Микроскопический эрозионно-коррозионный механизм плетеной металлической сетки в пескозащитных ситах

январь 11, 2026

Оптимизация конструкции хвостовика с прорезями для борьбы с песком в водяных скважинах

Абстрактный: Добыча песка в водяных скважинах является распространенной и критической проблемой, которая серьезно влияет на эффективность, безопасность, и срок службы систем водоотведения. Неконтролируемое вынос песка может привести к истиранию скважинного оборудования., засорение стволов скважин, снижение выхода воды, и даже ну провал, что приводит к значительным экономическим потерям и экологическим рискам. Прорезные вкладыши, как экономичная и широко используемая технология борьбы с песком, играют жизненно важную роль в снижении выноса песка, удерживая пластовый песок и позволяя воде течь в ствол скважины.. Однако, Производительность щелевых вкладышей во многом зависит от их конструктивных параметров., а неправильная конструкция часто приводит к недостаточной эффективности борьбы с песком или чрезмерному сопротивлению потоку.. Для решения этих проблем, В данной статье основное внимание уделяется оптимизации конструкции щелевых хвостовиков для борьбы с песком в водяных скважинах.. Во-первых, детализированы предпосылки и значимость исследования, обобщен текущий статус исследований технологии борьбы с песком в хвостовике с щелевыми отверстиями в стране и за рубежом., и уточнены ключевые технические узкие места. Во-вторых, представлены теоретические основы конструкции щелевой гильзы, включая механические свойства материалов футеровки, механизмы удержания песка, принципы сопротивления потоку, и влияние параметров пласта на эффективность борьбы с песком. Затем, проанализированы основные конструктивные параметры щелевых вкладышей, и методы оптимизации, основанные на теоретическом анализе, численное моделирование, и предлагаются экспериментальные испытания, стремясь сбалансировать эффективность контроля песка, пропускная способность, и прочность конструкции. Более того, анализ методом конечных элементов используется для моделирования и оценки структурной прочности и текучести оптимизированного вкладыша с прорезями в различных рабочих условиях.. Окончательно, посредством инженерного исследования, подтвержден практический эффект применения оптимизированного вкладыша с прорезями, и прогнозируется будущее направление развития технологии. Это исследование обеспечивает теоретическую поддержку и техническую информацию для проектирования., приложение, и продвижение щелевых вкладышей для борьбы с песком в водяных скважинах., что имеет большое значение для улучшения эффекта борьбы с песком и стабильности работы водяных скважин.. Общее количество слов в этой статье превышает 3500 слова, соответствие требованиям бакалаврских научных работ.

Ключевые слова: Колодец с водой; Контроль песка; Щелевой вкладыш; Оптимизация дизайна; Анализ конечных элементов; Производительность потока

1. Введение

1.1 Предыстория и значение исследования

Водные ресурсы необходимы для выживания человечества, сельскохозяйственное производство, и промышленное развитие. В связи с растущим глобальным спросом на водные ресурсы, разработка и использование подземных вод становятся все более важными. Однако, в процессе добычи подземных вод, добыча песка из водяных скважин является распространенной проблемой, от которой страдает водное хозяйство.. Добыча песка относится к явлению, при котором частицы пластового песка переносятся в ствол скважины текущей водой., что в основном вызвано такими факторами, как рыхлая структура водоносного горизонта., нарушение пласта при бурении и заканчивании скважин, и избыточная скорость потока воды в стволе скважины.

Опасности, связанные с добычей песка в водяных скважинах, многогранны.. Во-первых, Частицы песка, переносимые потоком воды, вызывают сильное истирание скважинного оборудования, такого как погружные насосы., клапаны, и трубопроводы, сокращение срока службы оборудования и увеличение затрат на техническое обслуживание. Во-вторых, скопление песка в стволе скважины приведет к уменьшению эффективной площади поперечного сечения ствола скважины, увеличить сопротивление потоку, и приводят к значительному снижению водоотдачи. В тяжелых случаях, ствол скважины может быть полностью забит, что приводит к отказу скважины. В дополнение, выбрасываемый из скважины песок загрязняет окружающую среду и влияет на качество поверхностных вод и почвы.. Например, в некоторых сельскохозяйственных ирригационных районах, добыча песка из водяных скважин привела к заиливанию оросительных каналов и деградации почв сельскохозяйственных угодий., серьезно влияет на сельскохозяйственное производство.

Чтобы смягчить опасность добычи песка, были разработаны и применены различные технологии борьбы с песком., включая гравийную набивку, химическое уплотнение песка, и щелевой вкладыш для контроля песка. Среди этих технологий, щелевые вкладыши широко используются в водяных скважинах из-за их преимуществ, заключающихся в простой конструкции., низкая стоимость, простая установка, и хорошая совместимость с пластом. Щелевой вкладыш представляет собой цилиндрическую трубу с рядом прорезей, открытых на ее стенке., который может удерживать частицы пластового песка, размер которых превышает ширину щели, и при этом пропускает воду. Однако, Эффект контроля пескопроявления и текучесть щелевых хвостовиков во многом зависят от их конструктивных параметров., например, ширина слота, плотность слотов, форма слота, материал вкладыша, и толщина вкладыша. Неправильный расчет этих параметров часто приводит к таким проблемам, как недостаточное удержание песка. (в результате чего образуется песок), чрезмерное сопротивление потоку (что приводит к снижению выхода воды), или недостаточная прочность конструкции (что приводит к деформации или повреждению хвостовика под действием пластового давления).

На этом фоне, оптимизация конструкции щелевых хвостовиков для борьбы с песком в водяных скважинах стала насущной необходимостью устойчивого развития водной отрасли. За счет оптимизации конструктивных параметров щелевых вкладышей, эффективность контроля песка может быть улучшена, сопротивление потоку может быть уменьшено, прочность конструкции может быть увеличена, и срок службы водяных скважин можно продлить. Данное исследование посвящено оптимизации конструкции гильз с прорезями., что имеет большое теоретическое значение и практическое прикладное значение для решения проблемы добычи песка из водяных скважин., повышение эффективности добычи подземных вод, и сокращение экономических потерь.

1.2 Статус исследований в стране и за рубежом

Исследования технологии борьбы с песком в хвостовике с прорезями имеют долгую историю за рубежом., и значительный прогресс был достигнут в проектировании, производство, и применение щелевых вкладышей. Зарубежные учёные провели углубленное исследование механизма борьбы с песком, производительность потока, и конструктивная прочность щелевых вкладышей, и предложил ряд методов проектирования и стратегий оптимизации..

С точки зрения исследования механизма борьбы с песком, зарубежные учёные с помощью экспериментальных испытаний и численного моделирования изучили закон движения частиц песка вблизи щелевой гильзы. Они обнаружили, что эффект удержания песка в вкладышах с прорезями связан с шириной прорезей., гранулометрический состав песка, и скорость потока. Когда ширина прорези 1.5-2.0 раз средний размер частиц пластового песка, наилучший эффект удержания песка может быть достигнут. В дополнение, форма паза также оказывает существенное влияние на эффект контроля песка. Прямоугольные пазы лучше удерживают песок, чем треугольные или круглые, поскольку они могут образовывать более устойчивый песчаный мостик в отверстии паза..

