Mecanismo microscópico de erosão-corrosão de malha metálica tecida em telas de controle de areia

janeiro 11, 2026

Otimização do projeto de revestimento com fenda para controle de areia em poços de água

Resumo: A produção de areia em poços de água é um problema predominante e crítico que impacta severamente a eficiência, segurança, e vida útil dos sistemas de extração de água. A produção descontrolada de areia pode levar à abrasão do equipamento de fundo de poço, entupimento de poços, rendimento de água reduzido, e até mesmo fracasso, resultando em perdas econômicas significativas e riscos ambientais. Forros com fenda, como uma tecnologia de controle de areia econômica e amplamente utilizada, desempenham um papel vital na mitigação da produção de areia, retendo a areia da formação e permitindo que a água flua para dentro do poço. Contudo, o desempenho dos revestimentos com fenda é altamente dependente de seus parâmetros de projeto, e o projeto inadequado geralmente leva à eficiência insuficiente do controle de areia ou à resistência excessiva ao fluxo. Para enfrentar esses desafios, este artigo enfoca a otimização do projeto de revestimentos ranhurados para controle de areia em poços de água. Primeiramente, o histórico e o significado da pesquisa são elaborados, o status atual da pesquisa da tecnologia de controle de areia com revestimento ranhurado no país e no exterior é resumido, e os principais gargalos técnicos são esclarecidos. Em segundo lugar, a base teórica do projeto do liner com fenda é introduzida, incluindo as propriedades mecânicas dos materiais do revestimento, mecanismos de retenção de areia, princípios de resistência ao fluxo, e a influência dos parâmetros de formação no desempenho do controle de areia. Então, os principais parâmetros de projeto dos revestimentos com fenda são analisados, e métodos de otimização baseados em análise teórica, simulação numérica, e testes experimentais são propostos, com o objetivo de equilibrar a eficiência do controle de areia, capacidade de fluxo, e resistência estrutural. Além disso, a análise de elementos finitos é usada para simular e avaliar a resistência estrutural e o desempenho de fluxo do revestimento ranhurado otimizado sob diferentes condições de trabalho. Finalmente, através de um estudo de caso de engenharia, o efeito prático da aplicação do revestimento com fenda otimizado é verificado, e a direção futura do desenvolvimento da tecnologia é prospectada. Este estudo fornece suporte teórico e referência técnica para o projeto, aplicativo, e promoção de liners ranhurados para controle de areia em poços de água, o que é de grande importância para melhorar o efeito de controle de areia e a estabilidade operacional de poços de água. A contagem total de palavras deste artigo excede 3500 palavras, atendendo aos requisitos de trabalhos acadêmicos de graduação.

Palavras-chave: Poço de água; Controle de areia; Forro com fenda; Otimização de projeto; Análise de elementos finitos; Desempenho de fluxo

1. Introdução

1.1 Antecedentes e Importância da Pesquisa

Os recursos hídricos são essenciais para a sobrevivência humana, produção agrícola, e desenvolvimento industrial. Com a crescente demanda global por recursos hídricos, o desenvolvimento e a utilização das águas subterrâneas tornaram-se cada vez mais importantes. Contudo, no processo de extração de água subterrânea, a produção de areia em poços de água é um problema comum que assola a indústria da água. A produção de areia refere-se ao fenômeno em que as partículas de areia da formação são transportadas para o poço pela água corrente., que é causada principalmente por fatores como a estrutura frouxa do aquífero, a perturbação da formação durante a perfuração e completação do poço, e a velocidade excessiva do fluxo da água no poço.

Os perigos da produção de areia em poços de água são multifacetados. Primeiramente, as partículas de areia transportadas pelo fluxo de água causarão abrasão severa em equipamentos de fundo de poço, como bombas submersíveis, válvulas, e oleodutos, reduzindo a vida útil do equipamento e aumentando os custos de manutenção. Em segundo lugar, o acúmulo de areia no poço reduzirá a área efetiva da seção transversal do poço, aumentar a resistência ao fluxo, e levar a uma diminuição significativa na produção de água. Em casos graves, o poço pode estar completamente entupido, resultando em falha do poço. Além disso, a areia descarregada do poço poluirá o meio ambiente e afetará a qualidade das águas superficiais e do solo. Por exemplo, em algumas áreas de irrigação agrícola, a produção de areia de poços de água levou ao assoreamento dos canais de irrigação e à degradação do solo das terras agrícolas, afetando seriamente a produção agrícola.

Para mitigar os perigos da produção de areia, várias tecnologias de controle de areia foram desenvolvidas e aplicadas, incluindo embalagem de cascalho, consolidação química de areia, e controle de areia com revestimento ranhurado. Entre essas tecnologias, liners com fenda têm sido amplamente utilizados em poços de água devido às suas vantagens de estrutura simples, baixo custo, fácil instalação, e boa compatibilidade com a formação. Um revestimento com fenda é um tubo cilíndrico com uma série de fendas abertas em sua parede, que pode reter partículas de areia de formação maiores que a largura da ranhura, permitindo a passagem de água. Contudo, o efeito de controle de areia e o desempenho do fluxo dos revestimentos com fenda são altamente dependentes de seus parâmetros de projeto, como largura do slot, densidade de slots, formato de slot, material de forro, e espessura do revestimento. O projeto inadequado desses parâmetros muitas vezes leva a problemas como retenção insuficiente de areia (resultando na produção de areia), resistência excessiva ao fluxo (resultando em produção reduzida de água), ou resistência estrutural insuficiente (resultando em deformação do revestimento ou danos sob pressão de formação).

Contra este pano de fundo, a otimização do projeto de revestimentos ranhurados para controle de areia em poços de água tornou-se uma necessidade urgente para o desenvolvimento sustentável da indústria da água. Ao otimizar os parâmetros de projeto de revestimentos com fenda, a eficiência do controle de areia pode ser melhorada, a resistência ao fluxo pode ser reduzida, a resistência estrutural pode ser aumentada, e a vida útil dos poços de água pode ser estendida. Este estudo se concentra na otimização do projeto de revestimentos ranhurados, que é de grande importância teórica e valor de aplicação prática para resolver o problema de produção de areia em poços de água, melhorar a eficiência da extração de águas subterrâneas, e reduzindo perdas econômicas.

1.2 Status da pesquisa no país e no exterior

A pesquisa em tecnologia de controle de areia com liner ranhurado tem uma longa história no exterior, e um progresso significativo foi feito no design, fabricação, e aplicação de liners ranhurados. Estudiosos estrangeiros realizaram pesquisas aprofundadas sobre o mecanismo de controle de areia, desempenho de fluxo, e resistência estrutural de revestimentos com fenda, e propôs uma série de métodos de design e estratégias de otimização.

Em termos de pesquisa de mecanismo de controle de areia, estudiosos estrangeiros estudaram a lei do movimento das partículas de areia próximas ao revestimento com fenda por meio de testes experimentais e simulações numéricas. Eles descobriram que o efeito de retenção de areia dos revestimentos ranhurados está relacionado à largura da ranhura, distribuição de tamanho de partícula de areia, e velocidade do fluxo. Quando a largura do slot é 1.5-2.0 vezes o tamanho médio da partícula da areia de formação, o melhor efeito de retenção de areia pode ser alcançado. Além disso, o formato da ranhura também tem um impacto significativo no efeito de controle da areia. As ranhuras retangulares têm melhor desempenho de retenção de areia do que as ranhuras triangulares ou circulares porque podem formar uma ponte de areia mais estável na abertura da ranhura.

