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     

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。     

颗粒尺度下砂岩出砂几何约束条件及毛管束模型

 对疏松砂岩油藏开发过程中的出砂问题进行研究,从细观尺度分析了砂岩颗粒的受力状态,明确了出砂的力学条件,提出砂岩出砂的3 个几何约束条件。分析认为,力学条件及几何条件同时约束砂粒的运移。将地层孔隙用毛管束表示,通过分析流体和砂岩颗粒在毛管束中的受力情况,建立了砂岩出砂毛管束模型,推导出砂岩出砂临界流速公式。研究表明,砂粒直径、孔隙度和岩石颗粒摩擦角增大,临界流速增大;流体黏度增大,临界流速变小。建立的临界流速公式与实验结果对比,平均误差为15.9%,符合较好。砂岩出砂几何约束条件丰富了砂岩出砂机理,建立的临界流速公式简明,可方便应用于矿场实践。     

煤层气有杆泵井排采煤粉产出规律表征与分析

为探索煤层气有杆泵井排采煤粉产出的实际沉降速度和临界排液量,建立了有杆泵井井筒煤粉运移动态实验平台,模拟了不同煤粉粒度、不同排液速度井筒煤粉动态运移规律。结合球形颗粒沉降末速理论公式,建立了有杆泵井排采不同煤粉粒度实际沉降速度和临界排液量计算模型。研究表明,实际有杆泵排采实际沉降速度和临界排液量与井液密度、井筒内流体流态、煤粉粒径、煤粉密度及井筒流体流速有关,且随着煤粉粒度的减小实际沉降速度和临界排液量降低,并计算出不同煤粉粒度的排采临界排液量。有杆泵井排采时实际沉降速度和临界排液量可为现场防煤粉控制、排采设备优化等方案设计提供依据。     

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。     

水平井筒变质量流体流动实验研究

设计并建立了水平井筒变质量流体流动的模拟实验装置。对具有射孔完井的水平井筒变质量流动特性进行了实验研究,利用先进的数据采集系统获取了大量的实验数据。对水平井井筒单孔眼段流体的流动阻力损失分析可知,流动阻力由三部分组成：管壁摩擦阻力、加速损失和混合损失。通过对实验数据进行处理,得出了混合损失和主流流速与孔眼流速之间的关系。对于一定的主流流速,混合损失随孔眼流速的增大而增大;对于一定的孔眼流速,混合损失随主流流速的增大而增大,此时流体流入孔眼对水平井筒中流体流动的影响比较显著,从而增加了井筒中流动的复杂性。实验数据的回归结果表明,在本实验条件下,主流流速和孔眼流速是造成混合损失的主要因素。     

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。     

颗粒沉降末速的计算机算法

本文首先建立了单个颗粒在流体中的自由沉降的微分方程,通过对颗粒阻力系数C_d与雷诺数Re的近似数学表达.采用龙格——库塔法,用计算机算出了不同条件下的沉降末速及达到沉降末速的时间,并形象地绘出了不同条件的v—t图.文中还验证了计算结果并具有足够的精度.     

水平井冲砂洗井流体流速研究

由于水平井井身结构的特殊性,开发过程中地层砂更易进入井筒,导致产量下降,水平井中冲砂洗井效果直接影响其产能和开发成本。直井冲砂的水力参数设计不适用于水平井水力冲砂洗井,有必要进行水平井冲砂洗井水力参数研究。在分析水平井不同井段内岩屑运移机理的基础上,建立了相应的水力冲砂流体流速数学模型,可以计算砂粒运移时与流体的相对速度以及冲砂洗井所需的临界流速。水平井冲砂洗井中最困难部分为井斜角60°左右的斜井段,临界流速值最大;洗井液黏度适当增大可以降低冲砂洗井所需的临界流速;岩屑尺寸增大,冲砂洗井所需的临界流速也增大。由于未考虑湍流漩涡对于岩屑运移的影响,临界流速计算值略大于实际冲砂洗井中的流速。     

振动信号分析用于出砂监测方法有效性研究

 海上稠油油田的适度出砂开采技术需要一种有效的实时出砂监测系统用以监测出砂信号,目前使用的出砂声测法和ER法都存在不同的问题。声测法目前主要用于气井和稀油油井出砂检测中,而ER法则存在寿命短、监测延迟等问题。因此,提出了可以利用流体中的砂粒撞击管壁产生的振动信号作为出砂监测的新思路。为了验证这一方法的有效性,在实验室内建立了一套用于模拟油井出砂的实验装置,系统中主要采用压电式加速度传感器接受砂粒撞击的振动信号,后期采用滤波、放大等动态信号的处理方法来处理;实验中利用高粘度的齿轮油模拟稠油流体,用柱塞泵、加热搅拌器来实现油井生产的出砂状况。实验采用60目砂样石英砂粒,室温下粘度为130mPa·s的稠油,实验过程中温度从室温逐渐增加,每5℃一个点,到70℃,含砂量从无砂加到0.8%,实验过程中通过不断搅拌保持砂粒在流体中的悬浮和均匀。通过对采集到的数据进行功率谱分析,试验结果表明,将振动信号用于出砂监测有效性很好。     

