CN108829902B - 一种用于管柱水力压裂冲蚀损伤的评估方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于管柱水力压裂冲蚀损伤的评估方法，对现场井筒套管内高压多相流冲蚀挂片进行校准，获得冲蚀数据；将上述冲蚀数据导入对应冲蚀模型进行多相流动与冲蚀损伤耦合计算，获得现场井筒套管内多相流动与冲蚀损伤危险点数据，进行管柱压裂冲蚀损伤风险分析。本发明可以通过对类似工况条件下的井筒压裂过程的挂片冲蚀分析结果对冲蚀模型进行校验，并不需要长期挂片实验；此外通过对不同工况及井眼轨迹的井筒套管内的流动及冲蚀耦合计算可以对井筒套管不同位置进行详细分析，找出损伤危险点，为井筒套管冲蚀损伤风险分析提供有力的基础数据。
Description
技术领域
本发明涉及油气井勘探领域，尤其涉及一种用于管柱水力压裂冲蚀损伤的评估方法。
背景技术
油气井管柱是石油和天然气开采作业中的必需设备，是指采用特定螺纹连接不同管径和壁厚的钢管而形成的承担不同功效的管线，主要包括钻柱、套管柱、油管柱。随着深层油气资源的勘探开发，深井、超深井、大斜度井、定向井、大位移井、水平井比例增大已成为必然趋势，油气井管柱所处的工作环境也急剧恶化，尤其是高温、高压、高产井等三高油气井，油气井管柱不可避免地出现各种损伤，造成人力、物力和财力的巨大损失。油气井管柱的安全使用寿命，直接影响到油气资源的开采进程。套管在水泥环的包裹下能有效地防止井壁坍塌、保护井眼，还能保证不同压力的油、气、水层互不流窜以便于分层压裂操作，封固漏失层，形成坚固的井筒，作为油气输运的通道，对油气田的正常生产至关重要。
为了实现油气田开发目标，在油气田生产过程中，常需要采取一系列增产增注措施来提高油气井产量及保证注入井达到注入量要求。高压注水、大型压裂、酸化处理等增产措施的不断实施，使套管柱的工作环境日益恶化。油气资源开采的过程中，加砂压裂、水力喷砂射孔等储层改造措施，套管不可避免地受到携砂液屮的固体颗粒的冲蚀。
水力压裂过程中，井筒套管内为压裂液携砂的多相管流状态，固相容易造成对套管壁面的冲蚀危害。液固两相流中的颗粒冲蚀是指微小而松散的流动粒子在流体的携带作用下以一定的速度和角度对靶材进行冲击导致壁面材料耗损的现象，冲蚀损伤逐步累积以致在漫长的潜伏期后形成破坏。水力加砂压裂增产增注措施中，高速注入的压裂液，特别是支撑剂固体颗粒会对井口控制设备和井下套柱组件壁面产生不同程度的冲蚀磨损，油田注水作业中，携砂液中的固体颗粒也会对套管壁面产生一些冲蚀损伤。压裂施工管汇中的压力高达几十兆帕到上百兆帕，在管柱发生屈曲变形情况下冲蚀作用更加突出，一旦因冲蚀破坏导致刺漏、破裂失效将严重威胁油气生产和作业人员的安全。
传统压裂管柱设计将流体对管柱的作用简化为摩擦阻力施加在管柱上来校核管柱强度，实现对管柱及接头尺寸的优化设计，忽略了压裂管柱内部流态及冲刷磨损对结构的影响。随着井深、施工排量和加砂量的不断增加，井下的压力不断的提高，流体和砂对管柱的冲刷磨损越来越严重，在管柱的连接和变截面处此类现象尤为突出，这直接导致施工不能正常进行或根本无法施工，造成施工失败和原材料的浪费，严重制约了水力压裂技术的发展。压裂施工过程中管柱的冲刷磨损现象已经成为压裂施工的瓶颈，其内部流态的复杂性，高排量，以及压裂液组分中的高砂量是产生冲刷磨损的重要原因。因此，应用计算流体力学理论和材料冲刷磨损理论，研究压裂管柱内部流场分布规律，固液两相流动特性及冲刷磨损机理，综合考虑各种因素深入研究管柱破坏机理，不仅可以为压裂管柱的优化设计提供有效的理论依据，也对推动压裂管柱的进一步发展，延长其使用寿命，提高水力压裂施工的成功率，降低作业施工成本具有重要意义，并具有良好的经济效益和应用前景。