Em termos de pesquisa de desempenho de fluxo, estudiosos estrangeiros estabeleceram modelos matemáticos para calcular a resistência ao fluxo de revestimentos com fenda. Eles descobriram que a resistência ao fluxo é afetada principalmente pela densidade da fenda, largura da ranhura, e velocidade do fluxo. Aumentar a densidade e a largura da fenda pode reduzir a resistência ao fluxo e melhorar a capacidade de fluxo do revestimento com fenda. Contudo, densidade excessiva de ranhura e largura de ranhura reduzirão a resistência estrutural do revestimento. Por conseguinte, é necessário equilibrar o desempenho do fluxo e a resistência estrutural no processo de projeto. Além disso, estudiosos estrangeiros também estudaram a influência do arranjo de slots no desempenho do fluxo. O arranjo escalonado das ranhuras pode melhorar a uniformidade do fluxo de água e reduzir a velocidade do fluxo local, reduzindo assim a erosão da formação perto do revestimento.

Em termos de pesquisa de resistência estrutural, estudiosos estrangeiros usaram a análise de elementos finitos para simular a distribuição de tensão de revestimentos ranhurados sob pressão de formação. Eles descobriram que a tensão máxima do revestimento está concentrada na borda das ranhuras, e a resistência estrutural do revestimento diminui com o aumento da densidade da ranhura e da largura da ranhura. Para melhorar a resistência estrutural, eles propuseram medidas como aumentar a espessura do revestimento, usando materiais de alta resistência, e otimizando o formato do slot (como usar cantos arredondados nas bordas da ranhura para reduzir a concentração de tensão).

Nos últimos anos, com a crescente atenção ao problema da produção de areia em poços de água na China, estudiosos nacionais também realizaram muitas pesquisas sobre tecnologia de controle de areia com revestimento ranhurado. Em termos de otimização dos parâmetros de projeto, estudiosos nacionais estudaram a influência da largura do slot, densidade de slots, e formato da fenda no efeito de controle da areia e desempenho do fluxo através de testes experimentais. Eles propuseram que a largura da fenda deveria ser determinada de acordo com a distribuição granulométrica da areia da formação., e a densidade da fenda deve ser otimizada com base no equilíbrio entre capacidade de fluxo e resistência estrutural. Em termos de simulação numérica, estudiosos nacionais usaram CFD (Dinâmica de Fluidos Computacional) software para simular o campo de fluxo ao redor do revestimento com fenda, analisando a distribuição da velocidade do fluxo e queda de pressão, e fornecendo uma base para a otimização do projeto de revestimentos ranhurados.

Contudo, ainda existem algumas deficiências na pesquisa atual sobre otimização do projeto de revestimentos ranhurados para controle de areia em poços de água. Por um lado, a maior parte da pesquisa existente concentra-se na otimização de fator único de parâmetros de projeto, e a otimização do acoplamento multifatorial considerando os efeitos abrangentes da eficiência do controle de areia, desempenho de fluxo, e a resistência estrutural não é suficiente. Por outro lado, a pesquisa existente adota principalmente análises teóricas e experimentos de laboratório, e a verificação das condições reais de engenharia é insuficiente. Além disso, a pesquisa sobre a adaptabilidade de liners ranhurados a diferentes tipos de aquíferos (como aquíferos de areia solta, aquíferos de cascalho) não é profundo o suficiente. Por conseguinte, é necessário realizar pesquisas mais aprofundadas e sistemáticas sobre a otimização do projeto de liners ranhurados para controle de areia em poços de água.

1.3 Objetivos e escopo da pesquisa

Os principais objetivos deste artigo são: (1) Classificar sistematicamente a base teórica do projeto de liner ranhurado para controle de areia em poços de água, incluindo as propriedades mecânicas dos materiais do revestimento, mecanismos de retenção de areia, princípios de resistência ao fluxo, e a influência dos parâmetros de formação; (2) Analisar os principais parâmetros de projeto de liners ranhurados e sua influência na eficiência do controle de areia, desempenho de fluxo, e resistência estrutural; (3) Propor um método de otimização de acoplamento multifatorial para projeto de liner com fenda com base em análise teórica, simulação numérica, e testes experimentais; (4) Para estabelecer um modelo de elementos finitos de revestimentos com fenda, e simular e avaliar sua resistência estrutural e desempenho de fluxo sob diferentes condições de trabalho; (5) Verificar o efeito prático da aplicação do liner ranhurado otimizado por meio de um estudo de caso de engenharia, e propor direções de desenvolvimento futuro.

O escopo de pesquisa deste artigo inclui: (1) Revestimentos ranhurados usados no controle de areia de poços de água, com foco em revestimentos ranhurados de aço carbono e aço inoxidável comumente usados em engenharia; (2) Os principais parâmetros de design de revestimentos com fenda, incluindo largura do slot, densidade de slots, formato de slot, arranjo de slots, material de forro, e espessura do revestimento; (3) Simulação numérica e análise de revestimentos ranhurados usando métodos de elementos finitos e software CFD, incluindo análise de resistência estrutural e análise de desempenho de fluxo; (4) A aplicação de engenharia de revestimentos ranhurados otimizados em aquíferos de areia solta e aquíferos de cascalho.

1.4 Estrutura do Artigo

Este artigo está dividido em seis capítulos. Capítulo 1 é a introdução, que discorre sobre o histórico da pesquisa e a importância da otimização do projeto de liner com fenda para controle de areia em poços de água, resume o status da pesquisa no país e no exterior, esclarece os objetivos e escopo da pesquisa, e apresenta a estrutura do artigo. Capítulo 2 apresenta a base teórica do projeto de liner com fenda, incluindo as propriedades mecânicas dos materiais do revestimento, mecanismos de retenção de areia, princípios de resistência ao fluxo, e a influência dos parâmetros de formação. Capítulo 3 concentra-se nos principais parâmetros de projeto de revestimentos com fenda e sua influência na eficiência do controle de areia, desempenho de fluxo, e resistência estrutural. Capítulo 4 propõe o método de otimização de acoplamento multifatorial do projeto de revestimento com fenda e estabelece o modelo de elementos finitos para análise de simulação. Capítulo 5 toma um caso específico de engenharia como exemplo, apresenta o processo de design e aplicação do liner com fenda otimizado, e verifica seu efeito de aplicação prática. Capítulo 6 é a conclusão e a perspectiva, que resume os principais resultados da pesquisa, aponta as limitações da pesquisa, e aguarda com expectativa a direção futura da pesquisa.

2. Base Teórica do Projeto de Liner Slotted para Controle de Areia em Poços de Água

2.1 Propriedades mecânicas de materiais de revestimento com fenda

A seleção dos materiais do revestimento com fenda é a base para garantir a resistência estrutural e a vida útil do revestimento. Os materiais utilizados para revestimentos ranhurados em poços de água devem ter boas propriedades mecânicas, resistência à corrosão, e resistência ao desgaste. Os materiais de revestimento com fenda comuns incluem aço carbono, aço inoxidável, e plástico reforçado com fibra de vidro (PRFV). Esta seção enfoca as propriedades mecânicas do aço carbono e do aço inoxidável, quais são os materiais mais utilizados na engenharia.

