng)面分析手段對(duì)球座抗沖蝕磨損性能的提升具有較好效果。

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