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通径式喷砂器伞键流场仿真与防冲蚀设计
刘巨保1, 兰乘宇1,2, 丁宇奇1, 迟云萍2, 刘玉喜2, 姚利明1     
1. 东北石油大学机械科学与工程学院;
2. 大庆油田井下作业分公司
摘要: 低渗透致密油藏在水力压裂施工中需要大排量和长时间的作业,往往导致压裂管柱冲刷磨损严重而使其强度降低。伞键作为冲刷磨损最为严重的部位,其抗冲蚀性能决定了整套管柱的抗冲蚀能力。为此,以通径式喷砂器伞槽滑套为研究对象,采用有限元软件建立了流场仿真模型,研究了混砂液在伞槽内部的流场分布规律,找到伞键发生冲蚀的原因,并对其进行改进设计。在其内部增加挡板结构,使其内部流场发生改变,进而降低了伞键的冲蚀。优化设计后,伞键冲蚀率密度降低为原结构的1%,冲蚀质量降低了90.31%,使伞键在压裂施工全程具备导向功能,键尖得到有效保护。研究结果可为压裂管柱及工具的设计提供理论依据。
关键词: 喷砂器     伞键     流场     冲蚀     有限元     改进设计    
Flow Field Simulation and Anti-erosion Design of Umbrella Key in Sand Blasting Device
Liu Jubao1, Lan Chengyu1,2, Ding Yuqi1, Chi Yunping2, Liu Yuxi2, Yao Liming1     
1. Machinery Science and Engineering College, Northeast Petroleum University;
2. Downhole Operation Company, Daqing Oilfield Company, CNPC
Abstract: Large-displacement and long-duration hydraulic fracturing operation usually applied in the low permeability tight reservoirs often leads to serious fracturing string erosion and strength decrease. As the most serious erosion component, the performance of the umbrella key determines the erosion resistance of the entire fracturing string. In view of this, taking the umbrella key sliding sleeve of full bore sandblasting device as study object, the finite element model of umbrella key numerical simulation has been established by considering the internal structure of the umbrella key. Through the analysis of the flow field, the distribution of the internal fluid and the solid particles has been attained. The reason of umbrella key erosion is found to be caused by the direct impact of the solid particles on the surface of the umbrella key due to its internal geometry. Through structure modification of the umbrella key by adding the internal baffle structure to change the internal flow field, the erosion of the umbrella key has been reduced. After optimization design, the umbrella key erosion rate density has been reduced to 1% of the original structure, and the mass erosion has been reduced by 90.31%, which greatly improves the erosion resistance of the umbrella key and ensures long operation time.
Key words: sand blasting device     umbrella key     flow field     erosion     finite element     optimum design    

0 引言

近年来,我国低渗透油田探明储量不断增加,新探明的低渗透及特低渗透致密油藏储量占总储量的70%左右[1]。目前,水力压裂技术是改善低渗透油藏的主要开发手段,也是提高低渗透油田采收率的有效措施之一[2]。深层油井的地质条件决定了压裂施工应具有大排量、高泵压、长时间及大规模的特点,也决定了压裂工艺管柱需要具有不同于常规压裂管柱的技术指标。在大排量携砂液冲刷的情况下,压裂管柱由于冲刷磨损作用强度降低[3-4],导致管柱及工具失效或起出过程中出现拔脱等事故,大的施工排量和加砂量给工具的耐磨性和安全性提出了新的挑战[5-6]。压裂管柱及压裂工具的冲蚀损坏导致压裂施工可靠度下降,阻碍了水力压裂技术的发展。在通径式压裂过程中,由于涉及到多级分层压裂技术,伞槽滑套成为压裂能否成功的重要部件,而其由于大排量大携砂量,往往发生冲蚀失效[7-8],而采用有限元数值仿真技术对压裂工具内部流场进行仿真计算成为预防这类事故的有效手段[9-11]。笔者以通径式喷砂器伞槽滑套为研究对象,采用有限元软件建立了流场仿真模型,研究了混砂液在伞槽内部的流场分布规律,找到伞键发生冲蚀的原因,并对其进行改进设计,研究结果可为压裂管柱及工具的设计提供理论依据。

1 伞槽滑套流场仿真模拟

为了探求伞槽式滑套在工作状态下内部流体与固体颗粒的分布状态,从液体与固体颗粒运动状态上解释其发生磨蚀的原因,笔者采用有限元计算方法,对伞槽滑套结构内部流场进行仿真计算分析。通径式喷砂器结构简图如图 1所示,主要由喷砂器内、外套和伞槽式滑套组成。伞槽式滑套在压裂过程中最易产生冲蚀磨损,是整个通径式喷砂器中的关键部件。