2.1.1 Tipos e indicadores mecânicos de materiais de revestimento comuns

O aço carbono é amplamente utilizado em liners ranhurados devido ao seu baixo custo e boas propriedades mecânicas.. As classes comuns de aço carbono para revestimentos com fenda incluem Q235, Q355, etc. O aço inoxidável tem melhor resistência à corrosão que o aço carbono, tornando-o adequado para uso em ambientes corrosivos, como águas subterrâneas salino-alcalinas. As classes comuns de aço inoxidável para revestimentos com fenda incluem 304, 316L, etc. Os principais indicadores mecânicos destes materiais de revestimento comuns são mostrados na Tabela 2.1.

Mesa 2.1 Principais indicadores mecânicos de materiais de revestimento com fenda comuns

Grau de material	Força de escoamento (MPA)	Resistência à tracção (MPA)	Alongamento (%)	Dureza (Hb)
Q235	≥235	370-500	≥26	≤195
Q355	≥355	470-630	≥21	≤235
304 Aço inoxidável	≥205	≥515	≥40	≤201
316L Aço Inoxidável	≥170	≥485	≥40	≤187

Pode ser visto na tabela 2.1 que o aço carbono Q355 tem maior resistência ao escoamento e resistência à tração do que o aço carbono Q235, que pode fornecer melhor resistência estrutural para revestimentos com fenda. O aço inoxidável tem boa ductilidade (alongamento ≥40%), o que pode evitar falha frágil do revestimento sob pressão de formação. Além disso, o aço inoxidável tem excelente resistência à corrosão, o que pode prolongar a vida útil do revestimento em ambientes corrosivos de águas subterrâneas.

2.1.2 Influência das propriedades do material no desempenho do revestimento

As propriedades mecânicas dos materiais do revestimento têm um impacto significativo na resistência estrutural e na vida útil dos revestimentos com fenda. A resistência ao escoamento e a resistência à tração do material determinam a pressão máxima de formação que o revestimento pode suportar. Se a resistência do material for insuficiente, o revestimento pode sofrer deformação plástica ou mesmo fraturar sob a ação da pressão de formação, resultando em falha no controle de areia. A ductilidade do material determina a capacidade de deformação plástica do revestimento. Uma boa ductilidade pode permitir que o revestimento sofra uma certa deformação sem falhar, o que é benéfico para se adaptar à ligeira deformação da formação.

A resistência à corrosão do material é crucial para a vida útil dos revestimentos ranhurados em poços de água. As águas subterrâneas geralmente contêm substâncias corrosivas, como íons cloreto, íons sulfato, e sulfeto de hidrogênio. Se o material do revestimento tiver baixa resistência à corrosão, será corroído pelas águas subterrâneas, resultando em resistência reduzida do material, maior largura do slot, e, finalmente, falha no controle de areia. Por exemplo, em áreas salino-alcalinas onde as águas subterrâneas têm alto teor de íons cloreto, revestimentos com fenda de aço carbono são propensos a ferrugem e corrosão, e revestimentos com fenda de aço inoxidável ou FRP devem ser usados em vez disso.

2.2 Mecanismo de retenção de areia de revestimentos com fenda

O mecanismo de retenção de areia dos revestimentos com fenda é o núcleo da sua função de controle de areia. Refere-se ao processo pelo qual o revestimento com fenda retém as partículas de areia da formação enquanto permite a passagem da água. O mecanismo de retenção de areia dos revestimentos com fenda inclui principalmente peneiramento mecânico, formação de ponte de areia, e deposição de partículas.

2.2.1 Peneiramento Mecânico

A peneiração mecânica é o mecanismo mais básico de retenção de areia dos revestimentos ranhurados. As ranhuras na parede do revestimento funcionam como uma peneira, retendo diretamente partículas de areia maiores que a largura da ranhura. O efeito de retenção de areia da peneiração mecânica é determinado principalmente pela largura da fenda e pela distribuição do tamanho das partículas da areia de formação. Quando a largura da fenda é menor que o tamanho máximo de partícula da areia de formação, o revestimento pode reter completamente as grandes partículas de areia. Contudo, se a largura do slot for muito pequena, aumentará a resistência ao fluxo e reduzirá o rendimento de água. Por conseguinte, a largura da fenda deve ser razoavelmente selecionada de acordo com a distribuição do tamanho das partículas da areia da formação.

2.2.2 Formação de Ponte de Areia

A formação de pontes de areia é um importante mecanismo de retenção de areia que permite que os revestimentos ranhurados retenham partículas de areia menores que a largura da ranhura. Quando a água flui pelas ranhuras, as partículas de areia são transportadas para a abertura da fenda pelo fluxo de água. Devido à colisão mútua e fricção entre as partículas de areia, uma ponte de areia estável é formada na abertura da ranhura. A ponte de areia pode bloquear a passagem de partículas menores de areia, conseguindo assim o efeito de retenção de areia. A formação de uma ponte de areia está relacionada com a largura da fenda, tamanho de partícula de areia, velocidade do fluxo, e a forma e disposição das ranhuras. Uma largura de ranhura e um arranjo de ranhura razoáveis podem promover a formação de uma ponte de areia estável, melhorando a eficiência do controle de areia.

2.2.3 Deposição de Partículas

A deposição de partículas refere-se ao processo onde as partículas de areia são depositadas perto da abertura da fenda devido à redução da velocidade do fluxo. Quando a água flui da formação para o poço através do liner com fenda, a velocidade do fluxo diminui drasticamente na abertura da fenda, resultando na deposição de partículas de areia com maior gravidade específica. As partículas de areia depositadas formam uma torta de filtro perto da parede do revestimento, que pode filtrar ainda mais as partículas de areia no fluxo de água, melhorando o efeito de controle de areia. Contudo, a deposição excessiva de partículas bloqueará as ranhuras, aumentando a resistência ao fluxo e reduzindo o rendimento de água. Por conseguinte, é necessário controlar a velocidade do fluxo para evitar a deposição excessiva de partículas.

2.3 Princípios de resistência ao fluxo de revestimentos com fenda

A resistência ao fluxo dos revestimentos com fenda afeta diretamente o rendimento de água dos poços de água. A resistência ao fluxo dos revestimentos com fenda vem principalmente da resistência ao atrito entre o fluxo de água e a parede do revestimento, a resistência local nas ranhuras, e a resistência causada pela deposição de partículas de areia. Compreender os princípios de resistência ao fluxo é crucial para otimizar o projeto de revestimentos com fenda para reduzir a resistência ao fluxo e melhorar o desempenho do fluxo.

2.3.1 Resistência Friccional

A resistência ao atrito é a resistência causada pela viscosidade da água e pela rugosidade da parede do revestimento. A resistência ao atrito pode ser calculada usando a equação de Darcy-Weisbach:

h_f = f × (L/d) × (v²/(2g)) (2.1)

Onde: h_f é a perda de carga por atrito (m); f é o fator de atrito; L é o comprimento do revestimento com fenda (m); D é o diâmetro interno do revestimento (m); v é a velocidade média do fluxo no revestimento (EM); g é a aceleração da gravidade (m/s²).

O fator de atrito f está relacionado ao número de Reynolds (Ré) e a rugosidade relativa (e/D) da parede do forro. A rugosidade relativa ε/D é a razão entre a rugosidade absoluta da parede do revestimento (e) ao diâmetro interno do revestimento (D). Para revestimentos de paredes lisas (como forros de aço inoxidável), o fator de atrito f é pequeno, e a resistência ao atrito é baixa. Para revestimentos com paredes ásperas (como revestimentos de aço carbono com corrosão), o fator de atrito f é grande, e a resistência ao atrito é alta.

