压裂液流速差对井口八通注入头冲蚀磨损影响_邹凤彬

２０１６年 第４５卷 第７期 第１３页
石油矿场机械 ＯＩＬ ＦＩＥＬＤ ＥＱＵＩＰＭＥＮＴ
２０１６，４５（７）：１３－１９

文 章 编 号 ：１００１－３４８２（２０１６）０７－００１３－０７
压裂液流速差对井口八通注入头冲蚀磨损影响
“井 工 厂 ”拉 链 式 压 裂 技 术 可 以 提 高 页 岩 气 的 开 发效率，降低作 业 成 本。２０１４－０３－０９，我 国 首 次 采 用
多井同步拉链式压 裂 技 术，成 功 对 四 川 宜 宾 地 区 的 ４口页岩气井进行压裂施工。该技术是目前世界上
① 收稿日期：２０１６－０１－０８ 基金项目：国家自然科学基金项目“气体钻 井 钻 具 与 井 壁 碰 摩 机 理 及 量 化 评 价 方 法 研 究 ”资 助 （Ｎｏ．５０８０４０４０）；石 油 天 然 气 装 备 教 育 部 重 点 实 验 室 项 目 （ＯＧＥ２０１４０３－１７） 作 者 简 介 ：邹 凤 彬 （１９９０－），男 ，山 东 日 照 人 ，硕 士 研 究 生 ，主 要 从 事 油 气 田 地 面 工 程 技 术 研 究 ，Ｅ－ｍａｉｌ：１２０７８９３９６０＠ｑｑ．ｃｏｍ。
法进行求解器的离散。
２．１ 控 制 方 程 压裂 液 流 体 的 流 动 遵 循 质 量 守 恒 定 律、动 量 守
恒 定 律 、能 量 守 恒 定 律 等 物 理 守 恒 定 律 ，根 据 上 述 守
ａ 几 何 模 型
恒定律并结合牛 顿 第 二 定 律 （以 Ｎａｖｉｅ－Ｓｔｏｋｅｓ方 程 表示），可 以 推 得 八 通 注 入 头 内 压 裂 液 流 体 的 控 制 方 程 。 ［１４］
２．２ 湍 流 模 型 标准κ－ε 两方程模型为：
［ ］ （ρｔκ）＋Δ·（ρＵκ）＝Δ· μ＋σμｋｔΔκ ＋ｐκ－ρε（５）
５ 数 值 模 拟 结 果 分 析
首先对注入管线中压裂液流体在有流速差与无 流速差情况下，井口 八 通 注 入 头 的 最 大 冲 蚀 速 率 进 行分析，得出注入管 线 有 流 速 差 时 井 口 八 通 注 入 头 最大冲蚀速率较大 的 结 论，进 而 提 出 通 过 将 ６ 根 注 入管线连通的方案 来 降 低 流 速 差，以 降 低 井 口 八 通 注入头的冲蚀速率。 ５．１ 流 速 差 对 井 口 八 通 注 入 头 冲 蚀 磨 损 的 影 响
ρｔＵ＋Δ·（ρＵ×Ｕ）－Δ·（μｅｆｆΔＵ）＝ －Δｐ′＋Δ·（μｅｆｆΔＵ）Ｔ
能量方程 （ｐｈｔｔｏｔ）－ｐｔ＋Δ·（ρＵｈｔｏｔ）＝
Δ·（λΔＴ）＋Δ·（Ｕ·τ）＋Ｕ·ＳＭ ＋ＳＥ 状态方程
ｐ＋ｐａｔｍ ＝ρＲＴ
（２）
（３） （４）
第４５卷 第７期 邹凤彬，等：压裂液流速差对井口八通注入头冲蚀磨损影６年７月

较先进的页岩气“工 厂 化”压 裂 技 术，理 论 上 能 使 施 工效率提高１倍以上 。 ［１－５］ 在施工过程中，井 口 注 入 头在多根注入管线 内 高 速 压 裂 液 的 冲 刷 作 用 下，极
连续方程
动量方程
ρｔ＋Δ·（ρＵ）＝０
（１）
ｂ 流 道 抽 取 几 何 模 型 图 １ 井 口 八 通 注 入 头 几 何 模 型 及 流 道 抽 取 几 何 模 型
运用 Ｇａｍｂｉｔ六面体网格进行井口八通注 入 头 流道抽取模型的网 格 划 分，并 在 近 壁 面 设 置 适 当 的 边界层，以保证 近 壁 面 数 值 模 拟 的 准 确 性。 网 格 划 分模型如图２所示。
