文献综述

1．水力压裂的原理与发展

在石油能源的开发过程中，压裂是油气藏改造增产的重要手段之一，在油气田的开采作业中占据着越来越重要的地位，目前全世界正在开采的油气井中，80%以上需要采用压裂施工开采,而我国现在有超过90%的油气井在使用压裂方式开采。压裂开采生产能力旺盛,经济效益较高,采收率在30%~40%[1]。

油田的水力压裂是油气井增产、水井增注的一项重要技术措施。其原理就是利用水利传力的原理，将地面机械力传至井下油层。当地面高压泵组将高粘液体以大大超过地层吸收能力的排量注入井中，在井底附近憋起超过井壁附近地应力及岩石抗涨强度的压力后，及在地层中形成裂缝。随着带有支撑剂的液体注入裂缝中，裂缝逐渐向前延伸。这样在地层中形成了足够一定宽度及高度的填砂裂缝，利用压裂液的悬浮能力将支撑剂带入裂缝，以保持裂缝形态并提高导流能力，由于它具有很高的渗滤能力，使油气能够通畅流入井中，利用油层的压裂裂缝并减少流动阻力、增加产油量，以达到增产增注的目的。

1947年在美国进行了首次水力压裂增产作业，由于增产效果十分显著，因此压裂技术的研究和应用受到了普遍重视。我国在五十年代起已开始进行水力压裂技术的研究，迄今为止已取得了很好的技术成就与较高的经济效益。大庆油田1973年开始采用水力压裂作为油田增产增注的一项重要技术措施，至今已有40余年的历史,油井压裂年增产石油量曾连续多年达100x104t以上，已经成为油田弥补产量增减、低渗透层新井投产、油气勘探的重要技术措施，为保障大庆油田的高产、稳产做出了一定贡献[2-3]。

2．压裂液的组成与危害

压裂液是压裂技术的重要组成部分。为满足其使用性能要求，压裂液往往需要添加十几个种类的添加剂如：杀菌剂，稳定剂，聚合物，表面活性剂，苛性碱，破解酸等。油气井在压裂过程中会不可避免的产生的废液，主要有返排压裂液和施工剩余的压裂液，废液中含有肌胶、甲醛、石油类及其它各种添加剂，这些在压裂作业过程中产生的废液作为当前油气开采的主要水体污染源之一，如果返排至地面将会对周围的生态环境有着极大的危害，尤其是农作物及地表水系造成污染[4-5]。

随着国家新环保的出台，环境保护执法力度的也在加大，油井压裂过程中废弃压裂液的处理，日益受到国家和各大油田的重视。随着油田开发的不断深入,石油企业面临的形势是十分严峻的,资金短缺,后备储量不足，生态环境恶化加剧。人们越来越清楚地认识到,当前所面临的重大问题不再仅仅是油田开发的技术问题,更多的是油田管理问题和环境问题,即如何更有效、合理地开发和利用资源,以保证石油工业乃至整个国民经济的持续、稳定的发展[6]。

3．压裂管柱组成

压裂施工管柱由油管和下井工具（封隔器、喷砂器、底喷嘴、水力锚、安全接头等）组成，其作用：一是为传送施工压力提供通道；二是实现分层。压裂管柱按组配方式可以划分为：单卡压裂、双卡压裂、分次压裂管柱等。

3.1单卡压裂管柱

单卡压裂一般为笼统压裂，可用于井深3000～4000m、工作压力 70MPa、工作温度150℃的井，该压裂方式不仅承压高，施工过程方便、可靠，而且还能适应高砂比，大砂量的压裂。在进行单卡压裂施工之前，下入带有安全接头、防磨接头、水力锚、Y344-115封隔器、底喷嘴等组成的直井单卡压裂工艺管柱装好井口，进行试压，小排量替入一定量的压裂液基液，压裂液经底喷嘴产生节流压差，使水力锚及封隔器同时胀开，卡住套管，密封油套环空。对压裂层进行压裂，压完后，压力放掉，即可上提起出压裂管柱。

3.2双卡压裂管柱

双卡压裂一般为分层压裂，可对不同压力、不同渗透率地层分别进行压裂改造，这种管柱需组配多个封隔器和水力锚，可采用上提法使一趟管柱选压 2～3 个地层，同时压裂过程中出现砂堵，可利用导压喷砂器立即反洗冲砂，冲砂后可继续压裂作业，卡距内采用高强度油管连接，抗拉强度高，避免压力过高而拉断。

