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        水力壓裂壓后停泵井筒內(nèi)水錘信號模擬

        2021-11-22 05:59:34蘇煜彬李樹生崔云群劉利鋒何玉榮
        節(jié)能技術(shù) 2021年5期
        關(guān)鍵詞:閥門信號影響

        蘇煜彬,李樹生,崔云群,劉利鋒,何玉榮

        (1.中國石油天然氣股份有限公司長慶油田分公司油氣工藝研究院,陜西 西安 710021;2.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150001)

        水力壓裂作為致密氣井和油井的增產(chǎn)增注方式,在國內(nèi)外有廣泛的應(yīng)用[1-3]。但在實際工程中,由于壓裂液與井筒之間的摩擦阻尼、地層壓力、滲透率等參數(shù)不易獲取,導(dǎo)致在應(yīng)用過程中不易通過正向求解得到裂縫相關(guān)信息[4]。

        水錘是一種由于流速變化而導(dǎo)致的極具破壞性的壓力波動現(xiàn)象[5],但是在壓裂作業(yè)中,通過對水錘信號的合理利用可以獲取大量管路信息如:泄露和堵塞[6],同時對水錘信號進(jìn)行折算反演[7]可以獲取裂縫相關(guān)信息,如:裂縫半長、滲透率、地層壓力等信息。與此同時,基于壓力信號反演的方法由于不需試產(chǎn)、關(guān)井等一系列復(fù)雜過程,極大程度的節(jié)省了人力與物力[8-9]。因此,對壓裂水錘信號進(jìn)行數(shù)值模擬研究,獲取影響水錘信號的相關(guān)參數(shù),有利于進(jìn)一步了解停泵水錘的原理,進(jìn)而指導(dǎo)工程應(yīng)用。

        本文對水平管路停泵水錘信號進(jìn)行數(shù)值模擬研究,分析管路長度、管路直徑、楊氏模量、關(guān)閥條件和阻尼系數(shù)等參數(shù)對停泵水錘信號的影響。在保證水錘信號不產(chǎn)生大的破壞情況下,獲取優(yōu)質(zhì)的水錘信號,可為水錘信號反演,獲取裂縫信息做準(zhǔn)備,為實際工程應(yīng)用提供理論指導(dǎo)。

        1 停泵水錘的數(shù)值模擬方法

        由于水力壓裂過程的井筒長度一般遠(yuǎn)大于內(nèi)徑,故在模擬中可以將井筒內(nèi)流動簡化為一維流動??刂品匠蘙10-11]如下:

        連續(xù)性方程

        (1)

        運(yùn)動方程

        (2)

        式中p——管內(nèi)流體壓強(qiáng)/N·m-2;

        t——時間/s;

        v——管內(nèi)流體軸向流速/m·s-1;

        x——軸向坐標(biāo)/m;

        ρ——管內(nèi)流體密度/kg·m-3;

        c——水錘波軸向傳播速度/m·s-1;

        f——流體與管壁間的摩擦系數(shù);

        α——管軸向與水平面夾角;

        g——重力加速度/m·s-2;

        D——管內(nèi)徑/m。

        本文采用特征線法[12]對井筒內(nèi)流動控制方程進(jìn)行求解,井筒APB段有限差分格式如圖1所示。

        圖1 特征線方法有限差分格式

        考慮摩擦阻尼項的影響,推導(dǎo)得到停泵水錘差分方程[13]

        (3)

        (4)

        式中i——空間節(jié)點坐標(biāo);

        j——時間節(jié)點坐標(biāo);

        中間變量R,S,T,U定義如下

        R=ρc/2,S=ρgΔx/(2c)

        (5)

        T=1/(2ρc),U=gΔx/(2c2)

        (6)

        本文主要考察管路長度、管路直徑、楊氏模量、關(guān)閥條件和阻尼系數(shù)等參數(shù)對停泵水錘信號的影響。模擬參數(shù)匯總見表1。

        表1 水錘模擬主要參數(shù)

