[发明专利]一种海洋天然气水合物开采立管动力特性分析方法

权利要求书

1.一种海洋天然气水合物开采立管动力特性分析方法，其特征在于，包括以下步骤：

构建水合物开采立管的模型，以海流方向为 Y 轴方向、以海底井口到海面平台的直线方向为 Z 轴方向建立所述立管的分析坐标系；

n 等分所述立管，得到 n 个立管单元和 n 个流体单元，对每一立管单元和每一流体单元进行受力分析，得到所述立管单元和流体单元在 Y 方向上的力平衡方程；其中，n 为大于 1的自然数；

根据所述立管内的天然气水合物分解和多相流流动，建立所述立管的两相流模型，获得所述立管单元内的气体质量、液体质量、气体速度和液体速度；

根据所述立管单元和流体单元在 Y 方向上的力平衡方程，并引入所述立管内的气体质量、液体质量、气体速度和液体速度得到所述立管在 Y 方向的运动微分方程；

获得所述立管在 Y 方向的运动微分方程的边界条件，并进行离散求解得到所述立管的动力学参数；

所述立管单元内的气体质量、液体质量、气体速度和液体速度通过以下步骤获得：

根据气体表观速度、液体表观速度大小判断所述立管单元内流体的流态，得到流体中气体的分布系数和气相漂移速度；

根据所述立管单元内流体中气体的分布系数和气相漂移速度得到所述立管单元内的截面含气率和容积含气率；

根据所述立管单元内的截面含气率和容积含气率，建立所述立管的两相流模型，获得所述立管单元内流体的气体质量、液体质量、气体速度和液体速度；

所述立管的两相流模型为：

；

；

其中，ε_g为容积含气率，无因次量纲；α_g为截面含气率，无因次量纲；Qi为流体的容积流量，m³/s；Ag和A₁分别为气相和液相所占的截面面积，m² ；V_g和V₁分别为气体速度和液体速度，m/s；ρ_g为气体密度，kg/m³ ；ρ₁为液体密度，kg/m³；A为所述立管单元的截面面积；m_g和m₁分别为气体质量和液体质量，kg；

其中，所述截面含气率通过下式获得：

；

其中，；

其中，C₀为分布系数，v_gr为漂移速度，m/s ；v_sg、v_sl和v_m分别为气体表观速度、液体表观速度和气液体混合速度，m/s ；

其中，容积含气率通过下式获得：

；

其中，K 为滑速比，无因次量纲；

所述立管在 Y 方向的运动微分方程为：

其中， EI为弯曲刚度，N·m² ；y为流向位移，m；m_r为单位长度水合物开采立管质量，kg；m_k为单位长度内部气/液体的质量，kg；其中，；其中，A_g和A_l分别为气相和液相所占的截面面积，m²；ρ_g为管内气体密封，kg/m³ ；ρ₁ 为管内液体密度，kg/m³ ；m_g和m_l分别为气体质量和液体质量，kg；v_k为气体/液体的速度，m/s；T为截面上的张力，N；c为结构阻尼；F_f(z ,t )为流向海洋环境载荷，N；z为所述立管单元所在的Z轴坐标，t为时间步。

2.根据权利要求 1 所述的海洋天然气水合物开采立管动力特性分析方法，其特征在于，所述水合物开采立管的模型为两端铰支的内输两相流管线，其在海流作用下会产生变形。