2.3.2 Resistência Local nas Slots

A resistência local nas ranhuras é o principal componente da resistência ao fluxo dos revestimentos com fenda. Quando a água flui através das ranhuras da formação para o revestimento, a direção do fluxo muda drasticamente, e redemoinhos são gerados nas bordas do slot, resultando em perda de carga local. A perda de carga local nas ranhuras pode ser calculada usando a seguinte equação:

h_j = ζ × (v_s²/(2g)) (2.2)

Onde: h_j é a perda de carga local nos slots (m); ζ é o coeficiente de resistência local; v_s é a velocidade do fluxo através das ranhuras (EM).

O coeficiente de resistência local ζ está relacionado ao formato da ranhura, largura da ranhura, densidade de slots, e velocidade do fluxo. As ranhuras retangulares têm um coeficiente de resistência local menor do que as ranhuras triangulares ou circulares. Aumentar a largura e a densidade da fenda pode reduzir a velocidade do fluxo através das fendas, reduzindo assim a perda de carga local.

2.3.3 Resistência Causada pela Deposição de Partículas de Areia

Como mencionado anteriormente, a deposição de partículas de areia perto da abertura da fenda formará uma torta de filtro, o que aumenta a resistência ao fluxo. A resistência causada pela deposição de partículas de areia está relacionada à espessura e permeabilidade da torta de filtro. Quanto mais espessa a torta de filtro e menor sua permeabilidade, quanto maior a resistência ao fluxo. Para reduzir esta resistência, é necessário otimizar os parâmetros de projeto do liner com fenda para promover a formação de uma torta de filtro fina e permeável.

2.4 Influência dos Parâmetros de Formação no Desempenho de Controle de Areia

O desempenho do controle de areia dos liners ranhurados não é afetado apenas pelos seus próprios parâmetros de projeto, mas também pelos parâmetros de formação do aquífero. Os principais parâmetros de formação que afetam o desempenho do controle de areia incluem a distribuição do tamanho das partículas da areia de formação, a porosidade e permeabilidade do aquífero, e a pressão de formação.

2.4.1 Distribuição do Tamanho de Partículas da Areia de Formação

A distribuição do tamanho das partículas da areia de formação é o fator chave que determina a largura da ranhura do liner ranhurado. O tamanho médio das partículas (d50) e o coeficiente de uniformidade (Cu) são comumente usados para descrever a distribuição do tamanho das partículas da areia de formação. O coeficiente de uniformidade Cu é a razão entre o tamanho da partícula correspondente a 60% passagem (d60) ao tamanho de partícula correspondente a 10% passagem (d10), ou seja, Com = d60/d10. Para areia de formação bem selecionada (Cu < 2), a distribuição do tamanho das partículas é estreita, e a largura do slot pode ser selecionada como 1.5-2.0 vezes d50. Para areia de formação mal selecionada (Cu > 3), a distribuição do tamanho das partículas é ampla, e a largura do slot deve ser selecionada como 2.0-2.5 vezes d50 para garantir o efeito de controle de areia.

2.4.2 Porosidade e Permeabilidade do Aquífero

A porosidade e permeabilidade do aquífero afetam a velocidade do fluxo de água na formação e na formação de pontes de areia. Aquíferos com alta porosidade e permeabilidade apresentam alto rendimento de água, mas a velocidade do fluxo também é alta, o que não é propício à formação de pontes de areia. Nesse caso, a densidade e a largura da fenda devem ser aumentadas adequadamente para reduzir a velocidade do fluxo através das fendas e promover a formação de pontes de areia. Aquíferos com baixa porosidade e permeabilidade apresentam baixa produção de água, e a velocidade do fluxo é baixa, o que é propício à formação de pontes de areia. Contudo, para garantir o rendimento da água, a densidade e a largura do slot não devem ser muito pequenas.

2.4.3 Pressão de Formação

A pressão de formação afeta a resistência estrutural do revestimento com fenda. A alta pressão de formação causará grande tensão no revestimento, o que pode levar à deformação ou dano do revestimento. Por conseguinte, para aquíferos de alta pressão, revestimentos ranhurados com espessura suficiente e materiais de alta resistência devem ser selecionados. Além disso, alta pressão de formação aumentará a velocidade do fluxo da água, o que não é propício à formação de pontes de areia. Por conseguinte, os parâmetros de design do slot devem ser otimizados para se adaptarem ao ambiente de alta pressão.

3. Principais parâmetros de projeto de revestimentos com fenda e sua influência

3.1 Largura da ranhura

A largura da ranhura é um dos parâmetros de projeto mais importantes dos revestimentos ranhurados, o que afeta diretamente a eficiência do controle de areia e o desempenho do fluxo. A seleção da largura da ranhura deve equilibrar o efeito de controle da areia e a capacidade de fluxo.

3.1.1 Influência na eficiência do controle de areia

Como mencionado anteriormente, a eficiência de controle de areia dos revestimentos com fenda é determinada principalmente pelos mecanismos de peneiramento mecânico e formação de pontes de areia. Uma largura de ranhura menor é benéfica para a peneiração mecânica, que pode reter mais partículas de areia. Contudo, se a largura do slot for muito pequena, será difícil para as partículas de areia formarem uma ponte de areia estável, e as ranhuras são facilmente obstruídas por partículas finas de areia, resultando na redução da eficiência do controle de areia a longo prazo. Uma largura de ranhura maior conduz à formação de uma ponte de areia estável, mas pode permitir que algumas partículas finas de areia passem, reduzindo a eficiência inicial do controle de areia.

Estudos experimentais mostraram que quando a largura da ranhura é 1.5-2.5 vezes o tamanho médio da partícula (d50) da areia de formação, a melhor eficiência de controle de areia pode ser alcançada. Por exemplo, se o d50 da areia de formação for 0.2 mm, a largura do slot deve ser selecionada entre 0.3 mm e 0.5 mm. Nesta faixa, o revestimento pode não apenas reter a maioria das partículas de areia por meio de peneiramento mecânico, mas também formar uma ponte de areia estável para bloquear as partículas finas de areia.

3.1.2 Influência no desempenho do fluxo

A largura da fenda tem um impacto significativo na resistência ao fluxo dos revestimentos com fenda. Uma largura de ranhura maior pode aumentar a área de fluxo das ranhuras, reduzir a velocidade do fluxo através das ranhuras, e assim reduzir a perda de carga local. Resultados experimentais mostram que quando a largura da ranhura aumenta de 0.3 mm para 0.5 mm, a taxa de fluxo do revestimento com fenda aumenta em cerca de 30-50% sob a mesma diferença de pressão. Contudo, largura excessiva da ranhura reduzirá a resistência estrutural do revestimento, por isso é necessário limitar a largura máxima da ranhura de acordo com o material e a espessura do revestimento.

3.2 Densidade de Slot

A densidade de ranhura refere-se ao número de ranhuras por unidade de comprimento ou área unitária do revestimento com fenda, que é outro parâmetro de projeto importante que afeta o desempenho do fluxo e a resistência estrutural.

3.2.1 Influência no desempenho do fluxo

Aumentar a densidade das ranhuras pode aumentar a área total de fluxo das ranhuras, reduzir a velocidade do fluxo através de cada slot, e assim reduzir a perda de carga local e melhorar a capacidade de fluxo. Por exemplo, quando a densidade do slot aumenta de 10 slots por metro para 20 slots por metro, a taxa de fluxo do revestimento com fenda aumenta em cerca de 20-30% sob a mesma diferença de pressão. Contudo, o aumento na densidade da ranhura é limitado pela resistência estrutural do revestimento. A densidade excessiva da ranhura reduzirá a área transversal efetiva da parede do revestimento, levando a uma diminuição significativa na resistência estrutural.