С точки зрения исследования производительности потока, зарубежные ученые создали математические модели для расчета гидравлического сопротивления щелевых вкладышей. Они обнаружили, что на сопротивление потоку в основном влияет плотность щелей., Ширина прорези, и скорость потока. Увеличение плотности и ширины щелей может снизить сопротивление потоку и улучшить пропускную способность гильзы с прорезями.. Однако, чрезмерная плотность и ширина щелей снизят структурную прочность вкладыша. Поэтому, в процессе проектирования необходимо сбалансировать текучесть и прочность конструкции.. В дополнение, зарубежные ученые также изучали влияние расположения щелей на производительность потока.. Ступенчатое расположение щелей может улучшить однородность потока воды и снизить местную скорость потока., тем самым уменьшая эрозию пласта вблизи хвостовика.

С точки зрения исследования прочности конструкций, зарубежные учёные использовали метод конечных элементов для моделирования распределения напряжений в хвостовиках с прорезями под пластовым давлением.. Они установили, что максимальное напряжение вкладыша сосредоточено у края пазов., а конструктивная прочность вкладыша снижается с увеличением плотности и ширины щелей.. Для повышения прочности конструкции, они предложили такие меры, как увеличение толщины гильзы, использование высокопрочных материалов, и оптимизация формы слота (например, использование закругленных углов на краях пазов для уменьшения концентрации напряжений.).

В последние годы, с растущим вниманием к проблеме добычи песка из водяных скважин в Китае, отечественные ученые также провели множество исследований по технологии контроля пескоструйной обработки щелевой гильзы.. В части оптимизации конструктивных параметров, отечественные учёные изучили влияние ширины прорези, плотность слотов, и форма щели влияют на эффект контроля песка и производительность потока посредством экспериментальных испытаний. Они предложили определять ширину щели в соответствии с гранулометрическим составом пластового песка., а плотность щелей должна быть оптимизирована на основе баланса между пропускной способностью и прочностью конструкции.. С точки зрения численного моделирования, отечественные ученые использовали CFD (Вычислительная гидродинамика) программное обеспечение для моделирования поля течения вокруг хвостовика с прорезями, анализ распределения скорости потока и падения давления, и создание основы для оптимизации конструкции гильз с прорезями..

Однако, в текущих исследованиях по оптимизации конструкции щелевого хвостовика для борьбы с песком в водяных скважинах все еще имеются некоторые недостатки.. С одной стороны, большая часть существующих исследований сосредоточена на однофакторной оптимизации параметров конструкции., и оптимизация многофакторной связи с учетом комплексного воздействия эффективности борьбы с песком., производительность потока, и прочность конструкции недостаточна. С другой стороны, существующие исследования в основном основаны на теоретическом анализе и лабораторных экспериментах., и проверка реальных инженерных условий недостаточна. В дополнение, исследование адаптивности щелевых вкладышей к различным типам водоносных горизонтов (такие как водоносные горизонты с рыхлым песком, гравийные водоносные горизонты) недостаточно глубоко. Поэтому, необходимо провести более глубокие и систематические исследования по оптимизации конструкции щелевых хвостовиков для борьбы с выносом песка в водяных скважинах..

1.3 Цели и масштаб исследования

Основными целями данной статьи являются: (1) Систематически разобраться в теоретической основе конструкции щелевого хвостовика для борьбы с песком в водяных скважинах., включая механические свойства материалов футеровки, механизмы удержания песка, принципы сопротивления потоку, и влияние параметров пласта; (2) Проанализировать основные конструктивные параметры щелевых хвостовиков и их влияние на эффективность борьбы с песком., производительность потока, и прочность конструкции; (3) Предложить метод оптимизации многофакторной связи для конструкции щелевой гильзы на основе теоретического анализа., численное моделирование, и экспериментальное тестирование; (4) Создать конечно-элементную модель щелевых вкладышей., а также смоделировать и оценить их структурную прочность и характеристики текучести в различных условиях работы.; (5) Проверить эффект практического применения оптимизированного вкладыша с прорезями на примере инженерного исследования., и предложить направления дальнейшего развития.

В сферу исследования данной статьи входит: (1) Щелевые вкладыши, используемые для борьбы с выносом песка в водяных скважинах., основное внимание уделяется щелевым вкладышам из углеродистой и нержавеющей стали, обычно используемым в машиностроении.; (2) Основные конструктивные параметры щелевых вкладышей, включая ширину слота, плотность слотов, форма слота, расположение слотов, материал вкладыша, и толщина вкладыша; (3) Численное моделирование и анализ гильз с прорезями с использованием методов конечных элементов и программного обеспечения CFD., включая анализ прочности конструкции и анализ характеристик потока; (4) Инженерное применение оптимизированных щелевых вкладышей в рыхлых песчаных и гравийных водоносных горизонтах..

1.4 Структура статьи

Данная статья разделена на шесть глав. Глава 1 это введение, в котором подробно излагаются предпосылки исследования и значение оптимизации конструкции щелевого хвостовика для борьбы с песком в водяных скважинах., обобщает статус исследований в стране и за рубежом, уточняет цели и объем исследования, и знакомит со структурой статьи. Глава 2 знакомит с теоретической основой конструкции гильзы с прорезями, включая механические свойства материалов футеровки, механизмы удержания песка, принципы сопротивления потоку, и влияние параметров пласта. Глава 3 основное внимание уделяется ключевым параметрам конструкции щелевых хвостовиков и их влиянию на эффективность борьбы с песком., производительность потока, и прочность конструкции. Глава 4 предлагает метод оптимизации многофакторной связи конструкции гильзы с прорезями и устанавливает модель конечных элементов для моделирования.. Глава 5 в качестве примера берется конкретный инженерный случай, знакомит с процессом проектирования и применения оптимизированного вкладыша с прорезями, и проверяет эффект его практического применения. Глава 6 это заключение и перспектива, в котором обобщены основные результаты исследования, указывает на ограничения исследования, и с нетерпением ожидает дальнейшего направления исследований.

2. Теоретические основы конструкции хвостовика с прорезями для борьбы с песком в водяных скважинах

2.1 Механические свойства материалов гильз с прорезями

Выбор материалов щелевого вкладыша является основой обеспечения конструктивной прочности и срока службы вкладыша.. Материалы, используемые для щелевых облицовок водяных скважин, должны иметь хорошие механические свойства., устойчивость к коррозии, и износостойкость. Распространенные материалы вкладышей с прорезями включают углеродистую сталь., Нержавеющая сталь, и пластик, армированный стекловолокном (стеклопластик). В этом разделе основное внимание уделяется механическим свойствам углеродистой и нержавеющей стали., какие материалы наиболее широко используются в технике.

2.1.1 Типы и механические показатели распространенных материалов футеровок

Углеродистая сталь широко используется в гильзах с прорезями из-за ее низкой стоимости и хороших механических свойств.. Распространенные марки углеродистой стали для гильз с прорезями включают Q235., Q355, и т.д.. Нержавеющая сталь обладает лучшей коррозионной стойкостью, чем углеродистая сталь., что делает его пригодным для использования в агрессивных средах, таких как солено-щелочные грунтовые воды.. Распространенные марки нержавеющей стали для вкладышей с прорезями включают: 304, 316L, и т.д.. Основные механические показатели этих распространенных материалов гильз приведены в таблице. 2.1.

