随着世界经济发展对油气需求的不断增加,常规油气资源已不能满足该种需求的快速增长,非常规油气资源由于具有储量巨大和分布集中等特点成为世界各国的开采热点。但是非常规油气藏资源孔隙率低、渗透率低、产能低,使其勘探开发难度增大。水平井多级滑套分段压裂技术是克服上述缺陷的一种有效技术方法,被日益广泛地应用于非常规油气资源的开发中,并成为该领域主导性的前沿研究方向。目前,水平井多级滑套分段压裂技术的研究主要集中在压裂工艺研发上,而对于分段压裂滑套系统结构优化及如何提高分段压裂滑套系统耐冲蚀磨损性能的研究甚少。压裂滑套系统结构设计不合理导致使用中出现冲蚀失效等问题,严重限制了分段压裂级数的进一步提高,难以满足多层段、大排量的压裂施工要求。在国家科技重大专项的资助下,本文围绕水平井分段压裂滑套系统结构优选设计、支撑剂颗粒冲蚀失效、表面涂层防护及憋压球泵送机理等关键技术问题展开了系统深入的理论与试验研究工作,取得了如下的创新性研究成果:(1)研制出了一套可关闭式分段压裂滑套系统,该系统主要由上接头、下接头、外部滑套、内部滑套、球座、憋压球及密封元器件等构成,研发了用于操作可关闭式压裂滑套系统的专用开关工具。基于固液两相流理论,建立了压裂液流动和压裂支撑剂固体颗粒井下运动的数学模型,模拟分析了压裂液流动特性及支撑剂颗粒的运动状态,优选了球座入口段与出口段结构。(2)基于拉格朗日方法建立了支撑剂颗粒在喷口区域反溅运动的数学模型,研究了压裂滑套喷砂口间隙流场及冲蚀磨损特性。研究探寻出了流量、流体粘度和颗粒尺寸对压降和冲蚀速率的影响规律关系。基于壁面的冲蚀磨损信息,建立了滑套喷砂口冲蚀形貌变化预测模型,探明了喷砂口区域形貌变化特性。(3)综合考虑目标材料的阻尼与弹塑性行为建立了多颗粒碰撞数学模型,对颗粒连续冲击导致的压裂滑套表面材料冲蚀破坏行为进行了三维数值模拟,研究探明了颗粒冲击速度和冲击角度对靶材塑性变形、颗粒接触时间和颗粒能量损失率等的影响规律,揭示了靶材冲蚀破坏行为的物理本质。(4)针对压裂滑套系统在使用中出现表面冲蚀失效等问题,提出了采用超音速火焰喷涂工艺进行表面改性的方法。研究了超音速火焰喷涂涂层对压裂滑套系统表面耐冲蚀磨损性能的影响作用,得到了冲蚀速度、冲蚀角度、冲蚀时间和支撑剂粒径等参数对表面材料冲蚀磨损速率的影响规律关系,揭示了喷涂涂层在压裂液和支撑剂颗粒组成的两相流作用下的冲蚀磨损破坏机理,给出了降低压裂工具表面冲蚀磨损速率的保护措施。(5)提出了一种基于动态流固耦合模型来探索憋压球泵送机理的新方法,分析了憋压球在水平段与泵送液体之间的动态耦合作用,探明了泵送排量和憋压球尺寸对憋压球在水平井段的泵送输运特性如受到的拖拽力、摩擦力及碰撞程度的影响规律。基于罚函数接触算法建立了憋压球与球座坐封接触的数学模型,揭示了坐封压力对最大应力、最大应变和最大变形量的影响规律,为憋压球的设计和材料选择提供了理论指导。