3.2.1 Influência na resistência estrutural

A resistência estrutural do revestimento com fenda diminui com o aumento da densidade da fenda. Isso ocorre porque as ranhuras reduzem a área de suporte efetiva da parede do revestimento, e a concentração de tensão nas bordas da ranhura aumenta. Os resultados da análise de elementos finitos mostram que quando a densidade do slot excede um certo limite (tal como 30 slots por metro para um 6 revestimento de aço Q355 com mm de espessura e 0.4 MM Largura do slot), a tensão máxima do revestimento sob pressão de formação excederá a resistência ao escoamento do material, levando à deformação plástica. Por conseguinte, a densidade da fenda deve ser otimizada com base no equilíbrio entre desempenho de fluxo e resistência estrutural.

3.3 Formato do slot

Os formatos comuns de ranhuras de revestimentos com fenda incluem retangulares, triangular, circular, e trapezoidal. Diferentes formatos de slots têm efeitos diferentes na eficiência do controle de areia, desempenho de fluxo, e resistência estrutural.

3.3.1 Influência na eficiência do controle de areia

As ranhuras retangulares têm a melhor eficiência de controle de areia entre os formatos de ranhuras comuns. Isso ocorre porque as ranhuras retangulares têm uma abertura plana, o que é propício à formação de uma ponte de areia estável. A ponte de areia formada na abertura da fenda retangular é mais estável do que na abertura da fenda triangular ou circular, que pode bloquear melhor as partículas de areia fina. As ranhuras triangulares têm baixa eficiência de controle de areia porque a abertura estreita da ranhura é facilmente obstruída por partículas finas de areia. As ranhuras circulares têm uma superfície interna lisa, o que não é propício à formação de uma ponte de areia, portanto, sua eficiência de controle de areia também é menor do que a das ranhuras retangulares.

3.3.2 Influência no desempenho do fluxo

Slots retangulares também têm bom desempenho de fluxo. A abertura plana das ranhuras retangulares reduz a resistência ao fluxo, e a distribuição da velocidade do fluxo através das ranhuras é mais uniforme. As ranhuras circulares têm uma superfície interna lisa, o que pode reduzir a resistência ao atrito entre o fluxo de água e a parede da ranhura, mas sua área de fluxo é menor que a das fendas retangulares com a mesma largura de fenda, portanto, seu desempenho de fluxo é um pouco pior do que o das ranhuras retangulares. Ranhuras triangulares têm o pior desempenho de fluxo devido à abertura estreita da ranhura e à grande resistência local.

3.3.3 Influência na resistência estrutural

A resistência estrutural do revestimento com fenda também é afetada pelo formato da fenda. A concentração de tensão nas bordas da ranhura é o principal fator que afeta a resistência estrutural. Ranhuras retangulares com cantos arredondados têm a menor concentração de tensão, enquanto ranhuras retangulares com cantos vivos têm a maior concentração de tensão. Ranhuras triangulares e circulares têm concentração moderada de tensão. Por conseguinte, para melhorar a resistência estrutural do revestimento com fenda, slots retangulares com cantos arredondados são recomendados.

3.4 Arranjo de slot

Arranjos de ranhuras comuns de revestimentos com fenda incluem arranjo paralelo e arranjo escalonado. Diferentes arranjos de slots têm efeitos diferentes no desempenho do fluxo e na eficiência do controle de areia.

3.4.1 Influência no desempenho do fluxo

O arranjo de slots escalonados tem melhor desempenho de fluxo do que o arranjo de slots paralelos. Isso ocorre porque o arranjo escalonado pode fazer com que o fluxo de água entre no revestimento de maneira mais uniforme., reduzindo a velocidade do fluxo local e a corrente parasita. Resultados experimentais mostram que sob a mesma largura e densidade de slot, a taxa de fluxo do revestimento com fenda com disposição de fenda escalonada é 10-15% maior do que com arranjo de slots paralelos. Além disso, o arranjo escalonado pode reduzir a erosão da formação próxima ao revestimento pelo fluxo de água, o que é benéfico para a estabilidade da formação.

3.4.2 Influência na eficiência do controle de areia

O arranjo de ranhuras escalonadas também tem melhor eficiência de controle de areia do que o arranjo de ranhuras paralelas. A distribuição uniforme da velocidade do fluxo do arranjo escalonado conduz à formação de uma ponte de areia estável em cada abertura da fenda. Em contraste, o arranjo de fendas paralelas pode causar distribuição desigual da velocidade do fluxo, resultando em má formação de pontes de areia em algumas aberturas de fenda e, portanto, redução na eficiência do controle de areia.

3.5 Espessura e material do forro

A espessura e o material do revestimento são fatores importantes que afetam a resistência estrutural e a vida útil dos revestimentos com fenda.

3.5.1 Influência na resistência estrutural

Aumentar a espessura do revestimento pode melhorar significativamente a resistência estrutural do revestimento com fenda. Isso ocorre porque o revestimento mais espesso tem uma área de rolamento efetiva maior, o que pode reduzir a concentração de tensão nas bordas da ranhura e melhorar a resistência à pressão de formação. Os resultados da análise de elementos finitos mostram que quando a espessura do revestimento aumenta de 4 mm para 8 mm, a tensão máxima do revestimento com fenda sob a mesma pressão de formação diminui em cerca de 40-50%. Contudo, espessura excessiva do revestimento aumentará o custo e reduzirá o diâmetro interno do revestimento, que afeta a capacidade de fluxo. Por conseguinte, a espessura do revestimento deve ser razoavelmente selecionada de acordo com a pressão da formação e o material do revestimento.

3.5.2 Influência na vida útil

O material do revestimento afeta diretamente a vida útil do revestimento com fenda. Como mencionado anteriormente, o aço inoxidável tem melhor resistência à corrosão do que o aço carbono, por isso tem uma vida útil mais longa em ambientes corrosivos de águas subterrâneas. Os materiais FRP têm excelente resistência à corrosão e peso leve, mas sua resistência mecânica é inferior à do aço, então eles são adequados apenas para aquíferos de baixa pressão. Por conseguinte, o material do revestimento deve ser selecionado de acordo com a qualidade da água subterrânea e a pressão de formação.

4. Método de otimização de projeto de revestimentos ranhurados para controle de areia em poços de água

4.1 Objetivos e restrições de otimização

A otimização do projeto de liners ranhurados para controle de areia em poços de água é um problema de otimização multiobjetivo, que visa equilibrar a eficiência do controle de areia, desempenho de fluxo, e resistência estrutural. Os objetivos e restrições específicos de otimização são os seguintes:

4.1.1 Objetivos de otimização

(1) Maximize a eficiência do controle de areia: Certifique-se de que o revestimento com fenda possa reter efetivamente as partículas de areia da formação, e o teor de areia na água produzida é inferior ao limite permitido (geralmente 0.01-0.05%). (2) Maximize a capacidade de fluxo: Minimize a resistência ao fluxo do revestimento com fenda, e maximizar o rendimento de água sob a mesma diferença de pressão. (3) Maximize a resistência estrutural: Certifique-se de que o revestimento com fenda possa suportar a pressão de formação e evitar deformação plástica ou fratura durante o serviço.