图 1 通径式喷砂器结构简图 Fig.1 Structural schematic of the full bore sandblasting device 1—喷砂器内套;2—伞槽式滑套;3—喷砂器外套。

1.1 伞槽式滑套流场仿真模型的建立

伞键流场模型是建立伞键所在区域的流体过流空间,根据伞槽滑套几何结构建立其内部流体域结构及边界,如图 2所示。该模型主要包括入口、出口、对称面和壁面4部分。由于流体域结合结构为轴对称结构,为了减少计算量,取原结构的1/3进行建模计算,对其流体域划分网格,在壁面、变截面及键结构附近进行网格加密处理,其内部流体域有限元模型如图 3所示。

图 2 伞槽式滑套内部流体域及边界 Fig.2 Internal fluid field and boundary condition of the umbrella slot sliding sleeve

图 3 伞槽式滑套内部流体域网格模型 Fig.3 Mesh model of internal fluid field of the umbrella slot sliding sleeve

1.2 工艺参数与计算结果 1.2.1 工艺参数

通过对现场伞键冲蚀程度进行调研,在压裂过程中,当压裂液在低黏度条件下,固体颗粒更易对伞键壁面形成冲击,因此在流场模拟过程中主要以滑溜水为冲蚀液体(该介质混砂体积分数为3%),对不同压裂液排量下伞槽内部的流场进行模拟分析。计算排量选择最低压裂排量3 m3/min和最高压裂液排量10 m3/min。

1.2.2 计算结果分析

经计算,不同排量下伞槽内部流场流速分布云图见图 4。内部固体颗粒流速分布见图 5

图 4 伞槽内流场流速分布云图 Fig.4 Fluid flow velocity distribution in the umbrella slot

图 5 伞槽内固体颗粒流速分布云图 Fig.5 Solid particles flow velocity distribution in the umbrella slot

图 4图 5可以看出,不同排量下伞槽内部流场流速与固体颗粒流速分布相似,随着排量的增大,流速均在增大。由图 4可知,由于伞键位置处平均直径小于通径,此处液体流速大于其他位置流速。伞键导向面与流场轴向成一定角度,沿伞键导向面流场变化较明显。伞键根部存在扩径结构,形成涡流,随着排量的增大,涡流强度增大。分析图 5可知,伞槽内部固体颗粒流速分布与液体流速分布相同。大量固体颗粒撞击伞键导向面,使固体颗粒部分动能传递给伞键导向面,导致固体颗粒运动方向发生改变。键尖根部涡流区对固体颗粒运动影响不大,产生的涡流不足以对键尖根部产生严重冲蚀。

综上所述,由于伞槽内液体携带固体颗粒直接冲击伞键导向面,可能导致伞键位置发生较为严重的冲蚀,伞键位置平均直径小,导致此处液体颗粒和流速增大,进一步加剧此位置的冲蚀现象。

2 伞键冲蚀计算

从第1章的分析可知,由于伞槽结构设计,导致伞键位置易发生冲蚀现象,本章以伞键为研究对象对其冲蚀情况进行计算,计算载荷选择第1章中流场的计算结果。不同排量下伞键冲蚀率密度分布如图 6所示。

图 6 不同排量下伞键冲蚀率密度分布云图 Fig.6 Erosion rate density distribution of umbrella keys at different displacements

图 6可知,伞键侧面与滑溜水速方向具有一定角度,受到直接冲击,磨蚀率密度明显高于其他位置。固体颗粒撞击伞键侧面后,部分固体颗粒弹射方向为伞键侧面与伞键基体交界位置。因此,在交界位置冲蚀率密度高于其他位置。随着液体排量增大,滑溜水对伞键结构的冲蚀率密度增大。为了进一步说明伞键侧面的冲蚀情况,建立伞键冲蚀率密度提取面示意图,如图 7所示。

图 7 伞键冲蚀率密度提取面示意图 Fig.7 Erosion rate density area of umbrella keys

图 7中黄面为伞键侧面,沿伞键侧面建立图中黑线所示的冲蚀提取路径,沿冲蚀提取路径由键尖到键尾方向每隔10 mm提取1个冲蚀率密度数据。伞键冲蚀率密度如表 1所示。伞键侧面冲蚀率密度随长度变化曲线如图 8所示。