3.2分次压裂管柱

分次压裂工艺可以实现不移动管柱进行分层分次压裂作业，不仅可处理多层压裂地层，而且可使渗透率不好的层段得到改造，克服了多次压裂，施工复杂，周期长，难度大的缺点。插入压裂管柱的压裂方式分为一次压裂和二次压裂，其压裂工艺过程如下：将Y433-114 封隔器下至井内预定深度，释放后起出投送工具，下入带有安全接头、力锚、Y344-115 封隔器、滑套喷砂器、插入密封段等组成的插入分层压裂工艺管柱，联接好井口，即可进行压裂施工。首先压裂下层，压完后，依次投球并活动节流嘴打开滑套喷砂器，封闭下层，压裂液经节流嘴产生节流压差，使 Y344-115 封隔器坐封，压裂完上层后排液[7,8]。

4．计算流体力学的发展与应用

4.1计算机流体力学的发展

计算流体动力学,是流体力学的一个分支，简称CFD(Computational Fluid Dynamics）。CFD是近代流体力学，数值数学和计算机科学结合的产物，是一门具有强大生命力的交叉科学。由于CFD技术可以帮助人们完成与流动相关的全部的设计计算过程，从最初的基本设计到最后的参数优化选择，又可使人们能够洞察设备的复杂流动状况，使得CFD技术在石油工业上的应用十分广泛。

CFD产生于第二次世界大战前后，在20 世纪60年代左右逐渐形成了一门独立的学科。总的来说随着计算机技术及数值计算方法的发展，从60年代至今，其发展过程可以分为三个阶段[9-11]。

⑴ 初始阶段（1965~1974） 

初始阶段的主要研究内容是解决计算流体力学中的一些基本的理论问题，如模型方程（湍流、流变、传热、辐射、气体－颗粒作用、化学反应、燃烧等）、数值方法（差分格式、代数方程求解等）、网格划分、程序编写与实现等，并就数值结果与大量传统的流体力学实验结果及精确解进行比较，以确定数值预测方法的可靠性、精确性及影响规律。

⑵ 开始走向工业应用阶段(1975～1984年) 

随着数值预测、原理、方法的不断完善，关键的问题是如何得到工业界的认可，如何在工业设计中得到应用，因此，该阶段的主要研究内容是探讨CFD在解决实际工程问题中的可行性、可靠性及工业化推广应用。同时，CFD技术开始向各种以流动为基础的工程问题方向发展，如气固、液固多相流、非牛顿流、化学反应流、煤粉燃烧等。我国80年代初期，随着与国外交流的发展，部分高校开始兴起CFD的研究热潮。

⑶ 快速发展期(1985年～) 

CFD在工程设计的应用以及应用效果的研究取得了丰硕的成果，在学术界得到了充分的认可。如何在CFD的基础研究与工程开发设计研究之间建立一个桥梁，如何将研究结果为高级工程设计技术人员所掌握，并最大限度地应用于工程咨询、工程开发与设计研究?这正是本时期应用基础研究所追求的目标。此后，随着计算机图形学、计算机微机技术的快速进步，CFD的前后处理软件得到了迅速发展，如GRAPHER，GRAPHER TOOL，ICEM－CFD等等。同时，一些经济实力雄厚的实体也见到了CFD 应用软件的巨大商机，纷纷介入。如美国的FLUNENT、ANSYS及英国的AEA等。

4.2计算机流体力学应用

石油生产包括水力射孔、压裂、采油及注水等工艺过程，其生产管柱及井下工具的设计中，传统方法是将流体对管柱的作用通过摩擦阻力形式施加到管柱上，进行结构设计和强度校核来确定管柱的结构和尺寸，而流体流态对管柱及井下工具的影响一直没有考虑[12,13]。

压裂管柱通常由安全接头、水力锚、扶正器、封隔器、底喷嘴、短接和喷砂器等组成。管柱中各工具在连接的过程中，在节流嘴、变口接头及喷砂器等部位形成复杂流态，引起工具的局部冲刷磨损，尤其在大排量大砂量施工过程中，磨损现尤为突出，因此，有必要对压裂管柱主要磨损部位进行数值模拟研究[14,15]。

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