目前对于管柱内携砂压裂液对套管内壁流动冲蚀损伤的研究仅仅依靠常低压下的流动冲蚀实验或静态高压管柱力学性能实验来佐证压裂液流动冲蚀损伤所造成的管柱失效风险问题。但是对于诸如页岩气等低产井所采用的多段水力压裂增产技术来说，管柱是否能承受多次高压环境下的携砂流体的高速冲击而保持原有力学性能，并使其能为油气开采过程中一直保持稳定支撑结构，对于管柱结构在不同水力压力工况条件下的冲蚀损伤风险评价，保证其长期服役变得尤为重要。
实际上，井眼轨迹是沿着地层结构在钻进过程中形成的大曲率的多弯折曲线，尤其对于页岩气井，使用人工造斜水平井的多段水力压裂增产技术，井眼轨迹的大曲率弯折势必引起携砂流体在井筒套管内壁面的导向流动，促使砂粒与流体相产生滑脱与壁面相冲，形成磨削作用，长时间高压条件下势必会造成局部的壁面的严重冲蚀损伤。但仅依靠常低压条件下的流动冲蚀实验或静止状态下套管内的高压实验难以再现井下高压高流速对套管壁面造成的损伤问题。难以对水力压裂增产工艺的设置带来的冲蚀损伤进行充分的预评估，从而有利的指导工程实际生产作业。现有技术仅通过实验无法对全部井筒套管进行分析；而且所需时间较长，同时对不同井筒均需进行挂片实验。因此非常有必要开发一套水力压裂中井下管柱套管柱冲蚀损伤失效的评价方法，结合目前井下冲蚀挂片实验和管柱内高压携砂流体多相流动及冲蚀过程的数值模拟分析建立准确的数学模型来指导实际水力压裂生产及套管冲蚀损伤危险分析，为水力压裂增产技术的顺利进行提供理论保障。
发明内容
鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种用于管柱水力压裂冲蚀损伤的评估方法，以模拟真实水力压力油气井管柱内高压多相流动的工况条件，定量预测其管柱失效状况。
为解决上述技术问题，本发明方案包括：
一种用于管柱水力压裂冲蚀损伤的评估方法，其包括以下步骤：
A、对现场井筒套管内高压多相流冲蚀挂片进行校准，获得冲蚀数据；
B、将上述冲蚀数据导入对应冲蚀模型进行多相流动与冲蚀损伤耦合计算，获得现场井筒套管内多相流动与冲蚀损伤危险点数据，进行管柱压裂冲蚀损伤风险分析。
所述的评估方法，其中，上述步骤A具体的包括：
A1、依据现场井筒套管的材质类型进行管柱套管内挂片流动冲蚀损伤实验，获得该现场井筒套管之水力压裂高压多相流动冲蚀条件下的冲蚀损伤速率及冲蚀形貌，作为基础数据；
A2、通过以往管柱套管的损伤或失效情况计算该现场井筒套管水力压裂高压多相流条件下的冲蚀损伤速率；
A3、根据该现场井筒套管材料选用不同的冲击角影响函数；
A4、采用管柱内高压多相流模型、可压缩流体修正模型、修正的冲蚀模型对真实压裂工况条件下井筒套管进行流动与冲蚀耦合计算，把计算结果与步骤A1或步骤A2中获得的冲蚀损伤速率进行对比，校验对应冲蚀模型，修正系数，确定对应冲蚀模型中相对参量数值。
所述的评估方法，其中，上述步骤B具体的包括：
B1、根据现场井筒套管数据及井眼轨迹数据，建立全尺寸三维几何模型；
B2、根据实际水力压裂工艺确定压裂液、压裂砂以及套管材料，确定可压缩流体物性变化函数；
B3、根据步骤B1与步骤B2的信息进行套管内高压多相流动数值模拟计算，获取流场内各种场量信息；
B4、基于先期建立不同材料的冲击角影响函数选用对应的冲蚀模型进行多相流动与冲蚀损伤耦合计算；
B5、采用套管内挂片数据与冲蚀损伤数值计算结果进行对比，校验模型，并重复进行流动与耦合计算，直至数值模拟计算结果与实验挂片冲蚀损伤速率等同，完成模型校验；
B6、多种压裂工况条件下流动与冲蚀多次耦合叠加计算分析，获得井筒套管内多相流冲蚀损伤危险点数据，并建立数据分析结果
B7、根据步骤B6中的分析结果及现场井筒造斜弯肘处几何半径、入弯角、弯心数据，进行井筒造斜弯肘处冲蚀损伤规律分析，建立冲蚀损伤随入弯角度变化函数，并依据冲蚀损伤函数进行管柱压裂冲蚀损伤风险分析。