表 1 伞键冲蚀率密度计算结果 Table 1 Calculation results of erosion rate density of umbrella keys
伞键冲蚀面长/mm 冲蚀率密度/(700 kg·m-2·s-1)
排量3 m3/min 排量10 m3/min
0 2.9×10-4 8.3×10-2
10 2.3×10-4 9.5×10-2
20 3.5×10-4 1.2×10-1
30 5.2×10-4 7.8×10-2
40 4.3×10-4 8.6×10-2
50 4.9×10-4 1.1×10-1
60 2.8×10-4 8.8×10-2
73 2.6×10-4 9.1×10-2
80 9.2×10-6 9.6×10-4
90 8.5×10-6 1.2×10-3
100 9.3×10-6 1.4×10-3
110 1.1×10-5 8.5×10-4
120 1.0×10-5 9.5×10-4
130 9.7×10-6 9.2×10-4
143 7.5×10-6 8.7×10-4

图 8 伞键侧面冲蚀率密度随长度变化曲线 Fig.8 Change of erosion rate density of umbrella key side along the length

表 1图 8可知,在整个冲蚀提取路径上,伞键冲蚀主要集中在伞键长0~73 mm段上,主要原因是该段伞键侧面与滑溜水流速方向角度较大。在伞键长73~143 mm段上冲蚀率密度要比伞键长0~73 mm段上的冲蚀率密度小约2个数量级。在其他条件一定时,滑溜水排量由3 m3/min增大到10 m3/min时,伞键冲蚀率密度增大2~3个数量级。

3 伞键防冲蚀优化设计与分析 3.1 防冲蚀结构设计思想

若要改变伞键冲蚀状态,可从以下几方面进行改进:

(1) 改变材料性能和材料表面。使用抗冲蚀材料,提高结构抗冲蚀和磨损性能。

(2) 改变结构内部流场。改变滑套结构使其内部流体流动特性发生改变,采导向键在压裂过程中被冲蚀的程度减缓。

(3) 结构和材料同时改变。改变结构,提高伞键的抗冲蚀磨损性能,同时采用耐冲蚀材料。

(4) 增加阻流结构。阻流结构阻挡携砂液对伞键的冲蚀,在压裂过程中保护伞槽式滑套中的伞键结构。

在选择提高伞键结构的抗冲蚀磨损性能的方法时,可以通过热处理、热喷涂及使用硬质合金加工3种方式。由于伞槽式滑套径向尺寸较小,不能将热喷涂的喷枪放入管中做喷涂处理,在做热处理时效果也不太理想。若将整个伞槽式滑套选用硬质合金材料进行加工,加工难度大,造价较高。因此,需要对结构进行改进来提高伞键的抗冲蚀性能。由前文的分析可知,需要改变键尖附近的流场,通过对流场的改变来改变砂粒的运动轨迹,进而减少砂粒对键尖部的冲击磨损,达到减少冲蚀的目的。

3.2 防冲蚀结构设计

为了改变伞槽内部流体与携带固体颗粒对伞键的直接冲击,考虑在伞槽内部增加滑套挡板设计,如图 9所示。

图 9 改进后伞槽滑套结构图 Fig.9 Improved structure of umbrella slot sliding sleeve

改进后伞槽滑套的结构特点:① 保留了原有伞槽式滑套的结构特点,增加了可径向变径的挡块结构,有效防止了携砂液对伞键的冲蚀。② 分离体式设计,使得滑套基体和挡板结构能进行相应的材料处理,提高抗冲蚀性能。

当伞槽式滑套内有高速携砂液通过时,携砂液的冲击力不足以使挡板径向产生位移,挡板上的台阶始终保护键结构,避免携砂液直接冲刷键尖,从而使键结构得到很好的保护。

3.3 伞键改进前、后抗冲蚀性能对比

采用与第2章相同的计算载荷和边界条件,对改进设计后伞键冲蚀情况进行计算。以最大压裂排量10 m3/min进行计算,改进后伞键冲蚀率密度分布如图 10所示。改进设计前、后伞键侧面冲蚀率密度随长度变化对比曲线如图 11所示。

图 10 改进后伞键冲蚀率密度分布云图 Fig.10 Erosion rate density distribution of improved umbrella keys

图 11 改进前、后冲蚀率密度随长度变化曲线 Fig.11 Change of erosion rate density of umbrella keys along length before and after structure improvement

