压裂液和石英砂与管道的多物理场耦合动力学分析

发布时间：2020-06-25 00:22

【摘要】：随着油气资源开采技术的发展,水力压裂逐渐成为开发非常规油气资源的关键技术。压裂过程中,管道(柱)内固液两相压裂液因柱塞泵的非均匀供液、局部流道的流态转变、颗粒碰撞和瞬间堆积,均会引起流体压力波动,导致地面管道和井下管柱异常振动和冲蚀破坏。因此,固液两相压裂液与输送管道(柱)的耦合振动和冲蚀分析不仅具有很强的学术价值,也具有明显的工程应用前景。本文旨在建立压裂液湍流动力学和颗粒群运动学以及输送管道(柱)振动的多物理场耦合分析理论,为压裂施工设计、管道(柱)振动控制和冲蚀预测提供理论支撑。根据现场压裂施工管道(柱)结构和工艺参数,设计并建立了固液两相压裂液压力损失及诱导管道振动的实验装置。实验研究了缩扩管内压裂液流速、砂比、稠化剂浓度和直径比对缩扩管压力损失、振动的影响,得到了缩扩管内含砂压裂液压力损失计算方法和缩扩管耦合振动的结果,为后续理论方法验证提供了依据。假定管道不振动,选取管道内压裂基液及石英砂为研究对象,考虑流体与颗粒群耦合作用力、颗粒群碰撞、耦合求解效率和求解精度等因素,基于双流体模型和离散元法,推导了颗粒与流体间传递物理参数的计算式、迭代收敛条件和时间推进算法,建立了流体与颗粒群耦合的动力学分析数值模型和计算方法。通过与现有算例和实验结果对比,验证了本文CFD-DEM方法的准确性,为揭示固液两相流中颗粒群的运动、碰撞和堆积提供了一种行之有效的计算方法,丰富了颗粒群与流体耦合动力学分析理论。通过对压裂管道(柱)中常见的直管、缩扩管、弯管和T型管流道内不同压裂液流速、砂比等参数下的颗粒群和流体耦合动力学计算与分析,得到以下结论:对于直管,入口流速越大、砂比越大,颗粒群在管道内碰撞越剧烈,流体压力损失越大。对于缩扩管,入口流速越大、砂比越大、直径比越小、缩径角越大,颗粒群在突缩截面的碰撞、堆积更严重,流体压力损失和突缩截面的冲蚀率越大。对于弯管,入口流速越大、砂比越大、曲率比越小,弯管内侧增速减压现象越明显,流体压力损失和弯管外侧冲蚀越大。对于T型管,入口流速越大、砂比越大、直径比越小,流体压力损失和支管路冲蚀率越大;T型管入口、出口形式对颗粒群运动特性影响显著。在流体与颗粒群耦合的基础上,采用两相流与管道耦合的分域求解算法,考虑两相流中颗粒碰撞、堆积与流体流场和管道位移场的相互作用,给出了流体-颗粒群-管道多物理场耦合的物理量传递方法、迭代收敛条件和时间推进算法,建立了多物理场耦合的动力学求解方法。通过对模拟实验管道与颗粒群和流体耦合振动的实例计算和分析,结果表明:两相流流速越高、砂比越大、直径比越小,管道振动加速度的波动幅度越大;中间位置振动加速度的波动幅度最大,入口位置其次,出口位置最小;高砂比可以产生低振幅的高频振动。数值模拟与实验得到的管道振幅和频率相对误差小于15%。本文旨在建立压裂液湍流动力学和颗粒群运动学与管道(柱)振动的多物理场耦合分析理论,提出一种精细的数值模型和高效的计算方法,为压裂工程设计、管道(柱)振动控制和冲蚀预测提供理论支撑,促进大型压裂技术及其他新技术的快速发展。
【学位授予单位】：东北石油大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TE357.1

【参考文献】