【摘 要】
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水力压裂是开采低渗透油气资源的核心技术。压裂作业时,携砂压裂液在管道输送过程中,流体的压力波动及颗粒群的碰撞、堆积,均会引起管道的振动与冲蚀,导致的管道疲劳失效、连接螺纹失效及管道局部破裂等,是亟待解决的工程问题。压裂管道输送携砂压裂液,涉及湍流动力学、颗粒群运动学和管道结构力学理论,是流固耦合领域的前沿课题。本文旨在建立颗粒群、流体及管道多物理场耦合动力学模型,编写相应的耦合求解程序,揭示颗粒流
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水力压裂是开采低渗透油气资源的核心技术。压裂作业时,携砂压裂液在管道输送过程中,流体的压力波动及颗粒群的碰撞、堆积,均会引起管道的振动与冲蚀,导致的管道疲劳失效、连接螺纹失效及管道局部破裂等,是亟待解决的工程问题。压裂管道输送携砂压裂液,涉及湍流动力学、颗粒群运动学和管道结构力学理论,是流固耦合领域的前沿课题。本文旨在建立颗粒群、流体及管道多物理场耦合动力学模型,编写相应的耦合求解程序,揭示颗粒流对管道的振动与冲蚀影响规律。首先,根据流体及颗粒控制方程,两相间的参数传递关系,建立了流体与颗粒群双向耦合算法,编写了两相流耦合求解程序。在流体与颗粒群耦合模型基础上,结合管道结构动力学方程,确定颗粒流与管道多物理场耦合算法,编写了多物理场耦合求解程序。通过对比实验与数值模拟结果,证明了流体与颗粒群双向耦合算法及程序,颗粒流与管道多物理场耦合算法及程序的准确性。然后,采用正交实验法研究了流速、砂比、粒径及直径比对缩扩管的振动和冲蚀规律,得到以下结论:（1）振动加速度的影响因素主次顺序为流速、直径比、砂比及粒径,流速影响力为粒径的7.7倍。（2）振动加速度随流速及砂比增大而增大,随直径比增大而减小,随粒径增大呈现波动变化。流速由4 m/s增大到20 m/s时,加速度是原来的3.2倍;直径比由0.8减小到0.4时,加速度是原来的1.5倍。（3）最大冲蚀速率的影响因素主次顺序为流速、直径比、粒径及砂比,流速影响力为砂比的3.4倍。（4）最大冲蚀速率随流速、粒径及砂比的增大而增大,随直径比增大而减小。流速由8 m/s增大到20 m/s时,冲蚀速率是原来的12.6倍;直径比由0.8减小到0.4时,冲蚀速率是原来的10.1倍。（5）缩扩管突缩截面表现出内边缘冲蚀深度比外边缘大的冲蚀分布规律。最后,采用正交实验法研究了流速、砂比、粒径及曲率比对弯管的振动和冲蚀规律,得到以下结论:（1）振动加速度的影响因素主次顺序为曲率比、流速、粒径及砂比,曲率比影响力为砂比的4.8倍。（2）振动加速度随曲率比、流速、砂比增大而增大,随粒径增大呈现波动变化。曲率比由1.5增大到10时,加速度是原来的21.7倍;流速由4 m/s增大到20 m/s时,加速度是原来的4.8倍。（3）最大冲蚀速率影响因素的主次顺序为流速、曲率比、砂比及粒径,流速影响力为粒径的3.3倍。（4）最大冲蚀速率随流速、粒径及砂比的增大而增大,随曲率比增大而减小。流速由12 m/s增大到20 m/s时,冲蚀速率是原来的7.7倍;曲率比由10减小到1.5时,冲蚀速率是原来的9.0倍。（5）弯管外侧壁面表现出从中间向两侧递减的冲蚀分布规律。
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