目前,水平井开采已经成为国内外页岩气开发的最主要方式,尤其是针对产层薄、渗透率极低同时孔隙度小的页岩气储层。在现有的页岩气开发技术条件下,尽管常规防砂技术工艺的精度日益提高,且能够阻挡大部分来自地层的砂粒,但仍会有一定粒径的地层砂粒随页岩气进入井筒,当采出页岩气气量足够大时,高速含砂气流将会对井筒以及井口地面设备造成强烈的冲蚀和磨损;当采出气量不够大时,则会有一部分砂粒不能被携带出井口,造成砂粒在井底堆积,引起砂堵井筒等严重事故,在页岩气长水平井筒中则尤为严重。因此,为探究页岩气长水平井筒冲蚀失效和沉砂原理,本文开展了对页岩气长水平井筒冲蚀及砂沉积模拟计算,研究了各参数对它的影响,为实际生产中页岩气长水平井筒冲蚀失效和沉砂提供依据和方向。主要包括以下内容:(1)本文对现有的一套可循环的冲蚀装置进行了升级和改造,使实验装置能够模拟出更加贴切真实管道内环冲蚀情况,并开展了相关冲蚀实验。(2)自主设计了一套可视化水平管沉砂实验装置,砂粒沿着“L”型导管从水平管中部并在来流的作用下运移和沉积到水平管底部,对于砂粒的运移轨迹,实验将利用高速摄像机进行捕捉。(3)开展与实验同尺寸的管内环冲蚀和水平管砂沉积数值模拟,处理并分析模拟结果,与实验结果对比,分别验证冲蚀和砂沉积模型。(4)在对实际生产中的页岩气长水平井筒的调研基础上,对井筒的关键部位开展符合实际生产工况的多组次冲蚀与砂沉积数值模拟计算,结果分析表明,长水平井筒中接箍和封隔器部位极易受到冲蚀,且随着气体进口质量流量、砂粒直径以及砂粒含量增加冲蚀量也越来越大。而在其他工况不变的条件下随着砂粒浓度的增加,相同的运移距离下,砂粒浓度明显增加并最终达到稳定。(5)对整体井筒进行实尺寸冲蚀和砂沉积数值模拟,开展不同工况下整体井筒的冲蚀和砂沉积模拟,结果显示,在相同工况下,沿着气流方向井筒受到的最大冲蚀速率逐渐减小,而在相同位置上,冲蚀量随着进口质量流量、砂粒直径和含砂量的增加而增大,砂粒运移的距离逐渐减小。