[发明专利]一种深水气井防砂筛管冲蚀数值模拟方法

权利要求书

1.一种深水气井防砂筛管冲蚀数值模拟方法，其特征在于，如下：

根据砂粒对筛管冲蚀磨损机理，将冲蚀磨损过程分为气固两相耦合流动和砂粒对壁面冲蚀磨损两部分；

对于气固两相耦合流动问题，首先构建筛管流域物理模型，所述的物理模型中具有一定的孔喉尺寸、渗透率及孔隙度的多孔介质流域，并引入气固耦合运动模型描述两相流的湍流流态，得到两相流流场分布；

对于砂粒对筛管过滤单元的冲蚀磨损问题，构建筛孔筛缝流域物理模型，建立离散颗粒广角度筛管冲蚀模型，结合流场分布确定气固两相在孔缝流域入口的边界条件，进行砂粒冲蚀筛网的数值模拟并得到冲蚀磨损速率。

2.如权利要求1所述的深水气井防砂筛管冲蚀数值模拟方法，其特征在于，气固两相耦合流动的物理模型中采用气体控制方程描述气体流动，而砂粒作为离散相处理，采用砂粒运动方程描述砂粒运动；两相流场中气体与砂粒间存在相互影响；联立气体控制方程和砂粒运动方程，建立气固耦合运动模型，采用迭代法进行耦合计算，当气体压力和流速残差小于设定值时，计算达到收敛，得到气相流场和砂粒运动轨迹。

3.如权利要求2所述的深水气井防砂筛管冲蚀数值模拟方法，其特征在于，所述气体控制方程包括连续性方程和动量方程。

4.如权利要求2所述的深水气井防砂筛管冲蚀数值模拟方法，其特征在于，所述的砂粒运动方程如下：

其中，F_g重力、F_b浮力，F_d拖曳力、F_a附加质量力、F_p压强梯度力、F_ba Basset力，m_p为砂粒质量，u_pN为垂向砂粒速度，u_pT为垂向砂粒速度，e_T为切向恢复系数，e_N为垂向恢复系数。

5.如权利要求1所述的深水气井防砂筛管冲蚀数值模拟方法，其特征在于，所述的离散颗粒广角度筛管冲蚀模型的建立方法如下：

基于Procyk经验模型的颗粒整体同一角度冲蚀的理念，引入Edwards和McLaury提出的冲蚀角度函数式，多颗粒冲蚀叠加，建立离散颗粒广角度冲蚀率模型。

6.如权利要求1所述的深水气井防砂筛管冲蚀数值模拟方法，其特征在于，流场模拟部分，通过提取筛管物理模型的内部流域，得到用于模拟气固耦合流动的筛管流域，根据流域孔隙度、渗透率等物性差异，将筛管流域分为砾石环形区和筛管中心区；为保障两区域联结处的网格连续性，流域整体采用四面体网格进行网格划分，流场入口的边界条件为速度入口，出口边界条件为自由流出口；离散相与碰撞壁面间边界条件为弹性反弹。

7.如权利要求1所述的深水气井防砂筛管冲蚀数值模拟方法，其特征在于，冲蚀模拟部分提取孔缝物理模型的内部流域进行砂粒对筛网冲蚀模拟，采用可提高模拟精度的六面体结构网格进行网格划分，气体携砂由入口面流入，由正下方出口面流出。流场入口边界条件为速度入口，出口边界条件为自由流出口；离散相与目标冲蚀壁面间的边界条件为弹性反弹，与其他壁面间为逃逸。

8.如权利要求1所述的深水气井防砂筛管冲蚀数值模拟方法，其特征在于，冲蚀磨损速率的模拟控制方法：

气相流场的求解需先进行气体控制方程的空间离散化，压力离散采用二阶格式，动量、湍动能和湍流耗散率的离散化采用二阶迎风格式；

求解气体控制方程时，压力速度耦合采用simple算法，即通过试算压力场，求解离散的动量方程得到速度场，再根据速度场修正压力场，检验收敛性后重复迭代。

每进行5次气相流场迭代，需结合气固耦合流动模型进行1次离散相轨迹计算，根据离散相参数更新气体控制方程中的源项，持续迭代直至计算收敛，得到气相流场和砂粒运动轨迹，并结合离散颗粒广角度冲蚀模型得到冲蚀磨损情况。

9.如权利要求8所述的深水气井防砂筛管冲蚀数值模拟方法，其特征在于，为避免引起非线性迭代过程的发散，采用亚松弛法将每次迭代后各项的变化量进行适当缩减，即调整松弛因子大小在0～1之间，迭代运算时可先使用较低的松弛因子保证收敛的稳定性，当残差曲线稳定下降时，适当提高松弛因子加速收敛，当监测的残差值低于设定值时，判定收敛，结束运算。