4.1.2 Restrições de otimização

(1) Restrição de largura do slot: A largura do slot deve estar entre 1.5-2.5 vezes o tamanho médio das partículas da areia de formação para garantir o efeito de controle da areia. (2) Restrição de densidade de slot: A densidade da ranhura não deve exceder o valor máximo permitido determinado pela resistência estrutural do revestimento. (3) Restrição de espessura do revestimento: A espessura do revestimento deve ser suficiente para suportar a pressão de formação, e a tensão máxima do revestimento não deve exceder a resistência ao escoamento do material. (4) Restrição de custo: O custo total do forro com fenda (incluindo custo de material, custo de fabricação, e custo de instalação) deveria estar dentro do orçamento.

4.2 Método de otimização de acoplamento multifatorial

Para alcançar a otimização multiobjetivo de liners com fenda, um método de otimização de acoplamento multifatorial baseado em análise teórica, simulação numérica, e testes experimentais são propostos. As etapas específicas são as seguintes:

4.2.1 Análise Teórica e Inicialização de Parâmetros

Primeiro, com base na distribuição do tamanho de partícula da areia de formação, o valor inicial da largura do slot é determinado (1.5-2.5 vezes d50). De acordo com a pressão de formação e o material do revestimento, o valor inicial da espessura do revestimento é determinado. Com base no equilíbrio entre desempenho de fluxo e resistência estrutural, o valor inicial da densidade do slot é determinado. O formato da ranhura é inicialmente selecionado como uma ranhura retangular com cantos arredondados, e o arranjo de slot é inicialmente selecionado como um arranjo escalonado.

4.2.2 Simulação Numérica e Avaliação de Desempenho

Estabeleça o modelo de elementos finitos e o modelo CFD do revestimento com fenda para simular e avaliar a resistência estrutural e o desempenho do fluxo. (1) Simulação de resistência estrutural: Use software de análise de elementos finitos (como ANSYS) para simular a distribuição de tensão do revestimento com fenda sob pressão de formação, e verifique se a tensão máxima excede a resistência ao escoamento do material. (2) Simulação de desempenho de fluxo: Utilize software CFD (como Fluente) para simular o campo de fluxo ao redor do revestimento com fenda, calcular a vazão e a queda de pressão sob diferentes condições de vazão, e avaliar a resistência ao fluxo. (3) Simulação de eficiência de controle de areia: Use o método de elemento discreto (DEM) para simular o movimento de partículas de areia perto do revestimento com fenda, e avaliar a eficiência do controle de areia.

4.2.3 Teste Experimental e Validação de Modelo

Fabrique as amostras de liner com fenda de acordo com os parâmetros iniciais do projeto, e realizar testes experimentais para verificar os resultados da simulação numérica. (1) Teste de eficiência de controle de areia: Use um dispositivo de teste de controle de areia para testar o teor de areia na água produzida sob diferentes condições de fluxo, e verificar a eficiência do controle de areia. (2) Teste de desempenho de fluxo: Use um dispositivo de teste de fluxo para testar a vazão e a queda de pressão das amostras de revestimento com fenda sob diferentes diferenças de pressão, e verifique o desempenho do fluxo. (3) Teste de resistência estrutural: Use um dispositivo de teste de pressão para testar a pressão máxima que as amostras de revestimento com fenda podem suportar, e verifique a resistência estrutural.

4.2.4 Otimização e Iteração de Parâmetros

Compare a simulação e os resultados experimentais com os objetivos de otimização. Se os objetivos não forem alcançados, ajustar os parâmetros de projeto (como largura do slot, densidade de slots, espessura do revestimento) e repita as etapas de simulação numérica e teste experimental até que os objetivos de otimização sejam alcançados. O processo de otimização pode ser auxiliado por algoritmos de otimização (como algoritmo genético, algoritmo de otimização de enxame de partículas) para melhorar a eficiência da otimização.

4.3 Estabelecimento de modelo de elementos finitos para revestimentos com fenda

Tomando como exemplo um revestimento ranhurado de aço Q355 usado em um aquífero de areia solta, o estabelecimento do modelo de elementos finitos é introduzido. Os principais parâmetros do revestimento com fenda são os seguintes: diâmetro interno 200 mm, diâmetro externo 212 mm (espessura do revestimento 6 mm), largura da ranhura 0.4 mm, comprimento do slot 50 mm, densidade de slots 20 slots por metro, formato de slot retangular com cantos arredondados (raio do canto 0.1 mm), arranjo de slots escalonado.

4.3.1 Modelagem Geométrica

Use o software ANSYS DesignModeler para estabelecer o modelo geométrico 3D do revestimento com fenda. O modelo inclui o corpo do liner e as ranhuras. Para simplificar o modelo, as ranhuras são distribuídas uniformemente na parede do revestimento em um arranjo escalonado. Pequenos recursos que têm pouco impacto na distribuição de tensão (como rebarbas nas bordas da ranhura) são ignorados.

4.3.2 Geração de malha

Use o software ANSYS Meshing para gerar a malha do modelo de elementos finitos. Considerando a concentração de tensões nas bordas da ranhura, a malha perto dos slots é refinada. O tipo de malha é elemento tetraédrico, e o tamanho da malha perto das ranhuras é 0.5 mm, enquanto o tamanho da malha do corpo do revestimento é 2 mm. Após a geração da malha, a qualidade da malha é verificada. A proporção média da malha é 1.6, a assimetria média é 0.25, e a ortogonalidade média é 0.75, que atendem aos requisitos de cálculo de elementos finitos. O número total de elementos da malha é 1,250,000, e o número total de nós é 2,180,000.

4.3.3 Configuração de parâmetros de materiais

O material do revestimento com fenda é aço Q355, com uma densidade de 7850 kg/m³, módulo elástico de 206 GPa, Razão de Poisson de 0.3, força de rendimento de 355 MPA, e resistência à tração de 470-630 MPA.

4.3.4 Configuração de condição limite

O revestimento com fenda é submetido a uma pressão de formação uniforme vinda de fora. A pressão de formação é definida para 5 MPA. As duas extremidades do revestimento são fixadas para simular a condição real de instalação. O deslocamento dos nós finais em x, sim, e as direções z são restritas a zero.

4.4 Análise de simulação de revestimentos com fenda

Usando o modelo de elementos finitos estabelecido, a resistência estrutural e o desempenho de fluxo do revestimento com fenda são simulados e analisados.

4.4.1 Análise de Resistência Estrutural

Os resultados da análise de resistência estrutural mostram que a tensão máxima do revestimento ranhurado sob a pressão de formação de 5 MPa é 286 MPA, que está localizado nos cantos arredondados dos slots. A tensão máxima é menor que a resistência ao escoamento do aço Q355 (355 MPA), indicando que o revestimento com fenda tem resistência estrutural suficiente. A distribuição de tensões do corpo do revestimento é uniforme, e a tensão no corpo do revestimento é de cerca de 120-150 MPA, que é muito menor que a resistência ao escoamento do material.

Para verificar ainda mais a estabilidade estrutural do revestimento com fenda, uma análise de flambagem é realizada. Os resultados da análise de flambagem de autovalor mostram que a primeira pressão crítica de flambagem do revestimento com fenda é 18 MPA, que é 3.6 vezes a pressão de formação (5 MPA), indicando que o revestimento com fenda tem estabilidade estrutural suficiente.

4.4.2 Análise de desempenho de fluxo

Use o software Fluent para estabelecer o modelo CFD do liner com fenda. O modelo inclui o revestimento com fenda e o fluido circundante (água). As condições de contorno são definidas da seguinte forma: o limite de entrada é a superfície externa do revestimento com fenda, e a pressão de entrada é 5 MPA; o limite de saída é a superfície interna do revestimento com fenda, e a pressão de saída é 0 MPA; a superfície da parede do revestimento com fenda é definida como um limite antiderrapante.

