冲砂洗井泡沫携砂规律数值模拟研究*

利用计算流体动力学（CFD）软件对水平井冲砂洗井过程中泡沫流体携砂能力进行了数值模拟。结果表明在油管居中情况下泡沫流体在环空中心部位体积分量最大,砂粒颗粒体积分量最小。砂粒在泡沫携带下,中心区域的砂粒速度随着运移路程不断变化,砂粒平均速度比入口速度略有增加。随着砂粒直径增加,发生冲蚀区域增加,其对泡沫携砂能力将产生更大影响,但总体而言,砂粒对管壁的冲蚀速率非常小。泡沫流速为0.30 m/s时,直径在0.1～2.0 mm的砂粒基本上可以悬浮在泡沫流体中随泡沫一起运动,没有沉降现象;泡沫流速为0.90 m/s和1.50 m/s时,0.1～2.0 mm直径砂粒可以顺利通过水平井段环空流道,砂粒直径越大,泡沫携砂能力越低。     

产水气井井筒携砂机制及携砂能力评价试验与应用

对垂直井筒不同水气比和含砂体积分数下的气水砂三相流动机制及气水携砂能力进行系统的试验研究。通过试验得到单相气体携砂和气水携砂临界流速与砂粒径的定量关系和规律。根据试验数据揭示的气液携砂机制,建立不产水和产水气井的临界携砂流速模型,用于预测给定生产条件下的携砂条件和携砂能力,并提出考虑井筒携砂的新型气井综合协调曲线用于实际气井工况分析和制度调整。结果表明:一旦气井见水,气井携砂能力将比不产水条件下严重降低,气体流速和水气比是控制携砂动态的主要因素;随着水气比从零开始升高,流型依次为无携砂现象的泥状流、具有携砂能力的环雾流、段塞流,以及其他相同水气比条件下的气水两相流型;气液两相流要达到携砂条件,气体流速必须达到携液流速,并且液相流速要达到基本的单相液体携砂条件。     

水平井压裂单缝和多分支缝中携砂液流动规律数值模拟

压裂过程中携砂液的注入是为了防止地应力将已压裂出的裂缝重新闭合,裂缝中携砂液的流动是典型的固液两相流。关于垂直井裂缝中携砂液的流动已有众多学者对其进行了研究,然而关于水平井单裂缝和分支缝中携砂液流动的二维或三维数值模拟几乎未见研究。采用混合物湍流计算模型,对携砂液在二维水平井单裂缝和三维水平井分支缝中的流动进行了模拟计算。模拟结果得出:水平井单裂缝中的铺砂形态与垂直井单裂缝中明显不同,水平井单裂缝中的铺砂前缘会形成一个"砂包"向前推进,并且在入口处向缝内展布的铺砂浓度不会快速地下降。在保持其他参数不变的情况下,随着携砂液入口速度的增大,裂缝中的铺砂高度逐渐增大;携砂液入口颗粒浓度越大其他位置的铺砂浓度也越大;携砂液颗粒密度越大铺砂分布范围越小,而铺砂浓度大小基本相同。楔形裂缝中的携砂液相较于矩形裂缝更容易填充满整个裂缝;楔形裂缝中向前推进的"砂包"比矩形裂缝较低。分支缝主缝中砂堤区厚度大于单缝中的厚度,而分支缝主缝中悬浮区的厚度远小于单缝中的厚度。随着支缝与主缝夹角的增大,分支缝主缝中铺砂范围逐渐减小。当夹角为90°、120°时,沙粒在支缝与主缝的连接处产生堆积,导致主缝在第一个连接处后方区域的铺砂浓度明显减小。     

水平井泡沫携砾石充填数值模拟

在进行疏松砂岩水平井砾石充填完井过程中,以往均采用牛顿流体作为携砂液。泡沫流体作为非牛顿流体,比牛顿流体具有更好的携带性能,并且具有低滤失性。针对水平井砾石充填作业发生提前堵塞和携砂液进入地层问题,借鉴水平管流的固液两相流动机制,建立水平井泡沫携砾石充填两层数学模型,并且对泡沫在水平井中流动的摩阻系数进行讨论。对偏心率、砾石直径、砾石密度及泡沫干度对砾石充填效果的影响进行计算分析,并以充填效率、砂床高度及综合评价指标表征充填效果。结果表明:随偏心率增大,充填评价指标趋于增加,但增加的幅度较小;随砾石直径、砾石密度及泡沫干度的增加,充填指标趋于降低;泡沫作为携砂液进行砾石充填比牛顿流体具有更好的充填效果。     