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｆｏｒ ｓｈａｌｅ ｇａｓ“ｗｅｌｌｓ ｆａｃｔｏｒｙ”ｚｉｐｐｅｒ ｆｒａｃｔｕｒｉｎｇ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｏｆ ｈｉｇｈ ｐｒｅｓｓｕｒｅ，ｌａｒｇｅ ｄｉｓ－ ｐｌａｃｅｍｅｎｔ，ｗｅｌｌｈｅａｄ ｅｉｇｈｔ－ｗａｙ ｉｎｊｅｃｔｏｒ ｈｅａｄ ｈａｓ ｓｉｘ ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ ｐｉｐｅｌｉｎｅｓ，ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ａｃｔｉｏｎ ｏｆ ｈｉｇｈ－ ｓｐｅｅｄ ｆｒａｃｔｕｒｉｎｇ ｆｌｕｉｄ ｉｓ ｕｓｅｄ ｔｏ ｓｅｎｄ ｓｅｖｅｒｅ ｅｒｏｓｉｏｎ ｗｅａｒ．Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｌｉｑｕｉｄ－ｓｏｌｉｄ ｔｗｏ－ｐｈａｓｅ ｆｌｏｗ ｄｙｎａｍｉｃｓ ａｎｄ ｅｒｏｓｉｏｎ ｔｈｅｏｒｙ，ｔｈｅ ｗｅｌｌｈｅａｄ ｅｉｇｈｔ－ｗａｙ ｉｎｊｅｃｔｏｒ ｈｅａｄ ｅｒｏｓｉｏｎ ｗｅａｒ ｍｏｄｅｌ ｉｓ ｅｓｔａｂ－ ｌｉｓｈｅｄ，Ｔｈｅｎ ｔｈｉｓ ｍｏｄｅｌ ｗａｓ ａｐｐｌｉｅｄ ｔｏ ｓｔｕｄｙ ｈｏｗ ｔｈｅ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｃｏｎｔｒａｓｔ ｅｆｆｅｃｔ ｔｈｅ ｅｒｏｓｉｏｎ ｗｅａｒ ｏｆ ｗｅｌｌｈｅａｄ ｅｉｇｈｔ－ｗａｙ ｉｎｊｅｃｔｏｒ ｈｅａｄ ｏｆ ｓｈａｌｅ ｇａｓ ｆｒａｃｔｕｒｅ．Ｔｈｅ ｓｔｕｄｉｅｓ ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｍａｘｉ－ ｍｕｍ ｒａｔｅ ｏｆ ｗｅｌｌｈｅａｄ ｅｉｇｈｔ－ｗａｙ ｉｎｊｅｃｔｏｒ ｈｅａｄ ｅｒｏｓｉｏｎ ｏｃｃｕｒｒｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ａｒｅａ ｗｈｅｒｅ ｔｈｅ ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ ｐｉｐｅｌｉｎｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ ｈｅａｄ ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ ｔｏ ｔｈｅ ｍａｉｎ ｌｉｎｅ；ｗｉｔｈｉｎ ａ ｃｅｒｔａｉｎ ｒａｎｇｅ，ｔｈｅ ｇｒｅａｔｅｒ ｔｈｅ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｃｏｎｔｒａｓｔ，ｔｈｅ ｇｒｅａｔｅｒ ｔｈｅ ｅｒｏｓｉｏｎ ｒａｔｅ ｏｆ ｗｅｌｌｈｅａｄ ｅｉｇｈｔ－ｗａｙ ｉｎｊｅｃｔｏｒ ｈｅａｄ，ｃａｎ ｂｙ ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ ｐｉｐｅｌｉｎｅ ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ ｔｏ ｒｅｄｕｃｅ ｔｈｅ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｃｏｎｔｒａｓｔ，ｔｏ ａｃｈｉｅｖｅ ｔｈｅ ｐｕｒｐｏｓｅ ｏｆ ｒｅｄｕｃｉｎｇ ｔｈｅ ｅｒｏｓｉｏｎ ｒａｔｅ ｏｆ ｗｅｌｌｈｅａｄ ｅｉｇｈｔ－ｗａｙ ｉｎｊｅｃｔｏｒ ｈｅａｄ．Ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｒｅｓｕｌｔｓ ｐｒｏｖｉｄｅ ａ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｆｏｒ ｒｅｄｕｃｉｎｇ ｔｈｅ ｅｒｏｓｉｏｎ ｗｅａｒ ｏｆ ｔｈｅ ｗｅｌｌｈｅａｄ ｅｉｇｈｔ－ｗａｙ ｉｎｊｅｃｔｏｒ ｈｅａｄ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｈａｌｅ ｇａｓ；ｚｉｐｐｅｒ ｆｒａｃｔｕｒｉｎｇ；ｉｎｊｅｃｔｏｒ ｈｅａｄ；ｅｒｏｓｉｏｎ ｗｅａｒ；ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ
Ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ Ｆｒａｃｔｕｒｉｎｇ Ｆｌｕｉｄ Ｖｅｌｏｃｉｔｙ Ｃｏｎｔｒａｓｔ ｏｎ ｔｈｅ Ｅｒｏｓｉｏｎ Ｗｅａｒ ｏｆ Ｗｅｌｌｈｅａｄ Ｅｉｇｈｔ－ｗａｙ Ｉｎｊｅｃｔｏｒ Ｈｅａｄ
ＺＯＵ Ｆｅｎｇｂｉｎ１，ＱＩＵ Ｙａｌｉｎｇ１，ＺＵ Ｂａｏｈｕａ２
（１．Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｏｕｔｈｗｅｓｔ Ｐｅｔｒｏｌｅｕｍ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｅｎｇｄｕ６１０５００，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｎｏ．１ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ Ｃｏｍｐａｎｙ，Ｃｈｉｎａ Ｐｅｔｒｏｌｅｕｍ Ｐｉｐｅｌｉｎｅ Ｂｕｒｅａｕ，Ｌａｎｇｆａｎｇ０６５０００，Ｃｈｉｎａ）
· １５ ·

式中：ρ为密度，ｋｇ／ｍ２；ｔ为时间，ｓ；Ｕ 为流 体 速 度 矢 量，ｍ／ｓ；μｅｆｆ为 等 效 黏 度，Ｐａ·ｓ；ｐ′为 修 正 压 强，Ｐａ； ｈｔｏｔ为 总 焓，Ｊ／ｍｏｌ；ｐ 为 静 压 力，Ｐａ；λ 为 导 热 系 数， Ｗ／（ｍ·ｋ）；Ｔ 为 绝 对 温 度，Ｋ；τ 为 应 力，Ｐａ；ＳＭ 为 动量 源，Ｗ／ｍ３；ＳＥ 为 能 量 源，Ｗ／ｍ３；ｐａｔｍ 为 大 气 压 力，Ｐａ；Ｒ 为普适气体常数。
易发生冲蚀磨损。 由 于 泵 车 激 振，地 面 高 压 管 线 布
局 的 复 杂 性 ，多 根 管 线 之 间 存 在 流 速 差 ，将 会 增 加 注
入管线在井口注入头部分汇聚时的流场不稳定性，
加速注入头的冲 蚀 磨 损。 严 重 的 情 况 下，井 口 注 入 头 将 会 发 生 刺 穿 和 破 裂 ，威 胁 现 场 施 工 人 员 的 安 全 ， 增加施工成本和周期。国内外学者在钻井工艺参数
１ 几 何 模 型 建 立 及 网 格 划 分
选 取 页 岩 气 开 发 “井 工 厂 ”拉 链 式 压 裂 施 工 过 程 中普遍使用的井口八通注入头进行研究。井口八通 注入头极限工作压 力 为 １４０ ＭＰａ，注 入 头 主 管 线 内 径 １３０ ｍｍ，注 入 管 线 内 径 ７０ ｍｍ，注 入 头 上 下 两 端 面距离８４０ ｍｍ，注 入 管 线 轴 线 与 注 入 头 主 管 线 轴 线夹角为４５°。井口八 通 注 入 头 的 几 何 模 型 及 流 道 抽取模型如图１所示。
将６根注 入 管 线 分 为 ２ 组，假 设 其 中 １、３、５ 为
［ ］ （ρｔε）＋Δ·（ρＵε）＝Δ· μ＋σμεｔΔε ＋
ａ 整 体 网 格 划 分
对井口 注 入 头 冲 蚀 磨 损 的 影 响 进 行 了 大 量 的 研 究［６－８］，但对于流速差对井口注入头冲蚀磨损 的 影 响 研 究 较 少 。 本 文 基 于 液 －固 两 相 流 模 型 和 冲 蚀 理 论 ， 建立井口注入头冲 蚀 模 型，并 利 用 该 模 型 研 究 了 流 速差对井口注入头 冲 蚀 速 率 的 影 响，研 究 结 果 为 减 少井口注入头的冲蚀磨损提供了一定的参考。
ｂ 端 面 网 格 划 分 图 ２ 井 口 八 通 注 入 头 网 格 划 分 模 型
２ 三 维 紊 流 流 场 数 值 模 型
在井 口 八 通 注 入 头 内 部，压 裂 液 的 流 动 是 复 杂 的 液－固 两 相 流 三 维 紊 流 问 题 。 ［９－１１］ 选 用 Ｆｌｕｅｎｔ ＤＰＭ 模型进 行 八 通 注 入 头 流 场 的 数 值 模 拟［１２］，忽 略离散相之间的相 互 作 用，在 Ｅｕｌｅｒｉａｎ 坐 标 系 下 求 解连续相流体流场，通过 Ｌａｇｒａｎｇｉａｎ坐 标 系 下 的 离 散相固体颗粒作用力微分方程求解固体颗粒运动轨 迹方程。湍流模型选用标 准 模 型［１３］，运 用 有 限 体 积