【摘 要】
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水力喷射多簇压裂技术是一种集多簇射孔、分段压裂、隔离一体化的新型体积增产方法,具有压裂效率高、造缝位置准确等优势。然而含砂压裂液高速流经喷枪,喷枪内流道冲蚀磨损不
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水力喷射多簇压裂技术是一种集多簇射孔、分段压裂、隔离一体化的新型体积增产方法,具有压裂效率高、造缝位置准确等优势。然而含砂压裂液高速流经喷枪,喷枪内流道冲蚀磨损不可避免。因此,掌握喷枪内壁冲蚀磨损特性是提高压裂成功率的重要前提。围绕高速含砂压裂液冲蚀喷枪内壁的力学机制这一关键科学问题,采用室内实验、数值模拟和现场验证等研究方法,开展实际工况下喷枪材料冲蚀实验,得到了冲击速度与冲击角度对冲蚀速率的影响规律,拟合得到了适用于喷射压裂工况的冲蚀角函数,修正了适用于水力喷射压裂工况下的Finnie冲蚀计算模型;基于离散项模型和Realizable k-epsilon模型数值模拟方法,结合实验所得冲蚀角函数,建立了全尺寸水力喷射多簇压裂喷枪冲蚀模型,数值模拟阐明了喷枪内流道流场特征及其上下两簇喷枪内壁面冲蚀的差异性,得到了压裂排量、砂粒粒径等关键参数对冲蚀速率的影响规律;三维扫描实际喷枪内流道冲蚀形态,分析得到了上下两簇喷枪内壁面冲蚀位置、冲蚀体积等关键参数,验证数值模拟正确性。结果表明:上簇和下簇喷枪内壁面的冲蚀差异较大,下簇喷枪喷嘴入口区域的下部冲蚀较严重,上簇喷枪喷嘴入口区域的上部冲蚀较严重,下簇喷枪喷嘴入口区域冲蚀体积是上簇的1.3~1.9倍;冲蚀速率与砂粒粒径负相关,与排量正相关,与冲击速度正相关,与冲击角度呈抛物线型关系,本实验条件下冲蚀速率的范围是4.44×10-5~1.74×10-4 kg/(m2·s);冲蚀断面微观分析表明:冲击角度是影响微观冲蚀机理的主要因素,冲击角度较小时,微观冲蚀形式以切削破坏为主;冲击角度较大时,以冲击压入破坏为主。改进喷枪抗冲蚀性的建议:将上簇喷枪内壁面喷嘴入口区域的上部及下簇喷枪内壁面喷嘴区域的下部进行局部增加强度处理,如增加镀层等。研究结果丰富了多喷枪冲蚀磨损理论,有望为改进多簇喷枪结构、提高水力喷射多簇压裂成功率提供理论依据。
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