垂直井筒携砂规律研究

借助砂粒在水和煤油中的静态沉降实验,优选出实际油井出砂自由沉降末速的预测公式。并计算得到了砂粒的不规则形状校正系数,通过流动携砂实验获得了砂粒在流动液体中的沉降规律。由于受管道内流速度场的影响。砂粒的实际沉降速度并非自由沉速与流体平均流速的矢量和,而是与平均流速和砂粒自由沉降末速一个线性的统计关系式。该研究最终确定出砂粒在井筒中表现为沉降、悬浮及上升运动的临界条件,此临界条件可作为有铲实施井筒防砂     

垂直裂缝内液体二氧化碳携砂规律研究

二氧化碳干法压裂以液态二氧化碳为压裂液,相较于传统的水力压裂,具有无水相、无残渣、低伤害、增加地层能量等优势,因此应用前景广阔。液体二氧化碳的密度和黏度很小,其携砂能力的大小成为决定压裂成败的关键因素。建立垂直裂缝模型,基于计算流体力学方法建立了液体二氧化碳流体和支撑剂的两相流动规律,并利用有限体积法进行数值模拟研究。结果表明：液体二氧化碳流体的携砂能力要弱于滑溜水。支撑剂在液体二氧化碳流体和滑溜水中的分布特征相似;通过降低支撑剂密度、减小支撑剂粒径和砂比或提高泵注排量可以提高液体二氧化碳流体对支撑剂的携带作用。研究结果可为液体二氧化碳压裂工艺参数设计提供依据。     

水平气井连续携液实验研究及模型评价

水平气井较直井更难于连续携液,为了研究水平气井连续携液问题,利用可视化水平井气水两相井筒管流模
拟实验装置（垂直段6 m,水平段10 m,倾斜段6 m）模拟水平井气液两相流动,对比观测直井段、倾斜井段、水平井段
的流动型态。实验表明：水平井三井段中,倾斜管段的携液能力最差,所需临界携液流速最大,可将其作为水平气井的
临界携液流速。倾斜管临界携液流量预测模型中,液滴模型和液膜模型是目前被普遍接受的两类模型。为研究倾斜
管连续携液,实验观测不同倾斜角（28°∼72°）条件下流型变化并测试临界携液流速。实验表明倾斜管段液体主要以液
膜形式被携带,从携液机理分析,液膜模型也更为合理;通过实验测得的213 组数据对液滴模型和液膜模型进行对比
分析,发现液膜模型的平均百分误差、平均绝对百分误差及相对性能系数均较小,从计算结果分析,液膜模型也更为
合理。     

垂直井筒携砂规律研究

借助砂粒在水和煤油中的静态沉降实验 ,优选出实际油井出砂自由沉降末速的预测公式 ,并计算得到了砂粒的不规则形状校正系数 ,通过流动携砂实验获得了砂粒在流动液体中的沉降规律。由于受管道内流体速度场的影响 ,砂粒的实际沉降速度并非自由沉降末速与流体平均流速的矢量和 ,而是与平均流速和砂粒自由沉降末速之间有一个线性的统计关系式。该研究最终确定出砂粒在井筒中表现为沉降、悬浮及上升运动的临界条件 ,此临界条件可作为有效实施井筒防砂工艺的理论依据。     

垂直裂缝内液体二氧化碳携砂性能的数值模拟

二氧化碳干法压裂以液态二氧化碳为压裂液,相较于传统的水力压裂,具有无水相、无残渣、低伤害、增加地层能量等优势,因此应用前景广阔。液体二氧化碳的密度和黏度很小,其携砂能力的大小成为决定压裂成败的关键因素。建立垂直裂缝模型,基于计算流体力学方法建立了液体二氧化碳流体和支撑剂的两相流动规律,并利用有限体积法进行数值模拟研究。结果表明:液体二氧化碳流体的携砂能力要弱于滑溜水。支撑剂在液体二氧化碳流体和滑溜水中的分布特征相似;通过降低支撑剂密度、减小支撑剂粒径和砂比或提高泵注排量可以提高液体二氧化碳流体对支撑剂的携带作用。研究结果可为液体二氧化碳压裂工艺参数设计提供依据。     

复杂裂缝中CO_2流体携砂规律的数值模拟

基于计算流体力学(CFD)方法,建立了适用于模拟CO_2流体和支撑剂两相流动规律的固液两相流数学模型,并利用有限体积法进行求解,分析了泵注速度、砂比、支撑剂密度和粒径以及裂缝复杂程度对支撑剂在复杂裂缝中运移规律的影响。结果表明:支撑剂流入分支缝的方式主要包括主裂缝在分支缝缝口处形成砂堤后依靠重力作用滚入二级缝中,或是依靠携砂液的流速携带至分支缝内;泵注速度、支撑剂目数与平衡高度呈负相关,且泵注速度与平衡时间呈负相关、支撑剂目数与平衡时间呈正相关;砂比、支撑剂密度与平衡高度呈正相关,与平衡时间呈负相关;裂缝的级数越多,达到平衡所需要的时间越长,复杂裂缝中支撑剂在各分支缝节点处出现转向运移,且主要沉降在离主裂缝较近的二级缝中;由于三级缝较窄,进入三级缝深部的支撑剂量较少,且各分支缝中的砂堤高度小于主裂缝中的砂堤高度。     

