水平井喷砂器内流特性及磨损规律研究

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喷砂器是水平井分层压裂管柱的重要组成部分。在水平井压裂施工中,随着施工排量的增加,喷砂器冲刷产生严重均匀磨损、偏磨现象,导致封隔器解封,甚至引起喷砂器断裂,导致压裂失败,难以满足压裂的作业要求。本文针对含砂压裂液对水平井压裂喷砂器冲刷磨损问题,基于离散相模型,以标准k-ε模型为湍流模型,应用控制体积法及SIMPLE算法,利用CFD软件FLUENT对喷砂器的内部流场进行了数值模拟。得到了喷砂器内流体的速度矢量图及压力云图等分布规律。设计了冲刷磨损室内模拟实验装置,并对45钢和40Cr两种材料进行了不同角度的冲刷磨损实验,得到了冲刷角度与冲刷磨损速率之间的关系。并通过冲刷磨损实验获得经验常数,运用经典冲刷磨损理论,结合本研究实际,对冲刷磨损模型的系数进行了修正。应用修正后的的冲刷磨损模型,对喷砂器内部流场进行数值模拟,得出正常工况下喷砂器的磨损规律,通过模拟结果考察射孔段的出流情况以及油管结构偏心对喷砂器内流场产生的影响,从而得出了射孔与喷砂孔间距离小于300mm的情况下,射孔段的出流情况会对喷砂器内流场产生较大影响,以及喷砂孔竖直放置时油管偏心是产生偏磨的主要原因等结论。数值模拟结果与喷砂器现场的实际施工情况对比结果基本一致,验证了数值计算算法的正确性。本文工作为水平井压裂喷砂器结构特性的进一步研究及结构优化设计提供了一定的理论依据和经验参数。
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