        2 結(jié)果和討論

        2.1 水錘壓力信號分析

        本節(jié)給出了水平井內(nèi)水錘分布情況,與豎直井水錘信號不同的是,水平井中不需要考慮重力加速度的影響,因此水平井中的差分格式更簡化。

        圖2給出了水平井管道直徑對閥門處和1/3管路處水錘信號的影響。從圖中可以發(fā)現(xiàn),水平井中水錘信號在不考慮管道摩擦阻尼的條件下,幾乎不發(fā)生衰減。隨著管道直徑逐漸減小,水錘信號周期略有減小,但壓力值和水錘信號振幅明顯增大。1/3管路處,水錘信號呈現(xiàn)梯形波動。

        圖2 管路直徑對水平井內(nèi)水錘信號的影響

        圖3給出了水平井管壁厚度對閥門處和1/3管路處水錘信號的影響。隨著管壁厚度逐漸增大,水錘信號周期逐漸減小,但壓力值和水錘信號振幅明顯增大。1/3管路處,水錘信號同樣呈現(xiàn)梯形波動。

        圖3 管壁厚度對水平井內(nèi)水錘信號的影響

        圖4給出了水平井管壁楊氏模量對閥門處和1/3管路處水錘信號的影響。從圖中可以發(fā)現(xiàn),隨著楊氏模量的增大,閥門處水錘信號周期略有增大,但是對水錘信號整體無明顯影響;在1/3管路處,隨著楊氏模量的增大,水錘壓力值明顯增大,水錘周期略有增大。

        圖4 管壁楊氏模量對水平井內(nèi)水錘信號的影響

        圖5給出了水平井管道長度對閥門處和1/3管路處水錘信號的影響。從圖中可以發(fā)現(xiàn),隨著管道長度逐漸增大,水錘信號周期逐漸增大,壓力值和水錘信號振幅明顯增大。1/3管路處,水錘信號呈現(xiàn)梯形波動,不穩(wěn)定性略有增強(qiáng)。

        圖5 管路長度對水平井內(nèi)水錘信號的影響

        2.2 關(guān)閥形式和摩擦阻尼的影響

        圖6給出了關(guān)閥形式對閥門處和1/3管路處水錘信號的影響。從圖中可以發(fā)現(xiàn),當(dāng)采用瞬時關(guān)閥的形式,水錘信號在閥門處呈現(xiàn)矩形波動,1/3管路處,水錘信號呈現(xiàn)梯形波動;當(dāng)采用線性關(guān)閥的形式,水錘信號在閥門處呈現(xiàn)三角形正弦波動,1/3管路處,水錘信號呈現(xiàn)梯形波動,壓力波動幅值與瞬時關(guān)閥性比明顯減小。

        圖6 關(guān)閥形式對水平井內(nèi)水錘信號的影響

        圖7給出了摩擦阻尼對閥門處和1/3管路處水錘信號的影響。從圖中可以發(fā)現(xiàn),當(dāng)井底為恒壓邊界條件時,隨著摩擦阻尼系數(shù)的增大,井內(nèi)水錘信號發(fā)生明顯衰減,水錘周期沒有明顯變化。1/3管路處,水錘信號不穩(wěn)定性增加,隨著摩擦阻尼系數(shù)的增加,水錘信號衰減速度加快。

        圖7 摩擦阻尼對水平井內(nèi)水錘信號的影響

        3 結(jié)論

        本文通過特征線法對管路水錘信號進(jìn)行數(shù)值模擬研究,分析了管路直徑、管路長度、管壁厚度、關(guān)閥形式和摩擦阻尼等對水錘信號的影響,有利于進(jìn)一步了解停泵水錘的原理,為水錘信號反演,獲取裂縫信息做準(zhǔn)備,給實際工程應(yīng)用提供理論指導(dǎo)。主要結(jié)論如下:

        (1)隨著管道直徑減小和管壁厚度增大,水錘信號周期略有減小,但壓力值和水錘信號振幅明顯增大。隨著管道長度增加,水錘信號周期逐漸增大,壓力值和水錘信號振幅明顯增大。

        (2)采用線性關(guān)閥的形式,水錘信號壓力波動幅值與瞬時關(guān)閥性比明顯減小。如需獲得明顯的水錘信號,建議采用瞬時關(guān)閥;如需減小水錘的影響,建議采用線性關(guān)閥。

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