双螺旋管柱提高水平井井筒携砂能力机理研究

为解决目前水平井多级分簇喷砂射孔体积压裂井筒内携砂流体砂粒沉积、上下游喷射器砂浓度不均匀等问题,设计了双螺旋水力喷射压裂管柱,采用可视化实验方法进行了室内携砂流动评价实验。根据牛顿第二定律建立了水平井井筒双螺旋管柱和等直管内携砂流体中支撑剂砂粒运动的动力学方程,得出了双螺旋管柱和等直管内砂粒的运动速度计算模型,对比分析了施工参数及管柱结构对两种管柱内携砂流体中砂粒运动规律的影响。室内实验与应用结果表明:双螺旋管柱在水平井筒内可以显著改善携砂流体中砂粒的悬浮性,有效提高水平井筒内携砂流体的携砂能力;双螺旋管柱内携砂流体中砂粒的运动规律符合变加速度运动方程,等直管内携砂流体中砂粒的运动规律满足恒定加速度运动方程;两种管柱内砂粒的水平加速度随携砂流体密度呈二次多项式下降,随携砂流体流速呈线性增加,随螺旋极角呈线性增加,随管柱内径呈线性增加。研究结果为提高管柱内流体携砂能力、揭示携砂流体中砂粒运动规律、均衡多级分簇水力喷射压裂效果提供了理论依据。     

水平井稠油携砂变质量流动模拟装置设计

疏松砂岩稠油油藏适度出砂开采过程中,在水平段储层产出砂粒随稠油进入水平井筒后容易沉积形成砂床,造成油层砂埋、油管砂堵等危害。针对稠油携砂理论及实验研究较多,但研究内容与实际工况差别较大,针对稠油携砂变质量流动规律研究仍缺乏行之有效的研究手段。目前针对适度出砂开采完井参数设计理论及试验研究仅针对井筒内稠油携砂流动,稠油携砂变质量流动理论及试验研究较少。建立全尺寸的水平井稠油携砂变质量流动规律模拟装置,可用于实验研究水平井段至垂直井段的稠油携砂变质量流动规律,为今后针对稠油携砂变质量流动规律实验研究奠定了基础。     

气藏水平井连续携液理论与实验

在气藏水平井中随着生产管柱倾斜角度的变化,井筒内液体的重力作用会发生改变,从而引起气液两相流型的变化。以产气为主的气井井筒内液体主要以液膜、液滴的形式出现,由此出现了液滴模型与液膜模型两种解释积液的理论。从这两种携液理论出发,考虑生产管柱倾斜角度的影响,对倾斜管内液滴、液膜进行受力分析,推导出了随管柱倾斜角度变化的连续携液临界流速的计算式,使之适用于水平井连续携液临界流量的计算。设计制作了水平气井连续携液实验装置并进行了实验研究,观测气藏水平井中气水两相运动与流型变化情况并测试其临界携液气量,结果表明,气藏水平井中水平井段的液体以液膜携带为主,但直井段中越接近井口,越以液滴携带为主,液滴模型也能适用于计算气藏水平井的连续携液临界流速。     

煤层气排采产气通道适度携煤粉理论

考虑在煤储层中实际地层液混合流体中煤粉含量和煤粉颗粒群的悬浮分级,建立煤粉颗粒在产气通道内悬浮运移模型,给出煤粉悬浮排出的条件;打破以往以防煤粉为主的思想,基于液流携带建立煤层气排采产气通道内的适度携煤粉方法,基于液固两相流理论建立液流携带煤粉运移模型,并分析地层液参数和煤粉颗粒参数对适度携煤粉的影响。结果表明:煤粉颗粒粒径越小,地层液流速越大、黏度越大,煤粉在产气通道截面上分布越均匀,其悬浮排出能力越强,煤粉较易被地层液携带排出;煤层气井排采各个阶段(单相水流阶段、气水两相流阶段和单相气体流动阶段)地层液中气液固三相混合的比例不同导致地层液的黏度不同,造成排采过程中地层液携带煤粉的能力随着产气量的变化而变化。合理控制地层液的参数有利于煤粉适度排出,疏通产气通道增加其渗流能力,提高煤层气井产气量。     