低含水率沙床的临界起沙风速

针对目前对风沙起动机制的认识有限的现状，采用量钢分析法推导出对湿沙床的起沙有影响的4个无量纲数。经分析得到起沙风速与沙床沙粒粒径和沙床粘结力间的数量关系。通过建立沙床粘结力与含水率、沙粒粒径的关系式，得到临界起沙风速和沙粒粒径，含水率间的定量关系式。认为低含水率沙床的风沙起动风速与颗粒粒径的一次方和沙床含水率的1／4次方成线性关系，此结论与前人的实验结果符合得很好。     

欧拉颗粒流模型下的近床面风沙跃移速度分布特征

风沙运动中沙粒速度是风沙物理学研究的重要内容,为反映风沙流运动中沙粒相浓度变化及沙粒的速度分布,从多相流的角度出发,运用二维欧拉颗粒两相流模型对风沙的流动过程进行模拟.通过对比实验中沙粒的体积浓度随高度的变化,验证了模型的准确性,并在此基础上对沙相的运动信息进行统计分析,得到近床面风沙流的沙相速度分布.统计结果表明:在风沙跃移过程中,沙粒体积分数随高度的变化呈指数衰减,并在近地面附近出现浓度饱和层,饱和层沙粒体积分数的数量级为10-7,且在饱和层上方浓度衰减加快.通过对体积分数大于等于10-7的沙粒速度信息进行统计,得到不同时刻沙相速度分布,并给出相应的速度分布概率密度函数.     

疏松砂岩油藏封隔颗粒防砂控水技术矿场实践

南海东部的F油田为疏松砂岩稠油油田,针对投产后出现的储层出砂堵塞筛管,油井产量递减快、见水后含水上升快等难题,在充分调研常规防砂控水技术优缺点的基础上,提出了一种由亲油疏水材料构成的封隔颗粒防砂控水技术。利用实验、油藏工程、数值模拟等方法评价了封隔颗粒的防砂控水效果。结果表明：封隔颗粒防砂控水技术具有无需找水、全井段控水、防砂、绿色环保等多种优势,配合自适应流量控水阀(autonomous inflow control device, AICD),防砂控水效果进一步提升;F油田部分单井矿场采用封隔颗粒防砂控水后,有明显的无水采油期,在相同采出程度的情况条件下,含水上升率明显更低,防砂控水增油效果显著。该技术为类似疏松砂岩油田的防砂控水开发提供了借鉴,推广前景良好。     

低渗油田出砂机理分析

通常认为低渗透油田不会发生地层出砂.然而,延长油矿樊学区块严重出砂,大大影响了正常的生产.根据现场调研、矿物成分对比、粒径分析、驱替实验验证、出砂指数、采油污水检验、临界井底流压和临界产量等,首先确定出砂为地层砂,而不是通常认为的压裂砂.根据该区块的实际地质情况,认为地层出砂的主要原因是地层岩石胶结物———黏土的剥离.制定了相应的防砂治砂方案,建议在维持一定产液量携带砂粒出井筒的同时,采取黏土稳定剂、滤砂管和清蜡剂的综合治砂措施.     

室内实验规模的出砂数学模拟

为了研究疏松砂岩的出砂特征,根据连续性孔隙介质渗流、微粒释放和微粒运移理论,建立了室内实验规模的出砂数学模型,并采用有限差分法对该模型进行了求解。结果表明,实验条件下数学模拟与物理实验模拟的结果吻合较好。用理论出砂模型模拟了胶体力、水动力导致的出砂和砂粒运移过程中滞留引起的渗透率变化。模拟结果表明,渗流速度高于临界流速才引起冲刷出砂;胶体力和冲刷力是出砂的诱发因素,砂微粒在运移过程中在孔隙表面再沉积和孔喉处被捕集将降低出砂程度;渗透率比值与注水孔隙体积倍数或渗流速度的关系曲线均呈"S"形;在运移过程中,砂微粒滞留导致渗透率比值随岩心长度的变化呈线性降低趋势。     

粗砂直剪试验与离散元细观机理分析

为了研究了粗砂的临界状态及临界状态下颗粒的运动规律,利用室内大型单剪试验设备以及颗粒流软件PFC2D,对粗砂进行了等体积条件下的单剪试验与数值模拟。室内试验结果表明,粗砂的临界状态摩擦角为36.4°~37.4°,在本次试验条件下,初始正应力、初始相对密实度对临界状态摩擦角基本无影响;数值模拟结果显示,发生较大速度、位移、旋转量的颗粒均位于剪切带范围内,剪切过程接近临界状态时,剪切带内的颗粒累计旋转量分布趋于稳定即在临界状态下,剪切带内颗粒的旋转量非常小;剪切带的宽度约为45倍的平均粒径。     

颗粒组分特性对扬矿硬管输送速度的影响

对颗粒组分特性与扬矿硬管输送速度之间规律进行研究。理论分析与试验研究结果表明:单颗粒垂直管道输送时的滑移速度即为其沉降速度,当输送水流速度继续增大到超过了沉降速度后,滑移速度逐渐减小;对于同级配的固体颗粒,输送速度随着体积分数的增大而增大,当固体颗粒体积分数达到某一值后,输送速度增大的趋势减小;颗粒级配不同对体积分数的影响是不一样的,大颗粒级配占优势时输送速度大,小颗粒级配占优势时输送速度小。     

泵站前池中泥沙沉积分析试验研究

运用相似理论,泥沙运动学等理论对泵站前池中泥沙沉积进行了受力分析,运用概率论和数理统知识,分析泥沙运动机理,建立了起动流速和起动概率之间的关系,最后通过模型试验求出经验公式。