基于DDPM的水力压裂套管孔眼冲蚀预测

水平井多簇水力压裂过程射孔孔眼冲蚀严重,给射孔段套管的强度安全性造成了一定威胁,准确实时对孔眼冲蚀进行预测已经成为压裂施工中亟待解决的问题。基于液固两相流流动,考虑实际工程应用中的孔眼高流速、高砂质量分数情况,对孔眼冲蚀速率进行模拟。模拟结果表明:不同流速时,孔眼冲蚀速率成指数增长。随着颗粒粒径的增加,孔眼冲蚀速率先减小后增加,颗粒粒径在0.45 mm附近存在一个临界值,可使孔眼的冲蚀速率最低。随着砂质量分数的增大,孔眼的冲蚀速率先增加后降低,砂质量分数在10%左右时,孔眼的冲蚀磨损最为严重。在本文模拟中孔眼冲蚀最严重工况下,10 mm的压裂射孔套管,压裂约15 h孔眼发生扩径。建议现场进行压裂作业时,应尽量保证砂子直径在0.45 mm左右以及避免砂质量分数在10%,可降低孔眼的冲蚀磨损情况。

气举柱塞波浪形紊流槽流动性能强化研究

作为柱塞气举关键部件,柱塞外壁机械密封槽尺寸与排列对动态举升效果的影响明显,波浪形紊流槽结构或使环空密封性能产生较大提升,因此,通过间隙非稳态两相流数值计算方法以获取波浪形紊流槽结构对流动湍流强度的影响,进而研究波浪形紊流槽的幅值和周期两种结构参数对密封效果的影响。结果表明:新型波浪形紊流槽结构的湍流强度比原平直结构的提高了约29.91%。随着柱塞波浪形凹槽周期的逐渐降低及幅值的逐渐增大,气相在同一时间下突破柱塞到达柱塞上方的高度逐渐降低,但液相通过环空间隙泄漏至柱塞下方的现象也越来越明显,幅值和周期取值过大或过小会引起密封性能降低。

全金属可溶桥塞异形接触结构密封特性

全金属可溶桥塞作为一种新型压裂工具,其密封结构是影响压裂效率的关键因素。为探究不同密封环结构对密封特性的影响,建立单槽形、椭圆形、双槽形、双曲形4种金属密封环结构的数值模型,利用有限元法,对密封环径向变形特征、密封性能进行分析,以及考虑双曲形结构表面粗糙度对密封接触面积、接触应力、接触面近场应力分布的影响。研究结果表明:随着锥体轴向位移量增加,4种密封环径向变形始终与锥体轴向位移量呈正相关规律,密封环最大、最小径向变形分别位于厚度较大外圆侧、厚度较小外圆侧;复杂接触面可以强化密封环的密封性能,在同样锥体轴向位移量下,双曲形密封环结构密封性能为最好,椭圆形密封环结构性能最差;考虑切向摩擦力时,摩擦因数越大,接触面近场Mises应力沿摩擦力方向发生偏移越明显。所得结论可为井下全金属可溶桥塞密封环的结构优选提供参考。

小型动态极化腐蚀监测系统设计

针对小尺寸管道壁面腐蚀快速监测,设计了一种小型低功耗腐蚀电流测试系统。基于电化学动态极化法设计三电极测试传感器,主控芯片采用STM32103单片机,进行监测、采集、变送模块化设计。集成电压扫描电路、恒电位电路、微电流监测、液晶显示等模块。通过监测系统仿真分析和实际硬件电路的在线测试,证明了研发的小型电化学系统的可靠性和适用性。在恒电位测试电路的基础上,对工作电极和参比电极回路施加10 mV/s恒定速率变化的电势差,形成固定频率动电位扫描,获得了P110管材表面的电压-电流关系图,并通过拟合得到极化曲线。由于体积小、功耗低,该系统可以安装于小尺寸管内在线监测仪器中,用于长期的腐蚀监测。

