水力喷射连续油管弯曲对环空冲蚀规律研究

朱崇佳

（大庆油田有限责任公司钻探工程公司钻井三公司，黑龙江大庆163000）

连续油管在水力喷射压裂工作过程中会受到砂粒的严重冲蚀，尤其当连续油管在井筒内发生弯曲后，磨蚀更加严重。针对连续油管作业过程中发生弯曲较严重的部位建立对应的数值计算模型，并进行数值模拟研究，利用数值模拟结果分析固相颗粒聚集及迁移规律，合理利用冲蚀模型预测连续油管弯曲与磨蚀的关系，为工程中冲蚀磨损的预测及防治提供理论参考。

1 连续油管螺旋弯曲对冲蚀磨损规律的研究

连续油管在井筒内发生螺旋屈曲后，在压裂加砂过程中，会改变井筒内的流动规律。对螺旋屈曲后的连续油管与套管环空流场进行建模，并进行冲蚀磨损计算。

1.1 仿真模型建立

利用三维建模软件Solidworks建立螺旋弯曲的连续油管的几何模型。定义螺距等参数（初步设定为5m）。将建立的三维几何模型导入到网格划分软件Gambit中进行网格划分，由于油管与套管壁相切处的几何域存在尖角（横截面方向），会对网格划分造成困难，因此对油管与套管壁紧贴的位置进行倒圆角处理，采用扫掠法生成六面体网格。通过布尔运算抽取流场计算域，为降低计算量，取了0.5螺距长度的连续油管进行计算，连续油管外径为2.375″即60.325mm，壁厚取为4.445mm。作业砂相体积分数流量选为0.1、0.2、0.3、0.4。压裂流量选为7~10m3/min，砂粒密度为2600kg/m3。

1.2 冲蚀磨损规律研究

1.2.1 流场分析

压裂作业中流量很大，沿轴向方向的速度量级也较大（入口流速18.09m/s），由于连续油管的存在，速度在横截面方向存在明显的速度梯度——在油管与套管壁紧贴的位置，出现较大的速度梯度，速度下降也比较明显。因此，在横截面方向（与轴向垂直的方向），存在着量级远小于轴向速度量级的“二次流”。如图1（a）所示，为横截面上速度矢量图，油管的沿轴向的螺旋变化使得流体绕油管出现了旋转运动的趋势，该趋势造成的直接结果就是：砂相在旋转流动的带动下，由油管与套管壁接触的一端流向另一端，并最终堆积在油管与套管接触的一侧，如图1（b）所示，砂相体积分数分布云图显示，砂相在紧贴套管壁的右侧的浓度要高于左下侧。砂相在油管紧贴套管壁的两侧分别出现了高/低两种体积分数分布，最高体积分数（约为0.2）为平均体积分数（0.1）的两倍。

图1 （a）速度矢量图和（b）砂相体积分数分布云图

1.2.2 冲蚀规律研究

对套管内壁和油管外壁进行冲蚀研究，结果发现套管内壁和油管外壁上冲蚀速率分布大致相同，呈点状冲蚀，分布较为分散，没有冲蚀集中的区域[3-4]。环空中发现颗粒运动轨迹也呈螺旋状，颗粒彼此间的干扰较小。

砂相最大浓度与入口砂相的含量（体积分数）大致成正比关系，当含砂量为30%时，环空中出现的最大砂浓度超过了50%。如图2所示。流量对冲蚀速率的影响关系曲线，可以看出流量与最大冲蚀速率呈正比关系，流量的增加会导致冲蚀的增加，因为，流量增大颗粒的运动速度也会增大，必然会导致冲蚀速率增加，如图3所示。

图2 砂体积分数对最大砂相浓度的影响

图3 流量对冲蚀速率的影响

2 连续油管正弦弯曲对冲蚀磨损规律的研究

2.1 仿真模型建立

对正弦弯曲的连续油管与套管环空流场进行建模，建立方法与螺旋弯曲的建立方式相似，但在正弦弯曲时连续油管由沿井眼中心到弯曲后紧贴套管壁，在紧贴套管壁的位置出现尖角区域，加大了网格划分难度。在入口段和出口段区域中，模型截面的拓扑形状沿轴向保持一致，因此适用于扫掠法生成六面体网格；在油管与套管紧贴位置处，尽管截面几何形状较为复杂，但仍然可以使用扫掠法生成六面体网格；但是在两个区域过渡的区域采用了非结构网格来离散此几何区域。

2.2 冲蚀磨损规律研究

2.2.1 流场分析

从环空入口向内，速度是增加的，油管正弦段贴近套管壁面处上侧流体速度梯度较大[5-6]。图4为不同截面上液相速度矢量图，不同截面流体速度矢量分布差异很大。正弦起始段（Surface2和Surface3之间的区域），流体从上侧绕环控流向下侧，而正弦结束段（Sur⁃face4和Surface5之间的区域）则与之相反，流体从下侧绕环控流向上侧。

图4 不同截面处流场的速度矢量图

油管壁面冲蚀速率云图可知，冲蚀区域集中在油管正弦波峰段的内侧（Surface2和Surface3之间的区域），直线受到冲蚀较为微弱。通过分析截面液相速度矢量图，Surface2和Surface3截面，流体从两侧绕油管流向底端，而且贴近油管壁面的流体速度方向垂直于油管壁面且速度较其他区域加大，因此造成该段区域受冲蚀速率集中且最大[7]。

2.2.2 冲蚀规律研究

正弦起始段，颗粒向下侧移动，正弦结束段，下侧颗粒又向上侧发散。流量增大会导致冲蚀速率的增加。流量和冲蚀速率呈非线性关系，流量越大，冲蚀速率增幅越大，如图5所示。

图5 流量对冲蚀速率的影响

3 结论

(1)对于环空内的冲蚀磨损，螺旋弯曲段套管外壁和油管内壁上冲蚀速率分布大致相同，呈点状冲蚀，分布较为分散；正弦弯曲段冲蚀磨损主要集中在正弦弯曲起始段内侧；

(2)冲蚀速率主要受到入口流量，混合液砂相体积分数的影响，入口流量及砂相体积分数增加时，油套管壁面磨蚀增加，入口流量和砂相体积分数成正比关系，应当在满足射孔压裂要求的条件下选择合适施工参数，以减小油管和套管壁面的冲蚀磨损。