图 10可以看出,键侧面位置处,改进结构比原结构冲蚀要小,并且改进结构的挡板位置冲蚀相对键侧面大很多。由此能够得出,改进结构键侧面冲蚀减小主要是挡板结构发挥了作用。从图 11可知,原结构在键长0~73 mm段冲蚀最严重,在73~143 mm段冲蚀明显减轻。改进结构2段内的冲蚀变化情况与原结构大体相同。但改进结构由于挡板的作用,与原结构相比,在0~73 mm段和73~143 mm段内冲蚀率密度明显降低,尤其在距离挡板50 mm内,冲蚀率明显更小,并且距离挡板越近密度冲蚀减小率越大,这点从0~50 mm段内冲蚀率密度有一个上升过渡能够得到验证。从冲蚀数据可以看出,改进结构与原结构相比,冲蚀率密度整体平均降低了2个数量级,降低到原结构冲蚀率密度的1%左右。由此可以得出,改进结构能够非常明显地改善伞槽式滑套内部键的冲蚀。

4 冲蚀试验效果对比

为了对伞键优化设计前、后冲蚀变化情况进行验证,对2种结构在井下压裂施工作业中进行了实际应用。图 12为改进前、后伞键井下冲蚀效果图。改进设计前、后伞键冲蚀后的质量变化对比如表 2所示。

图 12 改进前、后伞键井下冲蚀效果图 Fig.12 Erosion performance of umbrella key before and after structure improvement

表 2 改进前、后伞键冲蚀质量变化 Table 2 Change of mass erosion rate of umbrella keys before and after structure improvement
状态 伞键质量/g 质量损失率/% 冲蚀降低率/%
冲蚀前 冲蚀后
改进前 122.78 99.95 18.59 90.31
改进后 122.78 120.57 1.80

图 12可知,原结构键冲蚀严重,伞键在没有任何保护的条件下冲蚀磨损严重,由上至下壁厚成逐渐减薄的趋势,说明伞键处形成的涡流使近伞键处磨损严重,已不具备导向功能。改进结构键尖部无明显冲蚀,伞键磨蚀磨损量明显小于原结构,伞键结构完好无磨损,还能继续实现键导向功能。从表 2可以看出,原结构伞键质量由冲蚀前的122.78 g减小到99.95 g,损失率为18.59%,而改进设计后损失率仅为1.80%,伞键整体冲蚀质量降低了90.31%,这说明改进设计具有很好的防冲蚀作用。

5 结论

(1) 以通径式喷砂器伞槽滑套为研究对象,通过对伞槽内部流场进行分析,得到了伞槽内液体流动与固体颗粒的流动状态。由于伞槽内结构限制,导致液体携带固体颗粒直接冲击伞键表面,可能会造成伞键冲蚀现象的发生;且伞键位置处流速最大,导致此位置较其他位置冲蚀严重。

(2) 由于伞键侧面与滑溜水流速方向具有一定角度,受到直接冲击,冲蚀率密度明显高于其他位置。固体颗粒撞击伞键侧面后,部分固体颗粒弹射方向为伞键侧面与伞键基体交界位置,因此在交界位置冲蚀率密度高于其他位置。伞键冲蚀主要集中在伞键长0~73 mm段上,主要原因是该段伞键侧面与滑溜水流速方向角度较大。在伞键长73~143 mm段上冲蚀率密度约为伞键长0~73 mm段上冲蚀率密度的1%。

(3) 通过阻流结构设计,在伞键上方设置可径向运动的挡板结构,保留原有伞键的结构功能,同时有效阻挡携砂液对伞键的直接冲蚀。存在挡板结构的伞键与原伞键相比,冲蚀率密度下降了2个数量级,降低到原结构冲蚀率密度的1%左右,有效降低了伞键的冲蚀,伞键冲蚀严重部位后移50 mm左右,使伞键在压裂施工全程具备导向功能,键尖基本得到保护。

(4) 现场测试试验结果表明:原结构键冲蚀严重,改进结构键尖部无明显冲蚀,伞键冲蚀磨损量明显小于原结构,伞键结构完好无磨损,伞键整体冲蚀质量降低了90.31%,这说明改进设计具有很好的防冲蚀作用。

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文章信息

刘巨保, 兰乘宇, 丁宇奇, 迟云萍, 刘玉喜, 姚利明
Liu Jubao, Lan Chengyu, Ding Yuqi, Chi Yunping, Liu Yuxi, Yao Liming
通径式喷砂器伞键流场仿真与防冲蚀设计
Flow Field Simulation and Anti-erosion Design of Umbrella Key in Sand Blasting Device
石油机械, 2017, 45(6): 72-77
China Petroleum Machinery, 2017, 45(6): 72-77.
http://dx.doi.org/10.16082/j.cnki.issn.1001-4578.2017.06.015

文章历史

收稿日期: 2016-12-07

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