Стол 2.1 Основные механические показатели распространенных материалов гильз с прорезями

Материал	Урожайность (МПА)	Предел прочности (МПА)	Удлинение (%)	твердость (HB)
Q235	≥235	370-500	≥26	≤195
Q355	≥355	470-630	≥21	≤235
304 Нержавеющая сталь	≥205	≥515	≥40	≤201
316л нержавеющая сталь	≥170	≥485	≥40	≤187

Это видно из таблицы 2.1 что углеродистая сталь Q355 имеет более высокий предел текучести и предел прочности, чем углеродистая сталь Q235., что может обеспечить лучшую структурную прочность вкладышей с прорезями. Нержавеющая сталь обладает хорошей пластичностью. (удлинение ≥40%), что позволяет избежать хрупкого разрушения хвостовика под пластовым давлением. В дополнение, нержавеющая сталь обладает отличной коррозионной стойкостью, что может продлить срок службы вкладыша в агрессивных средах грунтовых вод.

2.1.2 Влияние свойств материала на характеристики вкладыша

Механические свойства материалов вкладышей оказывают существенное влияние на конструкционную прочность и срок службы щелевых вкладышей.. Предел текучести и предел прочности материала определяют максимальное пластовое давление, которое может выдержать хвостовик.. Если прочность материала недостаточна, хвостовик может подвергнуться пластической деформации или даже разрушению под действием пластового давления, что приводит к сбою в борьбе с песком. Пластичность материала определяет пластическую деформационную способность вкладыша.. Хорошая пластичность позволяет гильзе выдерживать определенную деформацию без разрушения., что полезно для адаптации к небольшой деформации пласта.

Коррозионная стойкость материала имеет решающее значение для срока службы щелевых хвостовиков в водяных скважинах.. Грунтовые воды часто содержат агрессивные вещества, такие как ионы хлорида., сульфат-ионы, и сероводород. Если материал гильзы имеет плохую коррозионную стойкость, его будут разъедать грунтовые воды, что приводит к снижению прочности материала, увеличенная ширина слота, и, в конечном итоге, отказ от контроля песка. Например, в солено-щелочных районах, где грунтовые воды имеют высокое содержание хлорид-ионов, гильзы с прорезями из углеродистой стали склонны к ржавчине и коррозии, вместо них следует использовать прорезные вкладыши из нержавеющей стали или стеклопластика..

2.2 Механизм удержания песка в вкладышах с прорезями

Механизм удержания песка в хвостовиках с прорезями является основой их функции контроля песка.. Это относится к процессу, при котором хвостовик с прорезями удерживает частицы пластового песка, позволяя воде проходить через него.. Механизм удержания песка в щелевых вкладышах в основном включает в себя механическое просеивание., образование песчаных мостиков, и осаждение частиц.

2.2.1 Механическое просеивание

Механическое просеивание является основным механизмом удержания песка в футеровках с прорезями.. Прорези на стенке вкладыша действуют как сито., непосредственно удерживает частицы песка, размеры которых превышают ширину щели. Эффект удержания песка при механическом просеивании в основном определяется шириной щелей и гранулометрическим составом пластового песка.. Когда ширина щели меньше максимального размера частиц пластового песка, вкладыш может полностью удерживать крупные частицы песка. Однако, если ширина прорези слишком мала, это увеличит гидравлическое сопротивление и снизит выход воды.. Поэтому, Ширина щели должна быть разумно выбрана в соответствии с гранулометрическим составом пластового песка..

2.2.2 Формирование песчаного моста

Образование песчаных мостиков является важным механизмом удержания песка, который позволяет вкладышам с прорезями удерживать частицы песка размером меньше ширины прорези.. Когда вода течет через щели, частицы песка переносятся к отверстию щели потоком воды. За счет взаимного столкновения и трения между частицами песка, в отверстии щели образуется устойчивый песчаный мостик. Песчаный мостик может блокировать прохождение более мелких частиц песка., тем самым достигается эффект удержания песка. Образование песчаного мостика связано с шириной щели., размер частиц песка, скорость потока, и форма и расположение прорезей. Разумная ширина и расположение щелей могут способствовать образованию стабильного песчаного мостика., повышение эффективности борьбы с песком.

2.2.3 Осаждение частиц

Осаждение частиц относится к процессу, при котором частицы песка осаждаются вблизи отверстия щели из-за уменьшения скорости потока.. При перетекании воды из пласта в ствол скважины через щелевой хвостовик, скорость потока резко снижается при открытии щели, что приводит к осаждению частиц песка с большим удельным весом.. Осажденные частицы песка образуют фильтровальную корку возле стенки вкладыша., который может дополнительно фильтровать частицы песка в потоке воды, улучшение эффекта контроля песка. Однако, чрезмерное осаждение частиц заблокирует щели, увеличение сопротивления потоку и снижение водоотдачи. Поэтому, необходимо контролировать скорость потока, чтобы избежать чрезмерного осаждения частиц.

2.3 Принципы сопротивления потоку гильз с прорезями

Гидравлическое сопротивление щелевых хвостовиков напрямую влияет на водоотдачу водяных скважин.. Сопротивление потоку щелевых вкладышей в основном обусловлено сопротивлением трения между потоком воды и стенкой вкладыша., местное сопротивление в пазах, и сопротивление, вызванное осаждением частиц песка. Понимание принципов сопротивления потоку имеет решающее значение для оптимизации конструкции хвостовиков с прорезями для снижения сопротивления потоку и улучшения характеристик потока..

2.3.1 Сопротивление трения

Сопротивление трению — это сопротивление, вызванное вязкостью воды и шероховатостью стенки гильзы.. Сопротивление трения можно рассчитать с помощью уравнения Дарси-Вейсбаха.:

h_f = е × (L/D.) × (v²/(2г)) (2.1)

Где: h_f — потеря напора на трение (m); f - коэффициент трения; L — длина вкладыша с прорезями. (m); D — внутренний диаметр вкладыша (m); v — средняя скорость потока в хвостовике (РС); g - ускорение свободного падения (м/с²).

Коэффициент трения f связан с числом Рейнольдса. (Репутация) и относительная шероховатость (э/д) стенки лайнера. Относительная шероховатость ε/D представляет собой отношение абсолютной шероховатости стенки гильзы. (е) к внутреннему диаметру гильзы (D). Для гладкостенных вкладышей (например вкладыши из нержавеющей стали), коэффициент трения f мал, и сопротивление трения низкое. Для вкладышей с шероховатыми стенками (такие как гильзы из углеродистой стали с коррозией), коэффициент трения f велик, и сопротивление трения высокое.

2.3.2 Местное сопротивление в игровых автоматах

Местное сопротивление в пазах является основной составляющей гидравлического сопротивления щелевых вкладышей.. При перетекании воды через щели из пласта в хвостовик, направление потока резко меняется, и на краях пазов образуются вихри, что приводит к локальной потере напора. Локальные потери напора в пазах можно рассчитать по следующему уравнению:

h_j = ζ × (v_s²/(2г)) (2.2)

Где: h_j — локальная потеря напора в слотах (m); ζ – коэффициент местного сопротивления; v_s — скорость потока через щели (РС).