所述的评估方法，其中，上述步骤B3中流场内各种场量信息包括：流速、颗粒浓度、压力与温度。
本发明提供的一种用于管柱水力压裂冲蚀损伤的评估方法，针对目前管柱水力压裂多相流冲蚀研究存在的不足，适合于油气井开发水力压裂工艺时，携砂流体在套管内流动参数及壁面冲蚀损伤规律的分析及冲蚀失效预测及工业应用推广等完整的研究体系；能模拟真实水力压力油气井管柱内高压多相流动的工况条件，定量预测其管柱失效状况；本发明可以通过对类似工况条件下的井筒压裂过程的挂片冲蚀分析结果对冲蚀模型进行校验，并不需要长期挂片实验；此外通过对不同工况及井眼轨迹的井筒套管内的流动及冲蚀耦合计算可以对井筒套管不同位置进行详细分析，找出损伤危险点，为井筒套管冲蚀损伤风险分析提供有力的基础数据。
附图说明
图1为本发明中井筒套管的结构示意图；
图2为本发明中评估方法的流程示意图。
具体实施方式
本发明提供了一种用于管柱水力压裂冲蚀损伤的评估方法，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提供了一种用于管柱水力压裂冲蚀损伤的评估方法，如图2所示的，其包括以下步骤：
步骤A，对现场井筒套管内高压多相流冲蚀挂片进行校准，获得冲蚀数据；
步骤B，将上述冲蚀数据导入对应冲蚀模型进行多相流动与冲蚀损伤耦合计算，获得现场井筒套管内多相流动与冲蚀损伤危险点数据，进行管柱压裂冲蚀损伤风险分析。
更进一步的，上述步骤A具体的包括：
步骤A1，依据现场井筒套管的材质类型进行管柱套管内挂片流动冲蚀损伤实验，获得该现场井筒套管之水力压裂高压多相流动冲蚀条件下的冲蚀损伤速率及冲蚀形貌，作为基础数据；
步骤A2，通过以往管柱套管的损伤或失效情况计算该现场井筒套管水力压裂高压多相流条件下的冲蚀损伤速率；
步骤A3，根据该现场井筒套管材料选用不同的冲击角影响函数；
步骤A4，采用管柱内高压多相流模型、可压缩流体修正模型、修正的冲蚀模型对真实压裂工况条件下井筒套管进行流动与冲蚀耦合计算，把计算结果与步骤A1或步骤A2中获得的冲蚀损伤速率进行对比，校验对应冲蚀模型，修正系数，确定对应冲蚀模型中相对参量数值。
在本发明的另一较佳实施例中，上述步骤B具体的包括：
步骤B1，根据现场井筒套管数据及井眼轨迹数据，建立全尺寸三维几何模型；
步骤B2，根据实际水力压裂工艺确定压裂液、压裂砂以及套管材料，确定可压缩流体物性变化函数；
步骤B3，根据步骤B1与步骤B2的信息进行套管内高压多相流动数值模拟计算，获取流场内各种场量信息；
步骤B4，基于先期建立不同材料的冲击角影响函数选用对应的冲蚀模型进行多相流动与冲蚀损伤耦合计算；
步骤B5，采用套管内挂片数据与冲蚀损伤数值计算结果进行对比，校验模型，并重复进行流动与耦合计算，直至数值模拟计算结果与实验挂片冲蚀损伤速率等同，完成模型校验；
步骤B6，多种压裂工况条件下流动与冲蚀多次耦合叠加计算分析，获得井筒套管内多相流冲蚀损伤危险点数据，并建立数据分析结果
步骤B7，根据步骤B6中的分析结果及现场井筒造斜弯肘处几何半径、入弯角、弯心数据，进行井筒造斜弯肘处冲蚀损伤规律分析，建立冲蚀损伤随入弯角度变化函数，并依据冲蚀损伤函数进行管柱压裂冲蚀损伤风险分析。
而且上述步骤B3中流场内各种场量信息包括：流速、颗粒浓度、压力与温度。
为了更进一步描述本发明，以下列举更为详尽的实施例进行说明。
一、管柱套管内高压多相流冲蚀挂片校准实验：
1、依据实际井筒套管材质类型进行管柱套管内挂片流动冲蚀损伤实验，获得该材料在一般水力压裂高压多相流动冲蚀条件下的冲蚀速率及冲蚀形貌分析作为基础数据；
2、通过以往管柱套管损伤或失效情况计算该井筒套管材料水力压裂高压多相流条件下的冲蚀损伤速率；
3、根据井筒套管材料选用不同的冲击角影响函数；
