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张峰等：基于CFD的压裂球座冲蚀磨损数值模拟
基于CFD的压裂球座冲蚀磨损数值模拟
张峰1：2
张全胜
吕玮1
郑超朱恒需2
摘要：在水平井压裂改造过程中，压裂球座的存在改变了流城的几何形状，进而影响了压黎液的流动状态，同时携砂压裂液在管道中快速运动，导致球座表面出现严重的冲蚀启损现象，这使压裂球座的坐封配合性能下降，影响投球打开滑套以及后续压裂施工等操作的正常进行。基于CFD软件Fluent，建立了井下球座的流体动力学模型，分析了球座锥段角度、压裂液黏度和砂粒粒径等参数对井下流态以及球座表面冲蚀磨损速率的影响规律。模拟结果表明，损率的量大值出现在球座锥段与小固柱段的连接处；球座表面冲蚀磨损率随着球座锥段角度的增大而快速升高，却随着压裂液黏度和砂粒粒径的增大而降低。
关键词：分段压裂；球座；冲蚀磨损；数值模拟 Doi : 10.3969/j.issn.10066896.2016.5.004
Numerical Simulation onthe Erosion of Fracturing BallSeat Based on CFD Zhang Feng, Zhang Quansheng, Lv Wei, Zheng Chao, Zhu Hengyu
Abstract: During the fracturing operation of horizontel well, the geometry is changed by fracturing ball seat, and the fracturing fluid carrying sand moves rapidly in the channel which lead to the material loss on the surface of ball seat. The erosion of ball seat reduces the seeling performance, which impacts significantly on the shifting operation and subsequent op erations. In this paper, the computationel fluid dynamics model for ball seat was built based on the CFD software. The effect of parameters such as cone angle, fluid viscosity and sand diameter on the flow status and erosion rate was investigated. Numericel results indicate that the maximum erosion value occurs at the junction between cone surface and small channel The erosion rate increases rapidly with the increase of cone angle, while decreases with the increase of fluid viscosity and sand diameter. This study provides theoretical guidance for staged fracturing technology of horizontal wells.
Key words: staged fracturing; ball seat; erosion abrasion; numericel simuletion
随着全球对油气资源需求的不断增加，油气资源开采的难度也越来越大。相比普通油气资源医乏的现状，非常规油气资源的探明储量非常巨大以胜利油田为例，特低渗油藏探明储量5.5x10°t，动用储量2.67×10°t，“十二五”期间新增探明储量中近70%为特低渗储量，是资源接替的主阵地特低渗透和致密油成为胜利油田压裂改造的主要对象。近年来，水平井投球滑套分段压裂技术已经成为非常规油气资源压裂增产改造的一项重要技术2-3。该技术的优点在于可以通过投放不同直径的压裂球打开不同层段的滑套，进而打开压裂地层的通道
实现水平并的分层压裂改造。然而，在压裂改造的过程中球座表面出现了严重冲蚀磨损现象，导致球座密封配合性能下降，甚至会出现坐封憋压失败滑套无法顺利打开等情况；所以，有必要对压裂改造中球座的冲蚀磨损现象进行分析研究。
固液两相流动对材料的冲蚀作用是一个非常复杂的过程，受到多种因素的影响4-6。冲蚀磨损通常的表现形式为表面材料的蚀除7-8。目前，冲蚀磨损广泛存在于机械、冶金、能源、化工、水力发电和航天等工业中，是造成机器设备及其零部件损坏失效的重要原因之一例。针对上述情况，运用CFD软
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中国石化胜利油田分公司石油工程技市研究院 14
“中国石油大学（华东）机电工程学院
油气田地面工程httpu/wwwyqtdmgc.com