全通径滑套可溶球座冲蚀数值模拟优化与试验研究

李夯

摘要：针对常规投球滑套压裂级数受限、球座钻除难度大、无法实现井筒全通径等问题，开展了全通径可溶球座式滑套的研究，通过Fluent软件对全通径滑套用压裂球座进行冲蚀模拟。采用空间填充设计法对球座 “凹面”结构进行参数试验，并对其进行响应面预测通过筛选法寻求参数最优值。优选石墨烯、硬质合金两种表现耐冲蚀涂层，通过冲蚀现场试验对比了两种材料的耐冲蚀效果。结果表明：经过响应面参数优化后的 “凹面”结构球座平均量损失相比原模型明显降低，经过冲蚀测试发现表面硬质合金球座耐冲蚀性能优于石墨烯球座。研究成果对球座耐冲蚀磨损性能优化改进有指导意义。

关键词：全通径滑套；可溶球座；结构优化

中图分类号：TE934.2

文献标识码：A

doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2024.01.005

Numerical Simulation Optimization and Experimental Study on Erosion of Full

Bore Sliding Sleeve Soluble Ball Seat

LI Hang

（Sinopec Research Institute of Petroleum Engineering，Beijing 100101，China）

Abstract：In response to the problems of limited fracturing stages， difficulty in drilling ball sockets， and inability to achieve full wellbore diameter in conventional ball throwing sliding sleeves， a study was conducted on the full diameter soluble ball socket type sliding sleeve. Erosion simulation was conducted using fluent software on the fracturing ball socket used for full-bore sliding sleeves. The space-filling design method was used to conduct parameter tests on the “concave”structure of the ball socket， and the response surface prediction was performed to seek the optimal parameter value through the screening method. Graphene and cemented carbide were preferred to be erosion-resistant coatings， and the erosion resistance effects of the two materials were compared through erosion field tests. The results show that the average loss of the concave structure ball seat after optimization of response surface parameters is significantly lower than that of the original model， and the erosion test shows that the erosion resistance of the surface carbide ball seat is better than that of the graphene ball seat. The research results have a guiding significance for optimizing and improving the erosion and wear resistance of ball seats.

Key words：full-bore sliding sleeve; soluble ball seat; structural optimization

水平井分段壓裂技术是提高油气产量的重要措施，近年来被广泛应用于各大非常规油气田^［1-4］。其中，压裂滑套作为一种关键分段压裂工具是实现压裂的核心，通过投球打开滑套建立压裂流道对滑套所在储层实施压裂，而压裂成功的关键在于球座与所投憋压球间的密封性能^［5］。作为整个工具的关键零部件，对球座工作可靠性的保证则是整个压裂施工过程需要考虑的重要问题。随着可溶复合金属材料的出现，可在压裂后自动在井下流体中溶解的可溶球座被用于投球滑套中。但由于可溶球座的铝合金基体材料耐冲蚀性能较差，在压裂作业的恶劣工况条件下，球座会被高温高压携砂流体不断高速冲击，造成球座壁面的严重磨损，使得憋压球与球座接触时不能有效封堵流体，导致滑套不能正常打开，无法对储层进行压裂，进而严重影响油气生产效率和经济利益。因此，需要对可溶球座的冲蚀特性进行研究，最大效益地提升可溶球座的抗冲蚀磨损性能。

在球座抗冲蚀磨损的结构优化研究方面，通常有两种思路，一是研究锥面排布角度对冲蚀磨损的影响研究，二是研究不同锥面结构以提高球座抗冲蚀磨损性能。针对后者，文献［6］基于CFD仿真分析的手段对“双锥”、“凹面”、“凸面”等形式做了研究对比，发现“双锥”、“凹面”结构能够有效提高球座抗冲蚀性能。针对双锥球座方面，文献［7］做出了具体的参数优化设计，但针对“凹面”结构球座的研究，相关文献并没有具体从结构参数上对凹面结构球座进行参数改进。

