【摘要】：隨著油氣資源開采技術的發(fā)展,水力壓裂逐漸成為開發(fā)非常規(guī)油氣資源的關鍵技術。壓裂過程中,管道(柱)內固液兩相壓裂液因柱塞泵的非均勻供液、局部流道的流態(tài)轉變、顆粒碰撞和瞬間堆積,均會引起流體壓力波動,導致地面管道和井下管柱異常振動和沖蝕破壞。因此,固液兩相壓裂液與輸送管道(柱)的耦合振動和沖蝕分析不僅具有很強的學術價值,也具有明顯的工程應用前景。本文旨在建立壓裂液湍流動力學和顆粒群運動學以及輸送管道(柱)振動的多物理場耦合分析理論,為壓裂施工設計、管道(柱)振動控制和沖蝕預測提供理論支撐。根據(jù)現(xiàn)場壓裂施工管道(柱)結構和工藝參數(shù),設計并建立了固液兩相壓裂液壓力損失及誘導管道振動的實驗裝置。實驗研究了縮擴管內壓裂液流速、砂比、稠化劑濃度和直徑比對縮擴管壓力損失、振動的影響,得到了縮擴管內含砂壓裂液壓力損失計算方法和縮擴管耦合振動的結果,為后續(xù)理論方法驗證提供了依據(jù)。假定管道不振動,選取管道內壓裂基液及石英砂為研究對象,考慮流體與顆粒群耦合作用力、顆粒群碰撞、耦合求解效率和求解精度等因素,基于雙流體模型和離散元法,推導了顆粒與流體間傳遞物理參數(shù)的計算式、迭代收斂條件和時間推進算法,建立了流體與顆粒群耦合的動力學分析數(shù)值模型和計算方法。通過與現(xiàn)有算例和實驗結果對比,驗證了本文CFD-DEM方法的準確性,為揭示固液兩相流中顆粒群的運動、碰撞和堆積提供了一種行之有效的計算方法,豐富了顆粒群與流體耦合動力學分析理論。通過對壓裂管道(柱)中常見的直管、縮擴管、彎管和T型管流道內不同壓裂液流速、砂比等參數(shù)下的顆粒群和流體耦合動力學計算與分析,得到以下結論:對于直管,入口流速越大、砂比越大,顆粒群在管道內碰撞越劇烈,流體壓力損失越大。對于縮擴管,入口流速越大、砂比越大、直徑比越小、縮徑角越大,顆粒群在突縮截面的碰撞、堆積更嚴重,流體壓力損失和突縮截面的沖蝕率越大。對于彎管,入口流速越大、砂比越大、曲率比越小,彎管內側增速減壓現(xiàn)象越明顯,流體壓力損失和彎管外側沖蝕越大。對于T型管,入口流速越大、砂比越大、直徑比越小,流體壓力損失和支管路沖蝕率越大;T型管入口、出口形式對顆粒群運動特性影響顯著。在流體與顆粒群耦合的基礎上,采用兩相流與管道耦合的分域求解算法,考慮兩相流中顆粒碰撞、堆積與流體流場和管道位移場的相互作用,給出了流體-顆粒群-管道多物理場耦合的物理量傳遞方法、迭代收斂條件和時間推進算法,建立了多物理場耦合的動力學求解方法。通過對模擬實驗管道與顆粒群和流體耦合振動的實例計算和分析,結果表明:兩相流流速越高、砂比越大、直徑比越小,管道振動加速度的波動幅度越大;中間位置振動加速度的波動幅度最大,入口位置其次,出口位置最小;高砂比可以產生低振幅的高頻振動。數(shù)值模擬與實驗得到的管道振幅和頻率相對誤差小于15%。本文旨在建立壓裂液湍流動力學和顆粒群運動學與管道(柱)振動的多物理場耦合分析理論,提出一種精細的數(shù)值模型和高效的計算方法,為壓裂工程設計、管道(柱)振動控制和沖蝕預測提供理論支撐,促進大型壓裂技術及其他新技術的快速發(fā)展。
【學位授予單位】：東北石油大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TE357.1

【參考文獻】

相關期刊論文 前10條

1 竇益華;王蕾琦;劉金川;;開關井工況下完井管柱振動安全性分析[J];石油礦場機械;2015年10期

2 陳明;伍建林;王建華;;氣液固三相管流耦合水擊振動特性的參數(shù)影響分析[J];工程力學;2015年02期

3 張杰;梁政;韓傳軍;;U型充液管道的流固耦合分析[J];應用力學學報;2015年01期

4 練章華;張穎;趙旭;丁士東;林鐵軍;;水平井多級壓裂管柱力學、數(shù)學模型的建立與應用[J];天然氣工業(yè);2015年01期

5 陽寧;周知進;唐達生;王釗;;粗顆粒水下管道輸送系統(tǒng)振動的實驗研究[J];海洋工程;2014年03期

6 巨全利;仝少凱;;高產氣井完井管柱縱向振動特性分析[J];鉆采工藝;2014年02期

7 莫麗;黃崗;何霞;林琳;;2500型五缸壓裂泵整機模態(tài)分析及結構優(yōu)化[J];石油機械;2012年07期

8 肖國益;徐進;祝效華;胡大梁;朱禮平;賈彥杰;;鉆頭-鉆柱系統(tǒng)振動特性分析[J];中外能源;2011年08期

9 樊洪海;王宇;張麗萍;楊行;楊向同;魏峰;;高壓氣井完井管柱的流固耦合振動模型及其應用[J];石油學報;2011年03期

10 劉巨保;羅敏;王琳;欒一秀;;管道內旋轉細長梁的固液耦合方法研究[J];工程力學;2011年04期

相關博士學位論文 前2條

1 高鋒;飛機液壓系統(tǒng)泵—管路振動特性研究[D];浙江大學;2013年

2 張科;復雜稠密氣固兩相流動的CFD-DEM模擬研究[D];浙江大學;2012年

相關碩士學位論文 前3條

1 季浪宇;大顆粒固液兩相流碰撞反彈規(guī)律及磨損特性研究[D];浙江理工大學;2017年

2 袁世偉;冪律非牛頓流體流動的數(shù)值計算與實驗研究[D];華東理工大學;2014年

3 鄭武;1176kW五缸鉆井泵空氣包的研究[D];蘭州理工大學;2013年

本文編號：2728581