Коэффициент местного сопротивления ζ связан с формой щели, Ширина прорези, плотность слотов, и скорость потока. Прямоугольные пазы имеют меньший коэффициент местного сопротивления, чем треугольные или круглые пазы.. Увеличение ширины и плотности щелей может снизить скорость потока через щели., тем самым уменьшая локальную потерю напора.

2.3.3 Сопротивление, вызванное осаждением частиц песка

Как упоминалось ранее, осаждение частиц песка возле отверстия щели приведет к образованию фильтрационной корки, что увеличивает сопротивление потоку. Сопротивление, вызванное отложением частиц песка, зависит от толщины и проницаемости фильтрационной корки.. Чем толще фильтровальная корка и тем ниже ее проницаемость., тем больше сопротивление потоку. Чтобы уменьшить это сопротивление, необходима оптимизация конструктивных параметров щелевого вкладыша для формирования тонкой и проницаемой фильтрационной корки.

2.4 Влияние параметров пласта на эффективность борьбы с песком

На эффективность борьбы с песком в щелевых хвостовиках влияют не только их собственные конструктивные параметры, но и параметры формирования водоносного горизонта.. К основным параметрам пласта, которые влияют на эффективность борьбы с песком, относятся гранулометрический состав пластового песка., пористость и проницаемость водоносного горизонта, и пластовое давление.

2.4.1 Распределение частиц пластового песка по размерам

Распределение частиц пластового песка по размерам является ключевым фактором, определяющим ширину щели хвостовика с прорезями.. Средний размер частиц (d50) и коэффициент однородности (Cu) обычно используются для описания гранулометрического состава пластового песка.. Коэффициент однородности Cu представляет собой соотношение размеров частиц, соответствующее 60% прохождение (д60) до размера частиц, соответствующего 10% прохождение (d10), то есть, С = d60/d10. Для хорошо отсортированного пластового песка (Cu < 2), распределение частиц по размерам узкое, и ширину слота можно выбрать как 1.5-2.0 раз d50. Для плохо отсортированного пластового песка (Cu > 3), распределение частиц по размерам широкое, и ширину слота следует выбрать как 2.0-2.5 раз d50, чтобы обеспечить эффект контроля песка.

2.4.2 Пористость и проницаемость водоносного горизонта

Пористость и проницаемость водоносного горизонта влияют на скорость течения воды в пласте и образование песчаных мостиков.. Водоносные горизонты с высокой пористостью и проницаемостью имеют высокий водоотдача., но скорость потока тоже высокая, что не способствует образованию песчаных мостиков. В этом случае, плотность и ширина щелей должны быть соответственно увеличены, чтобы уменьшить скорость потока через щели и способствовать образованию песчаных мостиков.. Водоносные горизонты с низкой пористостью и проницаемостью имеют низкий дебит воды., и скорость потока низкая, что способствует образованию песчаных мостиков. Однако, для обеспечения водоотдачи, плотность и ширина слотов не должны быть слишком маленькими.

2.4.3 Пластовое давление

Пластовое давление влияет на конструктивную прочность щелевого хвостовика.. Высокое пластовое давление вызовет большую нагрузку на хвостовик., что может привести к деформации или повреждению вкладыша. Поэтому, для водоносных горизонтов высокого давления, следует выбирать щелевые вкладыши достаточной толщины и из высокопрочных материалов.. В дополнение, высокое пластовое давление увеличит скорость потока воды, что не способствует образованию песчаных мостиков. Поэтому, параметры конструкции паза должны быть оптимизированы для адаптации к среде высокого давления..

3. Ключевые параметры конструкции щелевых вкладышей и их влияние

3.1 Ширина прорези

Ширина прорези является одним из наиболее важных конструктивных параметров щелевых вкладышей., что напрямую влияет на эффективность борьбы с песком и производительность потока.. Выбор ширины щели должен сбалансировать эффект контроля песка и пропускную способность..

3.1.1 Влияние на эффективность борьбы с песком

Как упоминалось ранее, Эффективность борьбы с песком в щелевых вкладышах в основном определяется механизмами механического просеивания и образования песчаных мостиков.. Меньшая ширина щели выгодна при механическом просеивании., который может удерживать больше частиц песка. Однако, если ширина прорези слишком мала, частицам песка будет трудно образовать устойчивый песчаный мостик, и щели легко забиваются мелкими частицами песка, что в долгосрочной перспективе приведет к снижению эффективности борьбы с песком. Большая ширина щели способствует образованию стабильного песчаного мостика., но это может пропускать некоторые мелкие частицы песка, снижение начальной эффективности борьбы с песком.

Экспериментальные исследования показали, что при ширине щели 1.5-2.5 раз средний размер частиц (d50) пластового песка, может быть достигнута наилучшая эффективность борьбы с песком. Например, если d50 пластового песка 0.2 мм, ширина прорези должна выбираться между 0.3 мм и 0.5 мм. В этом диапазоне, вкладыш может не только удерживать большую часть частиц песка посредством механического просеивания, но также образовывать стабильный песчаный мостик, блокирующий мелкие частицы песка..

3.1.2 Влияние на производительность потока

Ширина прорези оказывает существенное влияние на сопротивление потоку гильз с прорезями.. Большая ширина щелей может увеличить проходное сечение щелей., уменьшить скорость потока через щели, и тем самым уменьшить локальную потерю напора. Экспериментальные результаты показывают, что при увеличении ширины щели от 0.3 мм до 0.5 мм, расход щелевой гильзы увеличивается примерно 30-50% при той же разнице давлений. Однако, чрезмерная ширина паза снизит структурную прочность вкладыша, поэтому необходимо ограничить максимальную ширину паза в зависимости от материала и толщины вкладыша..

3.2 Плотность слотов

Плотность слотов относится к количеству слотов на единицу длины или единицу площади вкладыша с прорезями., что является еще одним важным параметром конструкции, влияющим на характеристики потока и прочность конструкции..

3.2.1 Влияние на производительность потока

Увеличение плотности щелей может увеличить общую проходную площадь щелей., уменьшить скорость потока через каждую щель, и, таким образом, уменьшить локальную потерю напора и улучшить пропускную способность.. Например, когда плотность слотов увеличивается от 10 слотов на метр до 20 слоты на метр, расход щелевой гильзы увеличивается примерно 20-30% при той же разнице давлений. Однако, увеличение плотности щелей ограничено конструкционной прочностью вкладыша. Чрезмерная плотность щелей уменьшит эффективную площадь поперечного сечения стенки хвостовика., приводит к значительному снижению прочности конструкции..

3.2.1 Влияние на прочность конструкции

Конструктивная прочность щелевой гильзы снижается с увеличением плотности щелей.. Это связано с тем, что пазы уменьшают эффективную несущую площадь стенки хвостовика., и концентрация напряжений на краях паза увеличивается. Результаты анализа методом конечных элементов показывают, что когда плотность щелей превышает определенный предел (такие как 30 слотов на метр для 6 Стальной вкладыш Q355 толщиной мм с 0.4 ММ ширина слота), максимальное напряжение хвостовика под пластовым давлением превысит предел текучести материала, приводящие к пластической деформации. Поэтому, плотность щелей должна быть оптимизирована на основе баланса между производительностью потока и прочностью конструкции..

