水力脉冲强化压裂工具设计与分析

严梁柱,占 庆,张樱曦

(1.长江大学 机械工程学院,湖北 武汉 430100;2.中国石油大学(北京)石油工程学院, 北京 102249)

随着石油工业勘探开发力度不断加大,低渗透、超低渗透等非常规油气资源逐渐成为各国油气田的增产主体。低渗油田中地质特征复杂、非均质强,一般需人工压裂改造之后才具有商业价值,多孔介质的原始状态与孔隙扩张后状态对比如图1所示。原始状态下多孔介质中孔隙小、结构紧密,渗透性差极不利于油气开采,在经过改造后的多孔介质孔隙和渗透性明显变大,使得油气开发具有商业价值。目前常用的压裂技术主要有水力压裂、液药压裂及复合压裂等[1-4]。其中,水力压裂是致密气、煤层气、页岩油气和干热岩等储层增渗改造的最主要方式。一般采用静压致裂的方式改善储层的渗流能力,但是这种技术具有泵注量大、能量利用率低、返排率低及体积压裂效果不理想的技术问题[5]。

图1 多孔介质的原始状态与孔隙扩张后状态对比

目前的水力压裂技术通常采用静压致裂的方式改善储层的渗流能力,具有泵注量大、能量利用率低、返排率低、体积压裂效果不理想等技术问题。为增强水力压裂效果,近年来研究人员从提高储层渗透率、产油速率、裂缝扩展机理及油层吸水注液着手,提出水压爆破压裂、水力脉冲压裂概念。与其他储层增渗改造方式相比,水力脉冲压裂利用储层在排量变化过程中产生周期性的水锤效应,在短时间内释放大量能量,产生欠平衡环境,具有增渗能力强、响应快、抑制裂缝闭合等优点,可以在极短的时间内产生大量裂隙提高储层渗流能力[6-7]。

近几年研究人员对水力脉冲的研究更加深入和广泛。2011年中国矿业大学张瑞等人[8]研究发现,水压爆破压裂可提高储层渗透率,减小岩石强度及围岩压力,增加裂缝数量和起裂角度;2014年科罗拉多矿业大学Luke P. Frash等[9]人对实验室条件下水力脉冲对储层渗透率和产油速率的影响开展了实验研究,研究表明,储层的生产速率明显提高,渗透率提高了两个数量级;M.RezaSafari等[10]人对页岩储层中的脉冲压裂进行了研究,研究表明脉冲压裂具有水力压裂和爆炸压裂的优点,调整脉冲压裂的参数使之与储层相适应,就有可能产生多方向扩展的裂缝,控制脉冲速率,岩石就会表现出“延性到脆性转变”的特点;2014年中国矿业大学的袁亮等人[11]研究了水力脉冲压裂对煤层的影响,重点探究了脉冲频率对裂缝扩展延伸的影响,同时分析脉冲频率,压力波动幅度,破裂压力和脉冲持续时间的关系;2015-05,彭深等人[12]对脉动水压力在煤气储层中的传播特征进行了研究;2015年科罗拉多矿业大学的Luke.P.Frash等[13]人在实验室进行了机械脉冲水力压裂(MIHF)试验,MIHF是高速率应变压裂(HSRF)方法的一种,其利用机械能量源形成动态高压水力脉冲,可有效地用于二次增产作业,即:在进行过水力压裂的井内,再进行MIFH可以很好地产生复杂的新裂缝,显著增强油层的吸水注液能力,从而提高储层的再增产能力。

本文提出的涡轮驱动周向滑套式脉冲发生系统,相较于同类别其他脉冲发生装置,如现有泵源水力脉冲发生装置设备成本高,结构复杂,仅适用于煤矿井下脉动注水,不适用于远距离井管压裂。现有管段水力脉冲发生装置,多采用变化流量来控制频率,水力脉冲频率过高或过低,难以针对不同储层(煤岩、页岩等)特征进行最优水力脉冲频率的精准控制,且无法用于井管段密封压裂等。该工具采用驱动套筒作为传动组件,压裂液在壳体内流动的过程中,仅会通过不易发生堵塞的涡扇及止回阀,因此,本装置在使用过程中不易发生堵塞,稳定性良好。