4、采用管柱内高压多相流模型、可压缩流体修正模型、修正的冲蚀模型对真实压裂工况条件下井筒套管内进行流动与冲蚀耦合计算，把计算结果与1或2步骤中获得的冲蚀损伤速率进行对比，校验模型，修正系数，确定对应冲蚀模型中相对参量数值。
二、真实水力压裂工况条件下多相流与固壁冲蚀耦合计算分析：
1、根据图1所示井筒套管示意图及井眼轨迹数据，建立全尺寸三维几何模型；
2、根据实际水力压裂工艺确定压裂液、压裂砂、套管材料等基本物性，确定可压缩流体物性变化函数；
3、进行套管内高压多相流动数值模拟计算；
4、获取流场内各种场量信息，包括流速、颗粒浓度、压力、温度等场量信息；
5、基于先期建立不同材料的冲击角影响函数选用对应的冲蚀模型进行多相流动与冲蚀损伤耦合计算；
6、采用套管内挂片数据与冲蚀损伤数值计算结果进行对比，校验模型，并重复进行流动与耦合计算，直至数值模拟计算结果与实验挂片冲蚀速率等同，完成对应冲蚀模型校验；
7、多种压裂工况条件下流动与冲蚀多次耦合叠加计算分析；
8、获得井筒套管内多相流冲蚀损伤危险点数据，并建立数据分析结果，依据井筒造斜弯肘处几何半径、入弯角、弯心等数据，进行井筒造斜弯肘处冲蚀损伤规律分析，建立冲蚀损伤随入弯角度变化函数，并依据冲蚀损伤函数进行管柱压裂冲蚀损伤风险分析。
当然，以上说明仅仅为本发明的较佳实施例，本发明并不限于列举上述实施例，应当说明的是，任何熟悉本领域的技术人员在本说明书的教导下，所做出的所有等同替代、明显变形形式，均落在本说明书的实质范围之内，理应受到本发明的保护。
Claims (2)
1.一种用于管柱水力压裂冲蚀损伤的评估方法，其包括以下步骤：
A、对现场井筒套管内高压多相流冲蚀挂片进行校准，获得冲蚀数据；
步骤A具体的包括：
A1、依据现场井筒套管的材质类型进行管柱套管内挂片流动冲蚀损伤实验，获得该现场井筒套管之水力压裂高压多相流动冲蚀条件下的冲蚀损伤速率及冲蚀形貌，作为基础数据；
A2、通过以往管柱套管的损伤或失效情况计算该现场井筒套管水力压裂高压多相流条件下的冲蚀损伤速率；
A3、根据该现场井筒套管材料选用不同的冲击角影响函数；
A4、采用管柱内高压多相流模型、可压缩流体修正模型、修正的冲蚀模型对真实压裂工况条件下井筒套管进行流动与冲蚀耦合计算，把计算结果与步骤A1或步骤A2中获得的冲蚀损伤速率进行对比，校验对应冲蚀模型，修正系数，确定对应冲蚀模型中相对参量数值；
B、将上述冲蚀数据导入对应冲蚀模型进行多相流动与冲蚀损伤耦合计算，获得现场井筒套管内多相流动与冲蚀损伤危险点数据，进行管柱压裂冲蚀损伤风险分析；
步骤B具体的包括：
B1、根据现场井筒套管数据及井眼轨迹数据，建立全尺寸三维几何模型；
B2、根据实际水力压裂工艺确定压裂液、压裂砂以及套管材料，确定可压缩流体物性变化函数；
B3、根据步骤B1与步骤B2的信息进行套管内高压多相流动数值模拟计算，获取流场内各种场量信息；
B4、基于先期建立不同材料的冲击角影响函数选用对应的冲蚀模型进行多相流动与冲蚀损伤耦合计算；
B5、采用套管内挂片数据与冲蚀损伤数值计算结果进行对比，校验模型，并重复进行流动与耦合计算，直至数值模拟计算结果与实验挂片冲蚀损伤速率等同，完成模型校验；
B6、多种压裂工况条件下流动与冲蚀多次耦合叠加计算分析，获得井筒套管内多相流冲蚀损伤危险点数据，并建立数据分析结果；
B7、根据步骤B6中的分析结果及现场井筒造斜弯肘处几何半径、入弯角、弯心数据，进行井筒造斜弯肘处冲蚀损伤规律分析，建立冲蚀损伤随入弯角度变化函数，并依据冲蚀损伤函数进行管柱压裂冲蚀损伤风险分析。
2.根据权利要求1所述的评估方法，其特征在于，上述步骤B3中流场内各种场量信息包括：流速、颗粒浓度、压力与温度。
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