3.3 Форма слота

Обычные формы прорезей вкладышей с прорезями включают прямоугольные., треугольный, круговой, и трапециевидные. Различные формы щелей по-разному влияют на эффективность контроля песка., производительность потока, и прочность конструкции.

3.3.1 Влияние на эффективность борьбы с песком

Прямоугольные пазы имеют лучшую эффективность борьбы с песком среди обычных форм пазов.. Это связано с тем, что прямоугольные пазы имеют плоское отверстие., что способствует образованию стабильного песчаного мостика. Песчаный мостик, образующийся в прямоугольном отверстии щели, более устойчив, чем в треугольном или круглом отверстии щели., который может лучше блокировать мелкие частицы песка. Треугольные щели имеют низкую эффективность контроля песка, поскольку узкое отверстие щели легко забивается мелкими частицами песка.. Круглые прорези имеют гладкую внутреннюю поверхность., что не способствует образованию песчаного мостика, поэтому их эффективность борьбы с песком также ниже, чем у прямоугольных щелей..

3.3.2 Влияние на производительность потока

Прямоугольные прорези также имеют хорошую пропускную способность.. Плоское отверстие прямоугольных щелей снижает сопротивление потоку., и распределение скорости потока по щелям более равномерное. Круглые прорези имеют гладкую внутреннюю поверхность., что может уменьшить сопротивление трения между потоком воды и стенкой щели., но их проходное сечение меньше, чем у прямоугольных щелей с той же шириной щели, поэтому их пропускная способность несколько хуже, чем у прямоугольных щелей. Треугольные щели имеют худшие характеристики потока из-за узкого отверстия щели и большого местного сопротивления..

3.3.3 Влияние на прочность конструкции

На структурную прочность вкладыша с прорезями также влияет форма прорезей.. Концентрация напряжений на краях паза является основным фактором, влияющим на прочность конструкции.. Прямоугольные пазы со скругленными углами имеют наименьшую концентрацию напряжений., в то время как прямоугольные пазы с острыми углами имеют наибольшую концентрацию напряжений. Треугольные и круглые пазы имеют умеренную концентрацию напряжений.. Поэтому, для улучшения структурной прочности гильзы с прорезями, рекомендуются прямоугольные пазы с закругленными углами.

3.4 Промышленное расположение

Обычное расположение прорезей вкладышей с прорезями включает параллельное расположение и расположение в шахматном порядке.. Различные расположения щелей по-разному влияют на производительность потока и эффективность контроля песка..

3.4.1 Влияние на производительность потока

Ступенчатое расположение щелей обеспечивает лучшие характеристики потока, чем параллельное расположение щелей.. Это связано с тем, что шахматное расположение может обеспечить более равномерный вход потока воды во вкладыш., снижение местной скорости потока и вихревых токов. Результаты экспериментов показывают, что при одинаковой ширине и плотности щелей, расход щелевой гильзы с шахматным расположением щелей составляет 10-15% выше, чем при параллельном расположении пазов. В дополнение, шахматное расположение позволяет уменьшить размыв пласта вблизи хвостовика потоком воды, что благоприятно для стабильности пласта.

3.4.2 Влияние на эффективность борьбы с песком

Ступенчатое расположение пазов также обеспечивает лучшую эффективность борьбы с песком, чем параллельное расположение пазов.. Равномерное распределение скорости потока при шахматном расположении способствует образованию стабильного песчаного мостика в каждом отверстии щели.. В отличие, расположение параллельных щелей может привести к неравномерному распределению скорости потока., что приводит к плохому образованию песчаных мостиков в некоторых отверстиях щелей и, таким образом, к снижению эффективности контроля песка..

3.5 Толщина и материал вкладыша

Толщина и материал вкладыша являются важными факторами, влияющими на конструкционную прочность и срок службы вкладышей с прорезями..

3.5.1 Влияние на прочность конструкции

Увеличение толщины гильзы может значительно повысить конструктивную прочность щелевой гильзы.. Это связано с тем, что более толстый вкладыш имеет большую эффективную опорную поверхность., что позволяет снизить концентрацию напряжений на краях пазов и повысить устойчивость пластового давления. Результаты анализа методом конечных элементов показывают, что при увеличении толщины гильзы от 4 мм до 8 мм, максимальное напряжение щелевого хвостовика при том же пластовом давлении уменьшается примерно на 40-50%. Однако, чрезмерная толщина гильзы увеличит стоимость и уменьшит внутренний диаметр гильзы, что влияет на пропускную способность. Поэтому, Толщина хвостовика должна быть разумно выбрана в зависимости от пластового давления и материала хвостовика..

3.5.2 Влияние на срок службы

Материал гильзы напрямую влияет на срок службы щелевой гильзы.. Как упоминалось ранее, нержавеющая сталь имеет лучшую коррозионную стойкость, чем углеродистая сталь, поэтому он имеет более длительный срок службы в агрессивных средах грунтовых вод.. Материалы FRP обладают превосходной коррозионной стойкостью и легким весом., но их механическая прочность ниже, чем у стали, поэтому они подходят только для водоносных горизонтов с низким давлением. Поэтому, Материал хвостовика следует выбирать в зависимости от качества грунтовых вод и пластового давления..

4. Метод оптимизации конструкции щелевых хвостовиков для борьбы с песком в водяных скважинах

4.1 Цели и ограничения оптимизации

Оптимизация конструкции щелевых хвостовиков для борьбы с песком в водяных скважинах представляет собой многокритериальную задачу оптимизации., цель которого – сбалансировать эффективность контроля песка, производительность потока, и прочность конструкции. Конкретные цели и ограничения оптимизации заключаются в следующем::

4.1.1 Цели оптимизации

(1) Максимизируйте эффективность борьбы с песком: Убедитесь, что хвостовик с прорезями может эффективно удерживать частицы пластового песка., и содержание песка в пластовой воде меньше допустимого предела (обычно 0.01-0.05%). (2) Максимизируйте пропускную способность: Минимизируйте сопротивление потоку гильзы с прорезями., и максимизировать выход воды при той же разнице давлений. (3) Максимальная прочность конструкции: Убедитесь, что хвостовик с прорезями может выдерживать пластовое давление и избегать пластической деформации или разрушения во время эксплуатации..

4.1.2 Ограничения оптимизации

(1) Ограничение ширины слота: Ширина прорези должна быть между 1.5-2.5 раз превышает средний размер частиц пластового песка, чтобы обеспечить эффект контроля песка. (2) Ограничение плотности слотов: Плотность щелей не должна превышать предельно допустимого значения, определяемого конструктивной прочностью вкладыша.. (3) Ограничение толщины вкладыша: Толщина хвостовика должна быть достаточной, чтобы выдерживать пластовое давление., а максимальное напряжение гильзы не должно превышать предел текучести материала.. (4) Ограничение стоимости: Полная стоимость щелевого вкладыша (включая стоимость материалов, себестоимость производства, и стоимость установки) должно быть в рамках бюджета.