水平井压裂携砂液摩阻定量计算模型研究

近年来,携砂液在压裂管柱内流动的沿程摩阻研究仍未取得实质成果,而携砂液的沿程摩阻分析是指导压裂设计和施工的关键。因此,有必要对携砂液的沿程摩阻进行研究,推导可普遍应用的沿程摩阻计算模型。利用液固两相流相间的动量交换理论,研究了携砂液分别在直井段、造斜段和水平段流动时支撑剂颗粒处于悬浮运动状态、滑跳移运动状态以及部分悬移,部分滑跳移状态下的携砂液平均流速,最终利用Darcy-Weisbach公式建立了可用于各类型井的携砂液沿程摩阻计算模型,并计算分析了管径、施工排量、砂比、压裂液及支撑剂性质对携砂液沿程摩阻的影响。     

泡沫流体携砂能力的数值模拟

泡沫流体广泛应用于油井的冲砂洗井作业中,携砂能力是衡量其性能的一项重要指标.利用FLUENT软件中的分散相模型对泡沫流体的携砂能力进行了数值模拟,得到了不同直径的砂粒在泡沫流体中的携砂率和停留时间随环空管道倾角的变化关系,与相同条件下水的携砂性能进行了比较,并进行了定性分析.从模拟结果可以看出泡沫流体具有良好的携砂能力,而且更适合于水平井的冲砂洗井.     

泡沫流体携砂能力的数值模拟

泡沫流体广泛应用于油井的冲砂洗井作业中，携砂能力是衡量其性能的一项重要指标。利用FLUENT软件中的分散相模型对泡沫流体的携砂能力进行了数值模拟，得到了不同直径的砂粒在泡沫流体中的携砂率和停留时间随环空管道倾角的变化关系，与相同条件下水的携砂性能进行了比较，并进行了定性分析。从模拟结果可以看出泡沫流体具有良好的携砂能力，而且更适合于水平井的冲砂洗井。     

多级孔板提高井筒气体携液能力实验研究

气井生产时，井底积液会影响气井产量，甚至导致气井停产。加入泡沫剂、更换小直径油管或氮气举升等措施排出井底积液是保证气井生产的重要手段，但造成液体回流的井筒结构并没有变化。改变适合于单相流体的均一井筒结构，降低气液两相流中液体在井筒的回流，提高气体携液能力，形成适用于气液两相流的井筒结构，可以改善气井生产。实验设计了安装于管筒内的类似于倒置漏斗形的多级孔板装置，以井底气体为动能，借助“爬楼梯”原理，利用孔板减少或阻止液体回流，使液体通过多级孔板逐级上升；实验利用气体压缩机提供气源，测试了不同气体流速下，加入孔板对于气体和泡沫携液能力的影响。实验表明，在管筒内加入液体回流限制装置，大幅度地提高了管筒的气体携液能力和排液效果，减少了管筒液体回流量，降低了气体排液和泡沫排液的气体流速临界值。多级孔板可用于气井增产，能够提高气体携液能力，提高泡沫携液效果，降低泡沫剂的使用量和井底残液，但在实际生产中气体流量和装置的匹配性，还有待于在现场试验中进一步验证和优化。     

井下涡流工具结构参数优化

涡流工具的作用是将气液进行分离,气液分离效果越好,涡流工具作用效果越好,为了提高气井涡流工具排液采气工具的工作效率和使用效果,进行了涡流工具的结构参数优化研究。运用SolidWorks和Fluent流体模拟软件,建立了涡流工具气液两相流场模型。从液相分布、切向速度、轴向速度三个角度分析螺距、导流叶片高度、内径、导程倍数、叶片数对涡流工具作用效果的影响,通过正交试验分析最优的涡流工具参数组合。结果表明,当涡流工具参数为：内径54mm、螺距200mm、叶片高度20mm、1倍导程、单叶片时,涡流工具作用效果最好。研究结果可以为现场涡流工具的优选和使用效果的提高提供依据。     

体积压裂水平井蒸汽吞吐过程砂粒运移

在以水平井体积压裂为主的稠油油藏开采过程中,随着油田进入开发中后期,油井出砂日趋严重,油井出砂会严重影响油田的正常生产。因此,对水平井体积压裂蒸汽吞吐过程中的砂砾运移规律进行了深入研究,为应对油井出砂问题提供相关理论支持。利用CFD仿真模拟方法,研究了体积压裂水平井蒸汽吞吐过程中,研究了裂缝压力、入口流量、井斜角以及裂缝数量对水平井内砂床形成的影响以及变化规律。由模拟结果可知：固相体积分数随着裂缝压力的上升呈现出先下降后上升的趋势且在裂缝压力为8MPa的时候井筒出砂量最小;固相体积分数随着入口流量的提升而下降;相同情况下井斜角越小固相体积分数越大;固相体积分数随着裂缝条数的增多而降低。