氢氟酸浓度对钛合金油管的疲劳行为的影响

基于Zr-Mo系钛合金(0.6Zr3Mo)油井管在服役过程中因工作环境而导致的疲劳断裂问题,通过应力加载的方式研究了钛合金在不同浓度氢氟酸环境与实验室环境下的疲劳性能,并对其进行比较。结果表明:在70%σs应力幅作用下钛合金在有无腐蚀环境下均呈现循环软化特性;氢氟酸溶液促进了钛合金疲劳裂纹形核并加速了疲劳裂纹扩展速率,缩短了钛合金的疲劳寿命,并且疲劳寿命随腐蚀液浓度的增加呈下降趋势;氢氟酸浓度对钛合金的裂纹扩展方式具有一定影响,在实验室环境下钛合金裂纹扩展主要为周期性解理;在低浓度氢氟酸环境下由于氢氟酸腐蚀形成的二次裂纹容易诱发解理面的形成,裂纹扩展仍以解理的方式扩展;而在高浓度氢氟酸环境下裂纹的扩展方式有所改变,裂纹在韧性区扩展程度增加,以解理形式扩展的程度有所下降。

连续油管作业的数字孪生及其下入性

连续油管是油气行业的重要工具,实际作业下入过程的存在与传动理论分析结果差异较大,倒是现场作业面临多次下入,造成连续油管的安全隐患。针对其下入性问题,提出了连续油管的数字化模型,建立了下入过程的接触状态算法、载荷分析物理模型,对下入的全过程进行同步孪生,实现了对下入连续油管实时计算的管柱承载状态与强度校核,以及对连续油管下入性的全过程分析。结果表明:连续油管下入过程中的接触状态随下入深度实时变化,管径比和摩擦系数是下入过程自锁判定的显著影响因素。本研究所提出的分析方法可有效服务于连续油管现场作业以及实时作业安全评估,并为连续油管的使用寿命分析提供重要依据。

API油管接箍液固两相流体冲蚀数值模拟

采用射流试验得到了超级13Cr钢半经验预测模型,结合数值计算进行API油管接箍冲蚀模拟,得出了API油管接箍冲蚀速率分布规律。模拟结果表明,接箍凹槽内壁面冲蚀速率远小于油管内壁;最大冲蚀速率产生于直冲壁面;冲蚀速率随排量增加而增大,排量达到6 m^3/min时冲蚀速率出现极大值点;砂比40%时冲蚀影响最严重。

深井测试绳缆受力分析及工具串配重规律研究

深井和高难度复杂井投产前,需要进行试油测试,获取井下数据以指导后续生产。为适应深井的高温高压环境,通常采用绳缆悬挂测试技术进行试油测试施工。对深井测试作业过程中绳缆及工具串受力情况进行分析,建立绳缆受力模型。针对测试工具串入井、起出工况,考虑油管混合介质过流摩擦阻力,计算工具串所受的上顶力。结合绞盘盘根摩擦阻力和入井管壁摩擦力计算结果,得到工具串入井所需配重的计算方法,建立安全施工绳缆临界拉力计算模型。通过实例计算,分析井口压力变化时井下绳缆和工具串受力变化规律,讨论影响绳缆受力的主要因素,计算不同井口压力下工具串所需的配重。该方法的建立,为绳缆悬挂测试施工参数的选取,安全性评价提供参考。

含Cl^(-)多元流动热流体中油井管材的腐蚀特性

在高温高压反应釜中进行了含O_(2)、CO_(2)的多元热流体腐蚀试验,结合SEM、EDS和XRD测试,对腐蚀试样的微观形貌和反应机理进行了分析,研究了Cl^(-)浓度变化对J55(管材)的腐蚀影响。结果表明:在含氧多元热流体中,随着Cl-含量的升高,J55的腐蚀速率先增后减。当NaCl质量分数为1%时,J55的腐蚀速率最大。多元热流体含CO_(2)条件下,当Cl^(-)含量较低时,J55的腐蚀速率随着温度升高而减小;而当Cl^(-)含量较高时,J55的腐蚀速率随温度升高而增大,故存在临界Cl^(-)浓度。在含氧的氯离子腐蚀体系中,J55表现出O_(2)与Cl^(-)相互竞争的腐蚀特性,当Cl^(-)含量较低时,O_(2)在腐蚀反应的初始阶段起主要促进作用;当Cl^(-)含量较高时,Cl^(-)成为影响腐蚀速率的主要因素。