因此，本文的研究方法主要是基于CFD仿真手段，对凹面球座结构进行响应面优化设计。此外，通过试验评价三种表面材料可溶球座的耐冲蚀性能，优选高强度表面材料，实现可溶球座球座压裂施工过程中的耐冲蚀及压后的有效降解。

1 可溶球座数理模型

1.1 湍流模型

在进行水平井分段压裂时，根据对其压裂液流动时雷诺数的计算，判别该压裂液在球座中的流动为湍流，因此，在数值模拟中采用标准k-ε湍流模型，该模型有湍流脉动动能k和扩散率ε组成，适用范围较广、精度较高，适合完全湍流的流动过程模拟^［8］。k-ε模型运输方程如下：

湍流动能方程（k方程）：

耗散方程（ε方程）：

1.2 冲蚀模型

采用离散相模型对球座内固相颗粒进行追踪，整体冲蚀速率公式为：

2 模型建立及边界条件设置

根据现有水平井分段压裂技术，建立凹面结构投球滑套球座模型。设计球座锥段最大直径为100 mm。为了使流体能够稳定地流入球座内部通道，球座向左端流体区域延伸50 mm。采用ANSYS mesh模块对模型进行网格划分。流体域网格采用多域扫掠型划分六面体网格模型网格，如图1所示。

球座仿真模拟时定义边界条件参数为：携砂液排量5 m³/min，固相颗粒粒径0.5 mm，質量流量14.2 kg/s，入口边界设置为速度入口，v=Q/A=10.6 m/s；出口边界设置为压力出口，压力大小为46 MPa；水力直径D=4A/L=0.1 m。

3 结构优化

首先，通过Solidworks对凹面结构球座进行参数化建模，然后导入Fluent软件中进行冲蚀数值模拟。待初始模型样本点计算完成后，启用ANSYS 响应面优化模块，确定优化参数，选择OSF试验设计，采用最大-最小距离设计类型。采用标准响应面模拟出变量与目标值的响应面，最后选择筛选法（Screening）寻找响应面极值，找出最佳优化参数。

3.1 优化模型

凹面结构球座模型优化中，取凹弧段半径R与弧段水平长度L为待优化参数。初始尺寸模型与参数值如图2与表1所示。

3.2 拟合度评价与响应面优化

图3是对响应面预测模型进行的线性回归检验，当离散点越靠近直线说明拟合性较好；表2是拟合度评价表，其拟合度指标分别用决定系数R²与均方根差δ_RMSE来评价^［13］。由图表可知，“凹面”结构球座决定系数为0.999 75，均方根差为2.391 4×10^-11，接近其最佳值（1、0）。由此可见，该响应面模型计算结果可信。

由图4可知，对于“凹面”结构球座，参数组合情况下对球座冲蚀磨损率的影响是非线性的，其响应面上存在冲蚀率最低值的极值点。在两因素耦合作用下，随着 R段尺寸减小和L段尺寸的增大时，球座的冲蚀率则呈现上升趋势。

表3是凹面结构下由筛选法得到的优化后的最佳参数尺寸。结果发现，参数优化后的凹面球座模型的冲蚀率相比原模型冲蚀率有明显的下降，说明了通过响应面方法对球座抗冲蚀磨损性能的提升是可行的。

4 球座冲蚀试验及结果分析

4.1 冲蚀试验材料选择及过程

测试无表面涂层的可溶镁铝合金材料和石墨烯可溶合金材料，以及有表面硬质合金涂层的可溶镁铝合金球座的冲蚀性能。其中石墨烯可溶合金球座是以可溶镁铝合金为基体材料，引入石墨烯技术，即在镁铝合金材料中按照一定比例加入石墨烯纳米片，提高材料的整体强度，该材料的的屈服强度可达469 MPa，比常规可溶合金材料强度提升50%以上。表面硬质合金涂层球座是在常规可溶镁铝合金表面喷涂硬质合金，硬质合金涂层的厚度在5～8 μm之间^［14］。