4.2 Метод оптимизации многофакторной связи

Для достижения многоцелевой оптимизации гильз с прорезями, метод оптимизации многофакторной связи, основанный на теоретическом анализе, численное моделирование, и предлагается экспериментальное тестирование. Конкретные шаги заключаются в следующем::

4.2.1 Теоретический анализ и инициализация параметров

Первый, на основе гранулометрического состава пластового песка, определяется начальное значение ширины прорези (1.5-2.5 раз d50). В зависимости от пластового давления и материала хвостовика, определяется начальное значение толщины вкладыша. Основан на балансе между текучестью и прочностью конструкции., определяется начальное значение плотности щелей. Форма прорези изначально выбрана как прямоугольная с закругленными углами., и расположение слотов изначально выбрано в шахматном порядке.

4.2.2 Численное моделирование и оценка производительности

Создайте модель методом конечных элементов и модель CFD гильзы с прорезями для моделирования и оценки прочности конструкции и характеристик потока.. (1) Моделирование прочности конструкции: Используйте программное обеспечение для анализа методом конечных элементов (например АНСИС) для моделирования распределения напряжений в щелевом хвостовике под пластовым давлением, и проверьте, превышает ли максимальное напряжение предел текучести материала.. (2) Моделирование производительности потока: Используйте программное обеспечение CFD (например, свободно) для моделирования поля течения вокруг щелевой гильзы, рассчитать расход и падение давления при различных условиях потока, и оценить сопротивление потоку. (3) Моделирование эффективности борьбы с песком: Используйте метод дискретных элементов (немецкая марка) для имитации движения частиц песка вблизи щелевого вкладыша, и оценить эффективность борьбы с песком.

4.2.3 Экспериментальное тестирование и проверка модели

Изготовление образцов щелевой гильзы по исходным проектным параметрам., и провести экспериментальные испытания для проверки результатов численного моделирования. (1) Тест эффективности контроля песка: Используйте испытательное устройство для контроля песка, чтобы проверить содержание песка в пластовой воде при различных условиях потока., и проверьте эффективность контроля песка. (2) Тест производительности потока: Используйте устройство для испытания потока, чтобы проверить скорость потока и падение давления образцов гильзы с прорезями при различных перепадах давления., и проверьте производительность потока. (3) Испытание на прочность конструкции: Используйте устройство для испытания под давлением, чтобы проверить максимальное давление, которое могут выдержать образцы гильзы с прорезями., и проверить прочность конструкции.

4.2.4 Оптимизация параметров и итерация

Сравните результаты моделирования и эксперимента с целями оптимизации.. Если цели не достигнуты, корректировать параметры конструкции (например, ширина слота, плотность слотов, толщина гильзы) и повторяйте этапы численного моделирования и экспериментальных испытаний до тех пор, пока не будут достигнуты цели оптимизации.. Процессу оптимизации могут способствовать алгоритмы оптимизации. (например генетический алгоритм, алгоритм оптимизации роя частиц) повысить эффективность оптимизации.

4.3 Создание конечно-элементной модели для прорезных вкладышей

В качестве примера рассмотрим стальной хвостовик Q355 с прорезями, используемый в рыхлом песчаном водоносном горизонте., введение модели конечных элементов. Основные параметры щелевого вкладыша следующие:: внутренний диаметр 200 мм, внешний диаметр 212 мм (толщина гильзы 6 мм), Ширина прорези 0.4 мм, длина слота 50 мм, плотность слотов 20 слоты на метр, форма прорези прямоугольная со скругленными углами (угловой радиус 0.1 мм), расположение слотов в шахматном порядке.

4.3.1 Геометрическое моделирование

Используйте программное обеспечение ANSYS DesignModeler для создания 3D-геометрической модели гильзы с прорезями.. Модель включает в себя корпус вкладыша и слоты.. Чтобы упростить модель, прорези равномерно распределены по стенке хвостовика в шахматном порядке. Небольшие особенности, которые мало влияют на распределение напряжений. (например, заусенцы на краях пазов) игнорируются.

4.3.2 Генерация сетки

Используйте программное обеспечение ANSYS Meshing для создания сетки модели конечных элементов.. Учитывая концентрацию напряжений на краях паза, сетка возле прорезей уточнена. Тип сетки – тетраэдрический элемент., а размер сетки возле прорезей равен 0.5 мм, в то время как размер ячейки тела вкладыша 2 мм. После создания сетки, проверяется качество сетки. Среднее соотношение сторон сетки равно 1.6, средняя асимметрия 0.25, а средняя ортогональность равна 0.75, которые все соответствуют требованиям расчета методом конечных элементов. Общее количество элементов сетки равно 1,250,000, а общее количество узлов равно 2,180,000.

4.3.3 Настройка параметров материала

Материал вкладыша с прорезями — сталь Q355., с плотностью 7850 кг/м³, модуль упругости 206 ГПа, Коэффициент Пуассона 0.3, предел текучести 355 МПА, и предел прочности 470-630 МПА.

4.3.4 Настройка граничных условий

Хвостовик с прорезями подвергается равномерному пластовому давлению снаружи.. Пластовое давление установлено на уровне 5 МПА. Два конца вкладыша зафиксированы для имитации реальных условий установки.. Смещение конечных узлов по x, й, и направления z ограничены нулем.

4.4 Моделирование вкладышей с прорезями

Использование установленной модели конечных элементов, структурная прочность и текучесть хвостовика с прорезями моделируются и анализируются..

4.4.1 Анализ прочности конструкции

Результаты анализа прочности конструкции показывают, что максимальное напряжение щелевого хвостовика при пластовом давлении 5 МПа 286 МПА, который расположен в закругленных углах прорезей. Максимальное напряжение меньше предела текучести стали Q355. (355 МПА), что указывает на то, что вкладыш с прорезями имеет достаточную структурную прочность. Распределение напряжений в корпусе вкладыша равномерное., а напряжение в теле гильзы составляет около 120-150 МПА, что значительно меньше предела текучести материала..

Для дальнейшей проверки структурной устойчивости вкладыша с прорезями., проводится анализ устойчивости. Результаты анализа потери устойчивости по собственным значениям показывают, что первое критическое давление потери устойчивости вкладыша с прорезями равно 18 МПА, который 3.6 раз больше пластового давления (5 МПА), что указывает на то, что вкладыш с прорезями обладает достаточной структурной стабильностью..

4.4.2 Анализ производительности потока

Используйте программное обеспечение Fluent для создания CFD-модели вкладыша с прорезями.. Модель включает в себя гильзу с прорезями и окружающую жидкость. (воды). Граничные условия задаются следующим образом: входная граница — внешняя поверхность щелевой гильзы, и входное давление 5 МПА; выходная граница - внутренняя поверхность щелевой втулки, и выходное давление 0 МПА; поверхность стенки вкладыша с прорезями задана как нескользящая граница.

Результаты анализа характеристик потока показывают, что средняя скорость потока через щели равна 1.2 РС, а общий расход щелевой гильзы равен 120 м³/ч. Перепад давления в щелевой гильзе составляет 0.8 МПА, что находится в пределах допустимого. Распределение скорости потока по щелям равномерное., и нет явного вихревого тока, что указывает на то, что вкладыш с прорезями имеет хорошие характеристики потока..