流动NaCl溶液中P110钢的电化学腐蚀行为

利用循环流动试验装置,进行了多点在线电化学腐蚀参数测量,分析了P110钢在流动NaCl溶液中的电化学腐蚀行为,讨论了流速和NaCl浓度对P110钢腐蚀行为的影响。结果表明:在流动的2%(质量分数)NaCl溶液中,随着流速的增大P110钢的腐蚀速率升高,该过程中腐蚀反应主要由阴极氧扩散和阳极溶解反应共同控制;在高流速NaCl溶液中,液体对壁面的剪切力和Cl^(-)共同作用破坏了腐蚀产物膜,导致Cl^(-)浓度升高后电荷传递电阻持续减小,腐蚀速率增大。

电厂四角切圆燃烧锅炉数值模拟

本文阐述了计算流体力学及数值传热学在电厂四角切圆燃烧锅炉数值模拟中的应用,介绍了计算流体力学数值模拟的基本过程,并对电厂锅炉数值模拟进行了展望。

产水气井临界携液和积液模型研究进展

中国气田随着逐年开发低压低产井越来越多,部分存在严重积液,排水采气工艺已在多区块广泛应用。明确各种排水采气工艺的适用性和工艺参数优化,都要以深入了解产水气井的携液和积液机理为基础。针对产水气井积液机理研究相关的气井临界携液和积液判别准则、临界携液流量沿井深分布、气井井筒内积液与积液预测模型和气井积液机理研究实验装置与方法进行了综述,并提出了目前该领域研究需要关注和待解决的问题是,产水气井内井筒气液两相管流和储层气液两相渗流的耦合。

多相高速流动环境中13Cr不锈钢冲刷腐蚀特性

以油井管13Cr不锈钢为研究对象,基于分离变量法控制实验参数,利用高速气固射流实验装置,测量冲刷速率;在2%NaCl射流液体中,测量材料表面电化学腐蚀速率;在2%NaCl液固两相流中,测量冲刷腐蚀速率。分别对3种实验中的试样进行表征,根据结果对材料冲刷与腐蚀间的相互作用进行讨论。结果表明随着溶液流速的增加,13Cr不锈钢的腐蚀速率增大,材料表面出现点蚀坑;颗粒冲刷速度的增大显著加速材料的损失,使材料表面出现片状划痕;在液固两相流动溶液中,冲刷速率远大于电化学腐蚀速率,并且两者相互促进,材料表面同时出现点蚀坑和片状划痕。

高温高压CO_(2)/O_(2)共存流体中N80钢腐蚀特性分析

在高温高压釜中进行CO_(2)和O_(2)共存流动液体环境中N80油管钢的腐蚀实验,采用失重法测量腐蚀速率,扫描电镜(SEM)和X射线衍射仪(XRD)测试腐蚀表面形貌和成分的方法,得到N80钢在流动多元热流体中的腐蚀规律与形貌特征。实验结果表明:在CO_(2)和O_(2)共存环境下,N80钢腐蚀以均匀腐蚀为主伴有部分局部腐蚀,腐蚀速率呈现随温度的升高先快速增大后缓慢减小的趋势;200℃时生成的腐蚀产物以碳酸亚铁和铁的氧化物为主,该腐蚀产物膜更为致密,腐蚀速率更小;在CO_(2)和O_(2)共存环境下相比于介质中仅含CO_(2)或O_(2)环境下N80钢的腐蚀程度更严重。

