动态负压射孔的数值模拟

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现在动态负压射孔已成为一种完井射孔的工业标准,负压射孔时由于负压差的存在,使得在射孔的瞬间地层流体产生负压冲击回流,回流可以冲洗孔眼附近地层和孔眼内的爆炸残余物,这样既畅通了油流通道,同时避免了井内残物颗粒进入地层,防止孔道和孔眼的堵塞,有效的保护了油气层和提高了油气层的产能。动态负压射孔整个过程比较复杂,本文将动态负压射孔的研究分为了四个部分:聚能射流特性研究,岩石开孔特性及其本构研究,射孔深度的预测及动态负压射孔压实带碎屑的回流清洗研究。具体内容如下:(1)聚能射流特性研究:聚能射流形成包括导爆索引爆炸药,爆炸压力压垮药型罩形成射流及射流延展,为了进一步研究射流的特性,通过数值模拟计算,给出了射流形成过程、射流速度分布曲线、射流动能量的时间变化曲线。计算中炸药爆炸压力最大达到10Gpa,射流发生侵彻前头部最大速度达到6075m/s,尾部速度达到1986m/s,药型罩动能为6070J。(2)岩层开孔特性及本构研究:通过数值模拟研究了不同边界条件下岩层在侵彻过程中应力波的变化规律及对侵彻的影响;为了研究靶板强度对射流侵彻的影响,计算中分别取屈服极限为30Mpa、40Mpa和50Mpa的弹塑性本构模型模拟岩层,计算后侵彻深度分别为31.5cm、28cm和23cm,结果显示随着屈服极限的增大,射流侵彻深度会逐渐减低;采用HJC本构模型来模拟岩层,计算中单元分别采用了0.1和0.005的失效应则,结果发现当失效应变0.005时,射流快速贯穿整个岩层(40cm),而当失效应变为0.1时,射流侵彻深度仅为28cm,计算表明岩层不同的失效应变对侵彻有很大影响。(3)射孔深度预测:数值模拟给出了射孔过程中射流的速度参数,根据孔深计算公式P=z[vj/vc)γ-1]得到侵彻深度为34.2cm,而模拟结果为30.6cm,相对误差为11.7%。由于理论计算并未考虑到靶板强度的影响,所以计算值偏大,说明靶板强度对射流侵彻有影响。(4)动态负压射孔压实带碎屑的回流清洗研究:计算对流体的回流对于贯穿孔的清洗作用进行了初步的探索性研究,数值计算结果显示,如果岩石内部压力与采油孔内压力差很大,则会使孔内岩石碎屑产生瞬间回流趋势,计算中发现碎屑的回流过程大约在毫秒量级内,符合动态负压射孔中孔道清洗的要求。
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