水平井筒多孔注入变质量流流动规律研究

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实际水平井开发生产过程中,由于射孔水平井筒沿程流动方向有流体径向流入,故其流动为变质量流动,井筒内的压力分布规律不能像常规水平管道压力那样简单计算。针对射孔水平井筒中的复杂的压力分布及构成,本文首先调研了国外大量文献,总结了之前学者们的实验和数学方法。对比了实验方式及各个数学模型差异,阐述了各自的优缺点,并指出了他们中存在的不足。然后,通过质量守恒方程和动量守恒方程,在一定的假设条件下,推导出了在等温环境且无热量交换时的单孔眼注入(一个射孔单元),和两孔眼以及三孔眼压降数学模型,并在此基础上得到了射孔水平井的压降数学模型。再通过计算流体力学(CFD)中的Fluent软件,对单孔眼和多孔眼射孔管道进行数值模拟实验,并与现有的实验结论作比较得出:单孔眼的数值模拟能得出与其他学者实验相同的结论;对单孔眼注入变质量流动中的混合压力损失进行了数据拟合,得到了等效混合摩阻系数计算关联式。通过数值模拟结果,得到射孔水平井筒的压力损失由加速度损失、摩擦损失和混合损失组成,并且随着孔眼流速与主流速度比的增大,井筒总压力损失、加速度损失、摩擦损失和混合损失均增大;当孔眼流速较高时,混合损失对总压力损失的影响较大,并且主流速度越高,摩擦损失越大;当孔眼数量增加,且具有较高的孔眼流速时,加速度损失的增幅最为明显。针对单独的一个射孔单元,通过软件中的后处理器分析实验结果,对孔眼注入变质量流动作了定性分析。混合压降产生的机理为:由于孔眼流速与主流速度的速度差而在孔眼处产生的回流、滞流和旋流现象,和孔眼流体的注入对主流流体产生的干扰。最后,通过算例对实际情况下的射孔水平井压力分布进行了敏感性分析,得到了水平井总压力损失、加速度损失、摩擦损失和混合损失随水平井筒的长度、射孔密度和孔眼流量的增加而增加,随井筒内径的增加而显著降低;通过算例得到水平井沿程流量分布规律,为水平井的最优方案设计提供了参考,使之经济效益最大化。
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