1 涡轮驱动周向脉冲发生工具设计

为解决现有工具存在的泵源水力脉冲发生装置设备成本高、结构复杂,在油气储层中适应性差,无法精准控制脉冲频率导致储层受污染等问题。提出涡轮驱动周向滑套式脉冲发生工具[14],涡轮驱动周向滑套式脉冲发生工具(如图2)由壳体、涡轮机构、传动机构以及止回阀组成。

1-上壳体;2-涡轮机构;3-止回阀;4-调频机构;5-增压机构;6-下壳体。

工具主要技术参数如表 1所示。工具采用驱动套筒作为传动组件,压裂液在壳体内流动的过程中,仅会通过不易发生堵塞的涡扇及止回阀,降低了使用过程中发生堵塞概率,提高了工具稳定性同时可通过排量实现对频率的精准控制。

表1 涡轮驱动周向脉冲发生工具主要技术参数

进行储层改造时仅需将工具随连续油管下入到待压裂的井段,注入压裂液,压裂液依次流经上腔体、涡扇及单向阀流入下腔体内,涡轮受流动影响发生转动,转动驱动套筒传递给调频齿轮,调频齿轮将调制好的脉冲传递给从动套筒,从动套筒转动周期性满足内孔与射孔连通,形成脉冲水击压力波动,实现水力脉冲强化水力压裂。

2 涡轮机构设计及分析

涡轮机构是涡轮驱动周向脉冲发生工具的动力元件,涡轮机构动力学的性能直接决定了工具是否可以正常运转。涡轮机构作用是将流经的压裂液压力转化为动力,驱动涡轮旋转带动滑套周期性开合。涡轮机构的动力学参数主要包括转矩、效率、功率及压降[15]。图3为涡轮机构的三维效果图,可以看出轮盘是涡轮的主体部分,涡轮由多个叶片安装在轮盘上形成;轮盘负责转动并接受流体的动能转化,叶片用于捕捉和转化流体的动能。

图3 涡轮机构三维效果图

在涡轮结构设计时,涡轮内部流体流动较为复杂,为突出主控因素,做出以下假设:①涡轮具有无限多的叶片,认为叶片的型线即是流体的流道;②液体是理想的,为牛顿流体,流体流动时没有相互摩擦;③忽略定转子之间相互周期的影响。

基于以上假设,通过流体流动方程,即可得出涡轮转矩、功率等计算公式,并进一步确定涡轮叶片的结构参数[16-17]。

2.1 涡轮转矩

转矩是涡轮的重要参数之一,也是衡量涡轮水力性能的重要指标[18-19]。当动力液通过涡轮内部,其与转子相互作用,单位时间内动力液的能量转变为转子上的动能,使转子获得工作转矩,带动涡轮轴旋转输出机械能到执行单元。通过对两个转子叶片中流体的进出口速度进行分解,如图4所示。

图4 动力液出口速度分解图

涡轮转子获得的转矩:

Mi=0.5ρQiD(c1cosα1-c2cosα2)

(1)

设c1u=c1cosα1,c2u=c2cosα2,进一步化简可得涡轮的力矩公式:

Mi=ρQiR(c1u-c2u)

(2)

当涡轮尺寸结构一定时有:

(3)

式中:As为转子入口流道截面积,m2。

可知,当涡轮结构和冲砂液密度一定时,涡轮上的扭矩Mi与转速n成反比例线性关系。为求涡轮扭矩最大Mimax,即涡轮的转速为零时,代入(4)式得:

(4)

2.2 涡轮功率

涡轮从动力液中转化的功率为:

(5)

