【摘要】：隨著油氣資源開采技術(shù)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(guān)鍵技術(shù)。壓裂過程中,管道(柱)內(nèi)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(zhuǎn)變、顆粒碰撞和瞬間堆積,均會(huì)引起流體壓力波動(dòng),導(dǎo)致地面管道和井下管柱異常振動(dòng)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(dòng)和沖蝕分析不僅具有很強(qiáng)的學(xué)術(shù)價(jià)值,也具有明顯的工程應(yīng)用前景。本文旨在建立壓裂液湍流動(dòng)力學(xué)和顆粒群運(yùn)動(dòng)學(xué)以及輸送管道(柱)振動(dòng)的多物理場耦合分析理論,為壓裂施工設(shè)計(jì)、管道(柱)振動(dòng)控制和沖蝕預(yù)測提供理論支撐。根據(jù)現(xiàn)場壓裂施工管道(柱)結(jié)構(gòu)和工藝參數(shù),設(shè)計(jì)并建立了固液兩相壓裂液壓力損失及誘導(dǎo)管道振動(dòng)的實(shí)驗(yàn)裝置。實(shí)驗(yàn)研究了縮擴(kuò)管內(nèi)壓裂液流速、砂比、稠化劑濃度和直徑比對(duì)縮擴(kuò)管壓力損失、振動(dòng)的影響,得到了縮擴(kuò)管內(nèi)含砂壓裂液壓力損失計(jì)算方法和縮擴(kuò)管耦合振動(dòng)的結(jié)果,為后續(xù)理論方法驗(yàn)證提供了依據(jù)。假定管道不振動(dòng),選取管道內(nèi)壓裂基液及石英砂為研究對(duì)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(dǎo)了顆粒與流體間傳遞物理參數(shù)的計(jì)算式、迭代收斂條件和時(shí)間推進(jìn)算法,建立了流體與顆粒群耦合的動(dòng)力學(xué)分析數(shù)值模型和計(jì)算方法。通過與現(xiàn)有算例和實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比,驗(yàn)證了本文CFD-DEM方法的準(zhǔn)確性,為揭示固液兩相流中顆粒群的運(yùn)動(dòng)、碰撞和堆積提供了一種行之有效的計(jì)算方法,豐富了顆粒群與流體耦合動(dòng)力學(xué)分析理論。通過對(duì)壓裂管道(柱)中常見的直管、縮擴(kuò)管、彎管和T型管流道內(nèi)不同壓裂液流速、砂比等參數(shù)下的顆粒群和流體耦合動(dòng)力學(xué)計(jì)算與分析,得到以下結(jié)論:對(duì)于直管,入口流速越大、砂比越大,顆粒群在管道內(nèi)碰撞越劇烈,流體壓力損失越大。對(duì)于縮擴(kuò)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(yán)重,流體壓力損失和突縮截面的沖蝕率越大。對(duì)于彎管,入口流速越大、砂比越大、曲率比越小,彎管內(nèi)側(cè)增速減壓現(xiàn)象越明顯,流體壓力損失和彎管外側(cè)沖蝕越大。對(duì)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(duì)顆粒群運(yùn)動(dòng)特性影響顯著。在流體與顆粒群耦合的基礎(chǔ)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(shí)間推進(jìn)算法,建立了多物理場耦合的動(dòng)力學(xué)求解方法。通過對(duì)模擬實(shí)驗(yàn)管道與顆粒群和流體耦合振動(dòng)的實(shí)例計(jì)算和分析,結(jié)果表明:兩相流流速越高、砂比越大、直徑比越小,管道振動(dòng)加速度的波動(dòng)幅度越大;中間位置振動(dòng)加速度的波動(dòng)幅度最大,入口位置其次,出口位置最小;高砂比可以產(chǎn)生低振幅的高頻振動(dòng)。數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)得到的管道振幅和頻率相對(duì)誤差小于15%。本文旨在建立壓裂液湍流動(dòng)力學(xué)和顆粒群運(yùn)動(dòng)學(xué)與管道(柱)振動(dòng)的多物理場耦合分析理論,提出一種精細(xì)的數(shù)值模型和高效的計(jì)算方法,為壓裂工程設(shè)計(jì)、管道(柱)振動(dòng)控制和沖蝕預(yù)測提供理論支撐,促進(jìn)大型壓裂技術(shù)及其他新技術(shù)的快速發(fā)展。
【學(xué)位授予單位】：東北石油大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TE357.1

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 竇益華;王蕾琦;劉金川;;開關(guān)井工況下完井管柱振動(dòng)安全性分析[J];石油礦場機(jī)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(dòng)特性的參數(shù)影響分析[J];工程力學(xué);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(yīng)用力學(xué)學(xué)報(bào);2015年01期

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

5 陽寧;周知進(jìn);唐達(dá)生;王釗;;粗顆粒水下管道輸送系統(tǒng)振動(dòng)的實(shí)驗(yàn)研究[J];海洋工程;2014年03期

6 巨全利;仝少凱;;高產(chǎn)氣井完井管柱縱向振動(dòng)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(jī)模態(tài)分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J];石油機(jī)械;2012年07期

8 肖國益;徐進(jìn);祝效華;胡大梁;朱禮平;賈彥杰;;鉆頭-鉆柱系統(tǒng)振動(dòng)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(dòng)模型及其應(yīng)用[J];石油學(xué)報(bào);2011年03期

10 劉巨保;羅敏;王琳;欒一秀;;管道內(nèi)旋轉(zhuǎn)細(xì)長梁的固液耦合方法研究[J];工程力學(xué);2011年04期

相關(guān)博士學(xué)位論文 前2條

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

2 張科;復(fù)雜稠密氣固兩相流動(dòng)的CFD-DEM模擬研究[D];浙江大學(xué);2012年

相關(guān)碩士學(xué)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(xué);2017年

2 袁世偉;冪律非牛頓流體流動(dòng)的數(shù)值計(jì)算與實(shí)驗(yàn)研究[D];華東理工大學(xué);2014年

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

本文編號(hào)：2728581