体积压裂管柱特殊螺纹接头流固耦合振动机理及密封性研究

Stimulated reservoir volume technology is an effective method to enhance the recovery of tight reservoir. Because of the turbulent fracturing fluids during volumetric stimulating process, the tubing string will vibrate violently, resulting in pressure tapering, vortex shedding, fluid momentum and decreasing contacting pressure on the primary seal and failure of fracturing. Turbulence models of fracturing fluids will be developed based on the large eddy simulation theory and the flow distribution of premium connection will be simulated. The vibration model of the premium connection will be established based on FSI and the contact boundary. And, the parameters such as frequency and acceleration will be deduced by the separation variable method and Laplace transform. Then, a test will be done to verify the theory model and provide load spectrum for sealing ability analysis of premium connection. At last, a nonlinear dynamic analysis will be done to get the contact pressure of the premium connection, which is the criterion to judge the sealing ability. The method will be a reference for safe stimulated reservoir volume and FSI analysis at complicated junction.

体积压裂是致密油气藏开发的必要手段之一，大排量高速流动的压裂液流经油管接头等变截面处会产生压力突变、漩涡和附加动量，诱发管柱振动，加剧了特殊螺纹接头主密封面接触压力波动及密封失效的风险。目前，体积压裂，特别是水平井分段压裂事故频发即与此有关。基于大涡模拟理论，建立体积压裂时管柱中液体的湍流模型，分析特殊螺纹接头处流场及漩涡；考虑压裂液与油管接头的流固耦合、接触相容条件，建立特殊螺纹接头振动模型，采用拉普拉斯变换和分离变量法，求得振动频率和振动加速度等参数；开展体积压裂过程中管柱振动载荷谱室内模拟实验与井下实测，验证所建管柱接头流固耦合振动模型，为特殊螺纹接头密封性分析提供载荷谱；考虑特殊螺纹接头的弹塑性变形与加载历史效应，运用非线性动力学方法，分析振动载荷作用下接头密封部位接触压力，分析接头的密封性能。本项目研究可为体积压裂安全作业提供依据，又可为复杂界面非线性流固耦合振动理论做出贡献。

针对体积压裂时常发生的特殊螺纹接头密封失效事故，提出“流场分析+流固耦合+加载历史”的研究思路，开展如下研究：注入过程中温度场、压力场、流场分析；管材冲蚀性能研究；考虑接箍影响的管柱屈曲特性分析；体积压裂管柱特殊螺纹接头流固耦合振动特性研究；特殊螺纹接头载荷谱井下实测；动载作用下特殊螺纹接头密封性能研究。通过项目研究，取得如下认识：.（1）流体流经管柱接箍部位、变径部位与弯曲段部位时，由于管柱截面积发生突变，或者流体的流动方向发生改变，流体对油管的压力和速度在局部范围内发生变化，在这些区域会产生漩涡。.（2）体积压裂过程中，大排量、高砂比作业时压裂液中的砂粒高速撞击试油完井设备作业表面，使管柱内壁及工具内外出现了严重的冲蚀。.（3）进行管柱力学分析时，不应将井下管柱简化为等直径细长杆模型，并以该假设为基础进行力学性能分析，而应考虑接箍的影响。.（4）体积压裂过程中，油管振动频率随流体排量的增加非线性增加，随轴向力的增加也非线性增加。.（5）动载作用下结构所受应力与静载相比有一定的放大，振动载荷作用下管柱更容易失效。.（6）随交变周期增加，VAM TOP特殊螺纹接头密封面最大等效应力每周期增加0.03MPa，最大接触压力减小0.2MPa。若考虑疲劳裂纹、粘扣、腐蚀及破损等因素，交变载荷对接头密封性能的影响将显著增强。.基于项目研究，最终形成一套体积压裂特殊螺纹接头振动特性研究和密封性能理论体系和评价方法，为体积压裂技术安全使用提供理论依据和技术参考。