式中:ω为周向角速度,rad/s。

可知,当涡轮外形结构和流量Qi一定时,转速n就是其唯一变量,之间呈现抛物线关系。

2.3 涡轮效率

涡轮内部动力液所消耗的功率为:

N=ΔpQi

(6)

输出功率与输入功率之比为涡轮的总效率,即:

(7)

将式(6)、(7)代入上式得:

(8)

由上式可知,当涡轮的结构尺寸、流量一定时,涡轮的压降与转速n与涡轮的转化效率有关。由于涡轮的压降在结构设计完成时,压降将基本不会变化,因此,只与转速相关,之间呈抛物线关系。

通过对涡轮转矩、功率等于转速之间的计算公式,初步绘制了数字没有实际意义,只代表大小的特性曲线,总结了转矩、功率、效率和压降随涡轮转速的变化规律,如图5所示。

图5 转矩、功率、效率及压降随涡流转速关系曲线

3 涡轮部件的数值模拟

涡轮部件在涡轮驱动周向滑套式脉冲发生工具工作过程中主要承受着压裂液对它的作用力以及自身重力,为实现将压裂液的加速,涡轮部件需要具备足够的强度来保障上述条件需要,以免造成断裂而损坏其他部件。因此,很有必要将涡轮部件单独提出,并利用有限元分析软件,进行强度计算分析[19-20]。

图6展示了使用ANSYS有限元数值模拟软件进行涡轮建模和网格划分的效果图。首先进行建立涡轮的三维模型工作,设置叶片数量、轮径、壁厚等,建立出符合工具设计的三维模型,如图6a;然后设置网格数量,对建模后的部件进行网格划分,如图6b。

图6 涡轮的三维模型

在工作状态下,涡扇可以视为内部受到力矩并且外部受到固定约束的力的作用。因此,在数值模拟施加载荷约束时可以简化为在涡轮部件的内壁施加转矩载荷,并对涡轮部件的外壁进行固定约束。

仿真模拟的结果有多种,能从不同方面体现出涡扇的性质。图7为工作状态下涡轮部件总形变云图,涡轮部件的中部在工作状态下应变最大,最大达到0.863 mm,在进行强度设计时需要加强涡轮中部材料强度。

图7 工作状态下涡轮部件总形变云图

图8为工作状态下涡轮最大主弹性应变云图,可以看出涡轮整体发生的弹性形变量较小,最大部分依旧集中在涡轮中部约为0.516 mm。

图8 工作状态下涡轮最大主弹性应变云图

图9为涡轮的应力强度云图,显示了涡轮中间剖面状况,可以清楚地看出涡轮内部应力分布比较均匀,无应力集中情况。

图9 涡轮的应力强度云图

由分析结果可以看出涡轮部件中部更易发生变形与断裂,故而在设计时需要选用材料强度较高的材料,保证强度足够以免在工作时出现意外。

4 结论

本文对涡轮机构进行了力学分析,以探究涡轮的力矩、功率以及效率与涡轮转速之间的关系。为了验证通过添加涡轮驱动可以实现水力脉冲强化压裂的可行性, 使用ANSYS有限元数值模拟软件分析了涡轮在工作时的应力集中情况。通过以上分析, 得出以下结论:

1) 当涡轮结构和冲砂液密度保持不变时,涡轮上的转矩与转速呈反比例线性关系。

2) 当涡轮外形结构和流量保持不变时,转速成为唯一的变量,与涡轮之间呈现抛物线关系。

3) 当涡轮的结构尺寸和流量保持不变时,涡轮的压降与转速以及涡轮的转化效率有关。由于涡轮的压降在结构设计完成后基本不会变化,因此只与转速相关,呈抛物线关系。

4) 涡轮机构的数值模拟结果表明涡轮中部形变量较大和应力偏大,涡轮部件应按照涡轮中部最大受力和应变情况所需的较高强度材料进行设计,以保证施工安全。