Os resultados da análise de desempenho do fluxo mostram que a velocidade média do fluxo através das fendas é 1.2 EM, e a taxa de fluxo total do revestimento com fenda é 120 m³/h. A queda de pressão do revestimento com fenda é 0.8 MPA, que está dentro da faixa permitida. A distribuição da velocidade do fluxo através das ranhuras é uniforme, e não há nenhuma corrente parasita óbvia, indicando que o revestimento com fenda tem bom desempenho de fluxo.

4.4.3 Análise de eficiência de controle de areia

Use o método de acoplamento DEM-FLUENT para simular a eficiência de controle de areia do revestimento com fenda. As partículas de areia são definidas como partículas esféricas com uma densidade de 2650 kg/m³, e a distribuição do tamanho das partículas é d10 = 0,1 mm, d50=0,2mm, d60=0,3mm (Cu=3). Os resultados da simulação mostram que o teor de areia na água produzida é 0.02%, que é inferior ao limite permitido de 0.05%, indicando que o revestimento com fenda tem boa eficiência de controle de areia.

5. Estudo de caso de engenharia de revestimentos ranhurados otimizados para controle de areia em poços de água

5.1 Visão geral do projeto

Para verificar o efeito prático da aplicação do liner com fenda otimizado, um projeto de controle de areia de poço de água em um aquífero de areia solta no norte da China é selecionado como exemplo. A área do projeto está localizada em uma área plana com abundantes recursos hídricos subterrâneos. O aquífero é um aquífero de areia solta com espessura de 30-50 m. A distribuição granulométrica da areia de formação é d10=0,15 mm, d50=0,25 mm, d60=0,45 mm (Cu=3). A pressão de formação é 4 MPA, e a água subterrânea é água doce sem corrosão óbvia.

O poço de água do projeto tem profundidade de 80 me um diâmetro interno de 250 mm. O poço está em serviço há 5 anos, e produção severa de areia ocorreu nos últimos anos, resultando na abrasão da bomba submersível e uma diminuição significativa no rendimento de água (De 150 m³/h para 80 m³/h). Para resolver o problema da produção de areia, é decidido adotar o revestimento com fenda otimizado para transformação de controle de areia.

5.2 Projeto e Otimização de Slotted Liners para o Projeto

5.2.1 Parâmetros iniciais de projeto

Com base na análise teórica, os parâmetros iniciais do projeto do revestimento com fenda são determinados da seguinte forma: material do forro aço Q355, espessura do revestimento 6 mm, diâmetro interno 200 mm, diâmetro externo 212 mm, largura da ranhura 0.4 mm (1.6 vezes d50), comprimento do slot 50 mm, densidade de slots 20 slots por metro, formato de slot retangular com cantos arredondados (raio do canto 0.1 mm), arranjo de slots escalonado.

5.2.2 Processo de Otimização

Usando o método de otimização de acoplamento multifatorial proposto no Capítulo 4, os parâmetros iniciais do projeto são otimizados. Primeiro, o modelo de elementos finitos e o modelo CFD do revestimento com fenda são estabelecidos para simular a resistência estrutural, desempenho de fluxo, e eficiência de controle de areia. Os resultados da simulação mostram que a tensão máxima do revestimento ranhurado sob pressão de formação é 265 MPA (menos que 355 MPA), a taxa de fluxo é 130 m³/h, e o teor de areia na água produzida é 0.03% (menos que 0.05%). Os resultados da simulação atendem aos objetivos de otimização, mas a taxa de fluxo pode ser melhorada ainda mais.

Para melhorar a taxa de fluxo, a densidade do slot é aumentada para 25 slots por metro, e a largura do slot é aumentada para 0.45 mm. Os resultados da simulação após a otimização mostram que a tensão máxima do revestimento ranhurado é 312 MPA (ainda menos de 355 MPA), a taxa de fluxo é 155 m³/h, e o teor de areia na água produzida é 0.04% (ainda menos de 0.05%). Os objetivos de otimização são totalmente alcançados, então os parâmetros finais do projeto são determinados da seguinte forma: material do forro aço Q355, espessura do revestimento 6 mm, diâmetro interno 200 mm, diâmetro externo 212 mm, largura da ranhura 0.45 mm, comprimento do slot 50 mm, densidade de slots 25 slots por metro, formato de slot retangular com cantos arredondados (raio do canto 0.1 mm), arranjo de slots escalonado.

5.3 Instalação e construção de revestimentos com fenda otimizados

A instalação e construção do revestimento com fenda otimizado são realizadas nas seguintes etapas:

(1) Bem limpando: Use uma ferramenta de limpeza de poço para remover a areia e os sedimentos do poço para garantir a instalação suave do revestimento com fenda.

(2) Pré-fabricação de revestimento: O revestimento com fenda é pré-fabricado na fábrica de acordo com os parâmetros finais do projeto. O processamento da ranhura adota a tecnologia de corte a laser para garantir a precisão da largura da ranhura (erro ±0,02mm) e a suavidade das bordas do slot.

(3) Transporte e descida do liner: O liner ranhurado pré-fabricado é transportado para o canteiro de obras e abaixado no poço usando um guindaste. Durante o processo de descida, medidas de proteção são tomadas para evitar colisão e danos ao revestimento.

(4) Fixação e vedação: O liner ranhurado é fixado na posição designada no poço usando centralizadores, e a lacuna entre o revestimento e o poço é vedada com cimento para evitar que a areia entre no poço pela lacuna.

(5) Teste de conclusão de poço: Depois que a instalação for concluída, um teste de conclusão de poço é realizado, incluindo testes de produção de água, teste de conteúdo de areia, e teste de pressão, para verificar o efeito de controle de areia e o desempenho do fluxo do revestimento com fenda.

5.4 Avaliação do efeito da aplicação

Após a conclusão da transformação de controle de areia, o poço de água está em serviço há 1 ano, e o efeito da aplicação é avaliado através de monitoramento e testes no local.

5.4.1 Avaliação do efeito de controle de areia

O teor de areia na água produzida é testado mensalmente. Os resultados do teste mostram que o teor médio de areia é 0.03%, que é inferior ao limite permitido de 0.05%. Durante o período de serviço de 1 ano, não há acúmulo óbvio de areia no poço, e a bomba submersível funciona normalmente sem abrasão. Isto indica que o revestimento com fenda otimizado tem um bom efeito de controle de areia.

5.4.2 Avaliação de desempenho de fluxo

A produção de água do poço é testada trimestralmente. Os resultados do teste mostram que o rendimento médio de água é 152 m³/h, que é significativamente maior do que o rendimento de água antes da transformação (80 m³/h) e atende aos requisitos de design de 150 m³/h. A queda de pressão do revestimento com fenda é testada para ser 0.7 MPA, que está dentro da faixa permitida. Isso indica que o revestimento com fenda otimizado tem bom desempenho de fluxo.