采用图5试验流程进行冲蚀试验，其具体的操作流程和参数为：在搅拌池内进行配置含砂比为30%的携砂液，待搅拌均匀后，开启节流阀，打开离心泵，通过节流阀调节流体流量为240 m³/h，使携砂液在指定工况下循环流动。^［15］

4.2 冲蚀试验结果分析

图6～7分别为球座冲蚀质量损失和宏观形貌，由图6可知，在前32 h时间段内，各个球座在每个时间段内的质量损失并非是均匀变化的，而是存在一个波动范围，从石墨烯2号的冲蚀时间延长来看，球座质量损失逐渐趋于稳定。由图7可知，在经过长时间冲蚀后，硬质合金球座和表面未处理球座壁面光滑，而石墨烯球座较为完整，保护了锥面末端的投球密封面，因此比其余两种球座冲蚀性能更好。

5 结论

通过在试验工况240 m³/h，含砂比30%条件下对三种表面材料球座进行冲蚀试验；并在仿真工况排量5（m³/min），固相颗粒粒径0.5 mm，质量流量14.2 kg/s条件下对凹面球座冲蚀结构进行分析优化，结果如下：

1） 冲蚀试验发现石墨烯球座耐冲蚀性能优于硬质合金球座。

2） 响应面参数优化后的 “凹面”结构球座平均量损失与初始模型相比明显下降，响应面分析手段对球座抗冲蚀磨损性能的提升具有较好效果。

参考文献：

［1］陈建飞，罗楚湘.水平井分段压裂工艺技术综述［J］.辽宁化工，2017，46（7）：684-686+689.

［2］韩红星.油田低渗透油藏开发技术研究［J］.化工设计通讯，2018，44（11）：47.

［3］张诗航，杨烨，王翔.水平井分段压裂与滑套球座冲蚀磨损研究［J］.石化技术，2016，23（10）：230.

［4］余东海.水平井分段压裂技术的研究与探讨［J］.化学工程与装备，2018（7）：62-63.

［5］李强，董社霞，路振兴，等.投球式滑套球座冲蚀磨损及评价方法研究［J］.润滑与密封，2016，41（7）：115-119+142.

［6］向正新，李思行，钱利勤，等.压裂球座冲蚀磨损规律研究和结构优化［J］.工程设计学报，2017，24（5）：555-562.

［7］李斌，张珍珍，沈桓宇，等.投球滑套双锥度球座的冲蚀磨损优化研究［J］.石油机械，2015，43（9）：117-120.

［8］熊莉芳，林源，李世武.湍流模型及其在FLUENT软件中的应用［J］.工业加热，2007（4）：13-15.

［9］李莉，张赛，何强，胡学斌.响应面法在试验设计与优化中的应用［J］.实验室研究与探索，2015，34（8）：41-45.

［10］王国荣，楚飞，范红康，等.基于响应面法的新型控压钻井节流阀优化设计［J］.系统仿真学报，2015，27（5）：1133-1137.

［11］张锦川. 基于DoE的多级轴流压气机气动优化设计［D］.南昌：南昌航空大学，2012.

［12］赵紫岩. 基于DOE和代理模型的结构优化设计方法及应用研究［D］.西安：西安建筑科技大学，2017.

［13］吴鹏，师涛，赵世刚，等.基于ANSYS和响应面法的排管机立柱优化设计［J］.石油机械，2019，47（2）：40-48.

［14］钟林，冯桂弘，朱和明，等.压裂球座结构优化分析及耐冲蚀研究［J］. 表面技术， 2021，50（6）：213-219+228.

［15］马明新，杨海波，徐鑫，等.分段压裂球座材料及流道优化研究［J］. 石油机械， 2021，43（6）， 71-75.