超级13Cr钢冲蚀数值模拟与试验研究

在油气田压裂等储层改造过程中,高速携砂液流动会使管柱壁面受到冲刷腐蚀影响,造成材料流失,威胁井筒安全。为此,结合数值模拟与喷射式冲蚀试验,分析超级13Cr不锈钢材料受冲刷腐蚀影响规律,利用DPM离散相模型追踪固体颗粒撞击材料表面的速度与角度,为研究不锈钢表面受撞击后的抗腐蚀特性提供流体力学参数。研究结果表明,不锈钢材料在含Cl-纯液相介质中能够生成钝化膜以保护基体材料;超级13Cr材料在流速9 m/s常温条件下流动水介质中,开路电位稳定,材料在高速流动液相中具有较强的抗腐蚀能力。当颗粒撞击超级13Cr材料表面后,材料表面钝化膜破裂致使新基体金属暴露于腐蚀介质,部分材料参与电化学反应,同时发生钝化反应与活化反应,而新钝化膜又会受到后续粒子撞击难以生成,材料表面松软且粗糙,由此造成超级13Cr不锈钢再钝化能力降低,抗腐蚀能力不足。研究结果可为油管失效评估及服役寿命预测提供理论依据。

砂比对20Cr钢冲蚀行为研究

本文利用自制的喷射式冲刷实验台,进行20Cr钢在液固两相流环境中的冲蚀实验研究,采用失重法分别对砂比进行了多组对比试重状态;结果表明:含砂量小于时,失重量逐渐增加,在25kg/m^3出现失重量的最大极值,此时石英砂撞击材料的表面几率明显增大,颗粒之间的相互碰撞作用也很小。随后随着含砂量增加,固相颗粒间的相互作用加强,失重量逐渐减小,逐渐达到一个稳定值。

功能化环氧树脂涂层的研究进展

冲刷腐蚀会导致金属管道材料流失和寿命缩短,影响生产管道的正常运行,而功能化的防腐蚀耐磨涂层能减缓腐蚀进而延长管道的使用寿命。介绍了常用环氧树脂基体涂层的发展、氧化石墨烯增强环氧树脂的防腐蚀性能、碳化硅等无机物增强涂层的耐磨性、碳纤维等增强涂层的增韧性等方面的研究进展,展望了环氧树脂涂料的发展趋势。

可调角度式水力喷射压裂喷枪设计与优化

由于某些油气储层具有沿某一方向分布、距离水层较近等特点,采用常规非定向射孔压裂工艺,存在水层被压裂通道连通而水淹油气井的风险。设计了一种可用于定向射孔压裂的水力喷枪,介绍了该喷枪的结构。重点分析了喷嘴的转向原理,即,通过偏梯形齿的啮合,实现喷嘴的相位变化,完成定向喷射压裂。通过两相流数值计算,优化了喷嘴的结构参数和流体参数。为喷嘴设计了护板,提高了工作效率及寿命。

N80Q钢的高温低周疲劳行为及寿命预测

在350℃下对N80Q钢在应变幅为0.5%、0.7%、1.0%、1.5%、2.0%下进行低周疲劳试验,分析了其低周疲劳行为。结果表明:塑性应变幅与疲劳寿命的关系和塑性应变幅与循环应力幅的关系在对数坐标系下均呈线性关系。用Manson-Coffin方程和Basquin方程的叠加能较好的预测350℃下N80Q钢应变与低周疲劳寿命的关系。N80Q钢低周疲劳主要断裂方式为韧脆交替的周期性解理断裂,疲劳裂纹源均在试样的表面处,低应变条件下更易形成多裂纹源萌生。随着总应变幅的增加,裂纹扩展区的二次裂纹长度增大。

煤层气自激振荡增产工具空化试验

为提高煤层气采收率,对煤层气自激振荡增产所用空化工具的内部结构进行了室内试验研究,得到了不同流量、孔径和进出口锥度下的节流压差,计算得出各结构及试验条件对应的空化数,进而反映各因素对空化效果的影响。研究结果表明:流量和孔径是影响空化的主要因素,流量与压差成正比,孔径与压差成反比,为了更容易产生空化,应减小孔径,增大流量;流量较小时空化数增加速率大于流量较大时空化数增加速率,孔板直径越小,空化效果越好;流量较大时,孔板直径对空化效果影响不大;采用一次节流(上结构)入口锥度1∶1、出口锥度1∶0.5以及二次节流(下结构)入口锥度1∶0.5,此时空化效果达到最优。研究结果对于煤层气井的增产技术研究具有一定的指导意义。