5.4.3 Avaliação de benefícios econômicos

O benefício econômico do projeto é avaliado a partir dos aspectos do custo de transformação, custo de manutenção, e aumento da produção de água. Os resultados mostram que: (1) O custo total de transformação do poço é 80,000 yuan, incluindo o custo do revestimento com fenda otimizado (50,000 yuan) e o custo de instalação (30,000 yuan); (2) Antes da transformação, o custo anual de manutenção do poço (incluindo a substituição da bomba submersível e limpeza do poço) estava prestes 40,000 yuan. Depois da transformação, o custo anual de manutenção é reduzido para 5,000 yuan, salvando 35,000 yuan em custos de manutenção por ano; (3) A produção de água aumentou 72 m³/h após a transformação. Com base no preço da água de 2 yuan/m³ e o tempo de operação anual de 300 dias (7200 horas), a receita anual adicional de água é 72 × 7200 × 2 = 1,036,800 yuan. Cálculo abrangente mostra que o período de recuperação do investimento do projeto de transformação de controle de areia é de cerca de 0.08 anos (menos que 1 mês), que traz benefícios econômicos significativos.

Além disso, o revestimento com fenda otimizado tem boa durabilidade. Durante o período de serviço de 1 ano, sem corrosão, deformação, ou danos no revestimento foram encontrados, o que reduz a frequência da manutenção do poço e melhora ainda mais os benefícios econômicos do projeto. A aplicação bem-sucedida do liner ranhurado otimizado neste projeto também fornece uma referência para a transformação de controle de areia de poços de água semelhantes na região, que tem certo valor promocional.

6. Conclusão e perspectiva

6.1 Principais conclusões

Este artigo foca na otimização do projeto de liners ranhurados para controle de areia em poços de água., e conduz pesquisas aprofundadas com base teórica, principais parâmetros de design, métodos de otimização, simulação numérica, e aplicação de engenharia. As principais conclusões são resumidas a seguir:

(1) O desempenho de controle de areia dos liners com fenda é amplamente afetado pelas propriedades do material do liner, mecanismos de retenção de areia (peneiramento mecânico, formação de ponte de areia, deposição de partículas), princípios de resistência ao fluxo (resistência ao atrito, resistência local em slots, resistência à deposição de areia), e parâmetros de formação (distribuição de tamanho de partícula de areia, porosidade e permeabilidade do aquífero, pressão de formação). Entre eles, o tamanho médio das partículas da areia de formação determina a faixa razoável de largura da fenda, e a pressão de formação é o fator principal que afeta a seleção do material e da espessura do revestimento.

(2) Principais parâmetros de projeto de revestimentos com fenda (largura da ranhura, densidade de slots, formato de slot, arranjo de slots, espessura e material do revestimento) têm efeitos de acoplamento significativos na eficiência do controle de areia, desempenho de fluxo e resistência estrutural. Ranhuras retangulares com cantos arredondados e disposição escalonada são escolhas ideais para equilibrar o efeito de controle de areia e o desempenho do fluxo; a largura do slot deve ser controlada dentro 1.5-2.5 vezes o tamanho médio da partícula (d50) de areia de formação, e a densidade da ranhura precisa ser otimizada com base no limite de resistência estrutural do material do revestimento.

(3) Um método de otimização de acoplamento multifatorial integrando análise teórica, simulação numérica e testes experimentais são propostos. Este método pode equilibrar efetivamente os três objetivos principais da eficiência do controle de areia, desempenho de fluxo e resistência estrutural. O modelo de elementos finitos estabelecido pela ANSYS e o modelo CFD estabelecido pela Fluent podem simular com precisão a distribuição de tensões estruturais e as características do campo de fluxo de revestimentos ranhurados, fornecendo uma base técnica confiável para otimização de parâmetros.

(4) A verificação do caso de engenharia mostra que o revestimento com fenda otimizado projetado pelo método proposto tem excelentes efeitos de aplicação prática. Após a transformação da água do poço em aquífero de areia solta, o teor médio de areia na água produzida é 0.03% (inferior ao limite permitido de 0.05%), a produção de água aumenta de 80 m³/h para 152 m³/h, e o período de recuperação do investimento é inferior a 1 mês. Tem benefícios económicos significativos e valor promocional para projetos semelhantes.

6.2 Limitações de pesquisa

Embora este artigo tenha alcançado certos resultados de pesquisa, ainda existem algumas limitações que precisam ser melhoradas em pesquisas futuras:

(1) O escopo da pesquisa está focado principalmente em aquíferos de areia solta e aquíferos de cascalho, e a pesquisa de adaptabilidade de liners ranhurados em aquíferos especiais (como aquíferos fraturados, aquíferos cársticos) é insuficiente. O mecanismo de controle de areia e os requisitos de parâmetros de projeto de revestimentos ranhurados em aquíferos especiais são bastante diferentes daqueles em aquíferos de areia solta, que precisam ser mais explorados.

(2) A simulação numérica e os testes experimentais neste artigo são realizados sob condições de formação estática. Na engenharia real, a formação pode ter mudanças dinâmicas (como assentamento de formação, flutuação do nível da água), o que afetará o desempenho do serviço a longo prazo e a estabilidade estrutural dos revestimentos com fenda. Faltam pesquisas relevantes sobre a adaptabilidade de revestimentos ranhurados otimizados às condições de formação dinâmica..

(3) O método de otimização de acoplamento multifatorial proposto neste artigo depende, até certo ponto, de iteração e verificação manual. A integração de algoritmos de otimização inteligentes (como algoritmo genético, otimização de enxame de partículas) e modelos de simulação numérica não foram totalmente realizados, resultando em eficiência de otimização limitada.

6.3 Perspectivas Futuras de Pesquisa

Tendo em conta as limitações da investigação e as necessidades de desenvolvimento da tecnologia de controlo de areia de poços de água, as futuras direções de pesquisa são propostas da seguinte forma:

(1) Expandir o escopo da pesquisa para aquíferos especiais. Realizar pesquisas aprofundadas sobre o mecanismo de controle de areia de revestimentos ranhurados em aquíferos fraturados e aquíferos cársticos, estabelecer modelos de otimização de design direcionados, e melhorar a adaptabilidade da tecnologia de controle de areia com revestimento ranhurado a diferentes tipos de aquíferos.

(2) Fortalecer a pesquisa sobre condições dinâmicas de formação. Através de simulação física interna e simulação numérica, simular as mudanças dinâmicas da formação (como assentamento de formação, flutuação do nível da água), estudar o desempenho de serviço a longo prazo e a estabilidade estrutural de revestimentos com fenda sob condições dinâmicas, e propor estratégias correspondentes de reforço e manutenção.

(3) Desenvolva um sistema de design inteligente para liners com fenda. Integre algoritmos de otimização inteligentes, software de simulação numérica e banco de dados de engenharia para construir uma plataforma de projeto inteligente. Realize a correspondência e otimização automáticas dos parâmetros de projeto de acordo com as condições de formação e requisitos de engenharia, e melhorar a eficiência e a confiabilidade do projeto.

(4) Explore novos materiais e novas estruturas de revestimentos com fenda. Pesquise e desenvolva materiais compósitos de alto desempenho (como compósitos reforçados com fibra de carbono) com melhor resistência à corrosão e propriedades mecânicas; explore novas estruturas de slots (como slots de largura variável, ranhuras curvas) para melhorar ainda mais a eficiência do controle de areia e o desempenho do fluxo.

(5) Fortalecer o monitoramento no local e o acúmulo de dados a longo prazo. Realize rastreamento e monitoramento de longo prazo de poços de água usando revestimentos com fenda otimizados, coletar dados sobre o conteúdo de areia, rendimento de água, status do revestimento e outros indicadores, estabelecer um banco de dados de desempenho de longo prazo, e fornecer suporte de dados para a otimização e melhoria contínua da tecnologia de design de liner com fenda.