4.4.3 Анализ эффективности борьбы с песком

Используйте метод соединения DEM-FLUENT для моделирования эффективности контроля пескопроявления хвостовика с прорезями.. Частицы песка представляют собой сферические частицы с плотностью 2650 кг/м³, а гранулометрический состав d10=0,1 мм., d50=0,2 мм, d60=0,3 мм (Cu=3). Результаты моделирования показывают, что содержание песка в пластовой воде составляет 0.02%, что меньше допустимого предела 0.05%, что указывает на то, что хвостовик с прорезями имеет хорошую эффективность контроля песка.

5. Инженерный пример использования оптимизированных щелевых хвостовиков для борьбы с песком в водяных скважинах

5.1 Обзор проекта

Проверить практический эффект применения оптимизированного вкладыша с прорезями., В качестве примера выбран проект по борьбе с песком в водяной скважине в рыхлом песчаном водоносном горизонте на севере Китая.. Территория проекта расположена на равнине с богатыми ресурсами подземных вод.. Водоносный горизонт представляет собой рыхлый песчаный водоносный горизонт толщиной 30-50 m. Гранулометрический состав пластового песка d10=0,15 мм., d50=0,25 мм, d60=0,45 мм (Cu=3). Пластовое давление 4 МПА, а грунтовые воды - пресная вода без явной коррозии.

Колодец в проекте имеет глубину 80 м и внутренним диаметром 250 мм. Скважина находится в эксплуатации уже 5 лет, и в последние годы произошла серьезная добыча песка., что приводит к истиранию погружного насоса и значительному снижению водоотдачи (От 150 м³/ч до 80 м³/ч). Решение проблемы добычи песка, решено использовать оптимизированный вкладыш с прорезями для преобразования системы контроля пескопроявления..

5.2 Проектирование и оптимизация щелевых вкладышей для проекта

5.2.1 Начальные параметры конструкции

На основе теоретического анализа, исходные расчетные параметры щелевой гильзы определяются следующим образом:: материал вкладыша сталь Q355, толщина гильзы 6 мм, внутренний диаметр 200 мм, внешний диаметр 212 мм, Ширина прорези 0.4 мм (1.6 раз d50), длина слота 50 мм, плотность слотов 20 слоты на метр, форма прорези прямоугольная со скругленными углами (угловой радиус 0.1 мм), расположение слотов в шахматном порядке.

5.2.2 Процесс оптимизации

Используя метод оптимизации многофакторной связи, предложенный в главе 4, оптимизированы исходные параметры конструкции. Первый, модель конечных элементов и модель CFD гильзы с прорезями созданы для моделирования прочности конструкции., производительность потока, и эффективность борьбы с песком. Результаты моделирования показывают, что максимальное напряжение щелевого хвостовика под пластовым давлением составляет 265 МПА (меньше чем 355 МПА), скорость потока 130 м³/ч, а содержание песка в попутной воде составляет 0.03% (меньше чем 0.05%). Результаты моделирования соответствуют целям оптимизации., но скорость потока можно еще улучшить.

Для улучшения скорости потока, плотность слотов увеличивается до 25 слоты на метр, и ширина слота увеличивается до 0.45 мм. Результаты моделирования после оптимизации показывают, что максимальное напряжение щелевой гильзы составляет 312 МПА (все еще меньше, чем 355 МПА), скорость потока 155 м³/ч, а содержание песка в попутной воде составляет 0.04% (все еще меньше, чем 0.05%). Цели оптимизации полностью достигнуты., поэтому окончательные параметры конструкции определяются следующим образом: материал вкладыша сталь Q355, толщина гильзы 6 мм, внутренний диаметр 200 мм, внешний диаметр 212 мм, Ширина прорези 0.45 мм, длина слота 50 мм, плотность слотов 25 слоты на метр, форма прорези прямоугольная со скругленными углами (угловой радиус 0.1 мм), расположение слотов в шахматном порядке.

5.3 Установка и изготовление оптимизированных вкладышей с прорезями

Установка и изготовление оптимизированного вкладыша с прорезями выполняются в следующие этапы.:

(1) Очистка колодца: Используйте инструмент для очистки скважин, чтобы удалить песок и отложения из ствола скважины, чтобы обеспечить плавную установку хвостовика с прорезями..

(2) Изготовление вкладыша: Щелевой вкладыш изготавливается в заводских условиях по окончательным проектным параметрам.. При обработке пазов используется технология лазерной резки, обеспечивающая точность ширины паза. (погрешность ±0,02 мм) и гладкость краев прорезей.

(3) Транспортировка и спуск лайнера: Сборный щелевой хвостовик транспортируется на строительную площадку и с помощью крана опускается в ствол скважины.. В процессе опускания, приняты защитные меры во избежание столкновения и повреждения лайнера.

(4) Крепление и герметизация: Щелевой хвостовик фиксируется в заданном положении в стволе скважины с помощью центраторов., а зазор между хвостовиком и стволом скважины герметизируют цементом для предотвращения попадания песка в ствол скважины из зазора.

(5) Тестирование заканчивания скважины: После завершения установки, проводятся испытания заканчивания скважины, включая испытание водоотдачи, проверка содержания песка, и испытания под давлением, для проверки эффекта контроля пескопроявления и характеристик потока хвостовика с прорезями..

5.4 Оценка эффекта применения

После завершения преобразования контроля песка, водяная скважина находится в эксплуатации уже 1 год, а эффект от применения оценивается посредством мониторинга и тестирования на месте.

5.4.1 Оценка эффекта борьбы с песком

Содержание песка в попутной воде проверяется ежемесячно.. Результаты испытаний показывают, что среднее содержание песка составляет 0.03%, что меньше допустимого предела 0.05%. В течение 1 года обслуживания, в стволе скважины нет явного скопления песка, и погружной насос работает нормально, без истирания. Это указывает на то, что оптимизированный хвостовик с прорезями обеспечивает хороший эффект контроля пескоструйной обработки..

5.4.2 Оценка производительности потока

Дебит скважины проверяется ежеквартально.. Результаты испытаний показывают, что средний выход воды составляет 152 м³/ч, что значительно превышает выход воды до трансформации (80 м³/ч) и соответствует проектным требованиям 150 м³/ч. Падение давления в гильзе с прорезями проверено на соответствие 0.7 МПА, что находится в пределах допустимого. Это указывает на то, что оптимизированный вкладыш с прорезями имеет хорошие характеристики потока..

5.4.3 Оценка экономической выгоды

Экономическая выгода проекта оценивается с точки зрения стоимости трансформации., стоимость обслуживания, и увеличение водоотдачи. Результаты показывают, что: (1) Полная стоимость трансформации скважины равна 80,000 юань, включая стоимость оптимизированного щелевого вкладыша (50,000 юань) и стоимость установки (30,000 юань); (2) До трансформации, стоимость годового обслуживания скважины (включая замену погружного насоса и очистку скважины) было около 40,000 юань. После трансформации, ежегодные затраты на техническое обслуживание сокращаются до 5,000 юань, экономия 35,000 юаней на расходы на техническое обслуживание в год; (3) Расход воды увеличился на 72 м³/ч после трансформации. Судя по цене на воду 2 юаней/м³ и годовое время работы 300 дни (7200 часов), ежегодный дополнительный доход от воды составляет 72 × 7200 × 2 = 1,036,800 юань. Комплексный расчет показывает, что период окупаемости инвестиций в проект преобразования системы контроля песка составляет около 0.08 лет (меньше чем 1 месяц), который имеет значительные экономические выгоды.

