压裂过程中井下节流器的流动模拟与应用

刘百川

【摘要】随着国内许多油田先后进入开发中后期，油层含水量上升，层间矛盾加剧，堵水层与采油层之间的压差越来越大，开发的油井也越来越深，地质环境越来越差。面对复杂的工况条件和恶劣的自然环境，对封隔器要求有更高更可靠的密封性能、能耐高温高压，结构简单，使用灵活方便，使用寿命更长。本文针对压裂液在油管、封隔器及其节流器中的流动，在充分分析流动因素、流变性、流动规律的基础上，利用Fluent软件对节流器附近流体的流动情况进行了二维数值模拟，为压裂设计及施工提供理论基础。

【关键词】压裂液；封隔器；节流器；CFD模拟

目前在压裂酸化施工作业中，工作液注入管柱主要有封隔器管柱和光油管管柱两大类。在没有使用封隔器的光油管管柱情况下，通过套管压力实时监测井底压力的变化比较准确。出于保护套管或者卡层、分层压裂的考虑，压裂酸化作业时越来越多的使用封隔器管柱。压裂液通过封隔器管柱，特别是节流器的压力损失计算比较复杂，影响因素较多。目前现场主要通过经验估计其大小，导致现场施工净压力误差较大，影响对裂缝尺寸的评价，严重时甚至会导致施工失败。

一、封隔器的基本用途

封隔器使用范围广泛，几乎遍及勘探和开发的各个生产过程。之所以应用封隔器，除了可满足生产中的各种工艺要求外，也有经济上和操作上的考虑，因为借助封隔器进行井下作业，比之其他井下工具更为合算、方便。封隔器一旦在井下有效工作，就可以达到以下目的：

（1）隔绝井液和压力，保护套管，从而改善套管工作条件；

（2）封隔产层或施工目的层，防止层间流体和压力互相干扰，以适应各种分层技术措施的需要，或便于进行堵漏、封窜等修井作业；

（3）保存并充分利用地层能量（包括溶解气能量），以提高油井生产效率，延长其工作时间；

（4）使井的控制仅限于地面油管，以确保安全和最大限度地控制地层；

（5）便于机械采油的方式（如为气举和水力油塞泵抽油提供必要的生产通道，或将套管分割为吸入和排出两部分，以利无管泵进行抽油）；

（6）用在气井中（尾管下至射孔段以下），可以缓和气井液面过早上升；

（7）注水；

（8）压裂酸化；

（9）洗井；

（10）卡堵水。

二、存在问题

由于封隔器采用液压坐封、泄压自动解封的原理，要坐封，启动器内外必须产生一定的压差。而压差主要靠压裂液流经喷嘴时产生的压降来提供。此外，使用封隔器压裂管柱压裂时，井底静压力的实时监测不能直接通过监测套管环空压力得到，必须通过计算压裂液在封隔器管内摩阻来实现。如何正确计算、模拟非牛顿压裂液或携砂液流经喷嘴时的压降，这是本文所要解决的主要问题。

三、压裂过程中井下节流器的流动模拟

在我们所研究的压裂过程中井下节流器的流动模拟，采用的就是现在国际上比较流行的CFD软件——Fluent软件进行分析。

（一）结构几何模型

对于安装在石油管道、节流管汇上的节流嘴而言，根据其结构形式，分为固定式和可调式两种形式。在这里采用的是结构形式最简单的固定式节流嘴进行分析的，如图1所示（剖面图）。

网格模型是在Gambit软件中先绘制的二维结构模型，再运用它的划分网格功能进行网格划分。

（二）初始条件

如图1所示的剖面图，该固定式节流器是一个二维圆形直管段，它由三段组成，其D=62mm，d=30mm，比值d/D=0.484。沿着流动方向，L₁=400mm，L₂=40mm，L₃=200mm。网格划分是结构性网格与非结构性网格组成。

边界条件：左边边界为流体入口，给定压力入口边界条件；右边边界为流动出口，按压力出口边界处理。

（三）模拟结果

根据物理模型和相关参数进行模拟分析。使用Fluent流体分析软件，对压裂液通过节流嘴的流动状态进行了数值模拟，并得到很好的收敛效果。得到了压裂液流经喷嘴时的压降、流速的二维变化情况。其结果如下：

（1）入口压力为30MPa。对入口压力为30MPa进行模拟，得到很好的收敛效果。压力的变化情况见图2，从图2中可看出压裂液通过节流嘴后压力降低了1.8MPa。

（2）入口压力为40MPa

对入口压力为40MPa进行模拟，得到很好的收敛效果。压力的变化情况见图3，从图3中可看出压裂液流经节流嘴后压力降低了1.7MPa。

（3）含砂5%压裂液

对含砂5%的压裂液，入口压力为20MPa进行模拟，得到很好的收敛效果。压力的变化情况见图4，从图4中可看出压裂液流经节流嘴后压力降低了2.2MPa。

（4）含砂10%压裂液

对含砂10%的压裂液，入口压力为20MPa进行模拟，得到很好的收敛效果。压力的变化情况见下图5，从图5中可看出压裂液流经节流嘴后压力降低了2.4MPa。

从上述结果可得出：在节流嘴出口处，含砂时的压降比不含砂时的压降大，而且含砂量越大，压降越大。

四、结论

1、利用Fluent流体分析软件对非牛顿型压裂液、含砂压裂液在节流器处的流动状态进行二维数值模拟，从模拟的数据得出井深对经节流器后的压降没有影响，含砂压裂液比不含砂压裂液的压降要大，且含砂量越大，其压降越大。

2、模拟的计算结果对优化节流器尺寸、施工参数（如低替排量、启封排量、油套平衡压力）以及净压力监测有重要参考意义。