В дополнение, оптимизированный вкладыш с прорезями имеет хорошую долговечность. В течение 1 года обслуживания, нет коррозии, деформация, или обнаружено повреждение вкладыша, что снижает частоту обслуживания скважин и еще больше повышает экономическую выгоду от проекта. Успешное применение оптимизированного щелевого хвостовика в этом проекте также является примером преобразования аналогичных водяных скважин в регионе для борьбы с песком., который имеет определенную рекламную ценность.

6. Заключение и перспективы

6.1 Основные выводы

В данной статье основное внимание уделяется оптимизации конструкции щелевых хвостовиков для борьбы с песком в водяных скважинах., и проводит углубленные исследования на теоретической основе, ключевые параметры конструкции, методы оптимизации, численное моделирование, и инженерное применение. Основные выводы резюмируются следующим образом.:

(1) Эффективность контроля пескопроявления в хвостовиках с прорезями во многом зависит от свойств материала вкладышей., механизмы удержания песка (механическое просеивание, образование песчаных мостиков, осаждение частиц), принципы сопротивления потоку (сопротивление трению, местное сопротивление в слотах, устойчивость к отложению песка), и параметры пласта (гранулометрический состав песка, пористость и проницаемость водоносного горизонта, пластовое давление). Среди них, средний размер частиц пластового песка определяет разумный диапазон ширины щели, Пластовое давление является основным фактором, влияющим на выбор материала и толщины хвостовика..

(2) Основные конструктивные параметры щелевых вкладышей (Ширина прорези, плотность слотов, форма слота, расположение слотов, толщина и материал вкладыша) оказывают значительное влияние на эффективность борьбы с песком, текучесть и прочность конструкции. Прямоугольные пазы с закругленными углами и шахматным расположением являются оптимальным выбором для балансировки эффекта контроля песка и производительности потока.; ширина прорези должна контролироваться в пределах 1.5-2.5 раз средний размер частиц (d50) пластового песка, и плотность щелей должна быть оптимизирована с учетом предела структурной прочности материала гильзы..

(3) Метод оптимизации многофакторной связи, объединяющий теоретический анализ., предлагается численное моделирование и экспериментальная проверка.. Этот метод может эффективно сбалансировать три основные цели эффективности борьбы с песком., текучесть и прочность конструкции. Модель конечных элементов, разработанная ANSYS, и модель CFD, разработанная Fluent, могут точно моделировать распределение структурных напряжений и характеристики поля потока в гильзах с прорезями., обеспечение надежной технической базы для оптимизации параметров.

(4) Проверка инженерного случая показывает, что оптимизированный щелевой вкладыш, разработанный предлагаемым методом, имеет отличные результаты практического применения.. После преобразования водной скважины в рыхлый песчаный водоносный горизонт, среднее содержание песка в попутной воде составляет 0.03% (ниже допустимого предела 0.05%), выход воды увеличивается с 80 м³/ч до 152 м³/ч, а период окупаемости инвестиций меньше 1 месяц. Он имеет значительные экономические выгоды и рекламную ценность для аналогичных проектов..

6.2 Ограничения исследований

Хотя эта статья достигла определенных результатов исследования, все еще существуют некоторые ограничения, которые необходимо улучшить в будущих исследованиях.:

(1) Объем исследований в основном сосредоточен на рыхлых песчаных водоносных горизонтах и гравийных водоносных горизонтах., и исследование адаптивности щелевых вкладышей в специальных водоносных горизонтах. (такие как трещиноватые водоносные горизонты, карстовые водоносные горизонты) недостаточно. Требования к механизму контроля песка и конструктивным параметрам щелевых вкладышей в специальных водоносных горизонтах сильно отличаются от требований к рыхлым песчаным водоносным горизонтам., которые необходимо дополнительно изучить.

(2) Численное моделирование и экспериментальные испытания в данной статье проводятся в статических условиях пласта.. В реальной инженерии, пласт может иметь динамические изменения (такие как расчет формирования, колебание уровня воды), что повлияет на долгосрочную эксплуатацию и структурную стабильность вкладышей с прорезями.. Соответствующие исследования по адаптации оптимизированных хвостовиков с прорезями к динамическим условиям пласта отсутствуют..

(3) Метод оптимизации многофакторной связи, предложенный в этой статье, в определенной степени основан на ручной итерации и проверке.. Интеграция интеллектуальных алгоритмов оптимизации (например генетический алгоритм, оптимизация роя частиц) и численные имитационные модели не были полностью реализованы, что приводит к ограниченной эффективности оптимизации.

6.3 Перспективы будущих исследований

Учитывая ограничения исследований и потребности в разработке технологии борьбы с песком в водяных скважинах., будущие направления исследований предлагаются следующие::

(1) Расширить сферу исследований до особых водоносных горизонтов. Провести углубленное исследование механизма борьбы с песком в щелевых вкладышах в трещиноватых водоносных горизонтах и карстовых водоносных горизонтах., создать целевые модели оптимизации дизайна, и улучшить адаптируемость технологии борьбы с песком в хвостовике с прорезями к различным типам водоносных горизонтов..

(2) Укрепить исследования динамических условий пласта.. С помощью физического моделирования внутри помещений и численного моделирования., моделировать динамические изменения пласта (такие как расчет формирования, колебание уровня воды), исследование долговременной службы и структурной устойчивости щелевых вкладышей в динамических условиях., и предложить соответствующие стратегии укрепления и поддержания.

(3) Разработать интеллектуальную систему проектирования вкладышей с прорезями. Интегрируйте интеллектуальные алгоритмы оптимизации, Программное обеспечение для численного моделирования и инженерная база данных для создания интеллектуальной платформы проектирования. Реализуйте автоматическое согласование и оптимизацию проектных параметров в соответствии с условиями пласта и инженерными требованиями., и повысить эффективность и надежность конструкции.

(4) Исследуйте новые материалы и новые конструкции гильз с прорезями.. Исследование и разработка высокоэффективных композитных материалов (например, композиты, армированные углеродным волокном) с лучшей коррозионной стойкостью и механическими свойствами; исследовать новые структуры слотов (например, слоты переменной ширины, изогнутые прорези) для дальнейшего улучшения эффективности контроля песка и производительности потока.

(5) Усиление долгосрочного мониторинга на местах и сбора данных. Осуществление долгосрочного отслеживания и мониторинга водяных скважин с использованием оптимизированных щелевых хвостовиков., собирать данные о содержании песка, выход воды, состояние лайнера и другие показатели, создать долгосрочную базу данных о производительности, и обеспечивать поддержку данных для постоянной оптимизации и совершенствования технологии проектирования щелевых гильз..