[发明专利]基于能量耗散理论的水合物浆液流动压降预测方法和系统

权利要求书

1.一种基于能量耗散理论的水合物浆液流动压降预测方法，其特征在于，

包括如下步骤：

S10：获取当前钻井参数和井筒多相流动参数；

在所述步骤S10中，所述钻井参数包括：钻井液排量、钻井液密度和钻井液粘度；所述井筒多相流动参数包括：气相流速、液相流速、固相流速、温度、压力、气相密度、固相密度、固相颗粒尺寸和固相颗粒圆整度；

S20：判断含水合物相变的多相流动状态：

S30：根据近壁面处的流动规律，通过流体与管壁间摩擦导致流体的部分机械能转化为热能耗散分别计算层流状态和紊流状态下流体与管壁间摩擦阻力造成的能量耗散率：

在步骤S30中，假设流体为粘性流体，且在近壁面处的流动规律为层流，流体与管壁间摩擦导致流体的部分机械能转化为热能耗散，其计算公式如下：

式中，E_f为摩阻造成的能量耗散率，J/(m³s)，τ_L为液相流体的剪切强度，Pa，dL为管道长度，m，D为管道内径，m，V_L为水合物浆液流速，m/s；

S40：根据水合物颗粒间碰撞频率(θ_p-p)和单次碰撞后造成的能量耗散率(ΔE_p-p)分别计算层流状态和紊流状态下水合物颗粒间碰撞造成的能量耗散率；

在步骤S40中，通过水合物颗粒间碰撞频率(θ_p-p)和单次碰撞后造成的能量耗散率(ΔE_p-p)进行计算在水平管中计算水合物颗粒间碰撞造成的能量耗散率(E_p-p)，计算公式如下；

E_p-p＝θ_p-pΔE_p-p

式中，E_p-p为水合物颗粒间碰撞造成的能量耗散率，J/(m³s)，θ_p-p为水合物颗粒间碰撞频率，s^-1，ΔE_p-p为单次水合物颗粒间碰撞造成的能量耗散率，J/(m³s)；

当流型为紊流时，流体中的紊流结构是导致水合物颗粒间碰撞的主要因素，水合物颗粒间碰撞导致的能量耗散率的计算公式为：

式中，ρ_s为水合物颗粒密度，kg/m³，v_f为水合物颗粒的脉动速度，m/s，U为水合物颗粒平均速度常数，d为水合物颗粒直径，m，n_i和n_j为i组和j组的水合物颗粒数目，d_pi和d_pj为i组和j组的水合物颗粒直径，m，ε为湍动能耗散率，m^-3s^-1；e为恢复系数；dV/dy为速度分布梯度；

当流型为层流时，流体对水合物颗粒的剪切力是导致水合物颗粒间碰撞的主要因素，该情况下水合物颗粒间碰撞导致的能量耗散率的计算公式为：

v_f＝3×10^-6C_hydr^-0.886

式中，f_s为水合物浓度，g₀为水合物颗粒半径分布系数，C_hydr为水合物浓度；

S50：根据水合物颗粒与管壁间碰撞频率(θ_p-w)和单次碰撞后造成的能量耗散率(ΔE_p-w)分别计算层流状态和紊流状态下水合物颗粒-管壁间碰撞造成的能量耗散率；

在所述步骤S50中，通过水合物颗粒与管壁间碰撞频率(θ_p-w)和单次碰撞后造成的能量耗散率(ΔE_p-w)进行计算水合物颗粒与管壁间碰撞造成的能量耗散率(E_p-w)，计算公式如下：

E_p-W＝θ_p-WΔE_p-W

式中，E_p-w为水合物颗粒和管壁间碰撞造成的能量耗散率，J/(m³s)，θ_p-w为水合物颗粒和管壁间碰撞频率，s^-1，ΔE_p-w为单次水合物颗粒和管壁间碰撞造成的能量耗散率，J/(m³s)；

当流型为紊流时，水合物颗粒与管壁间的碰撞由紊流结构引发，假设水合物颗粒为刚性颗粒，在碰撞管壁后既不会发生形变，也不会发生破裂，水合物颗粒碰撞管壁前后造成的能量耗散，通过水合物颗粒的动能损失进行计算，故而，水合物颗粒碰撞管壁后的动能损失计算公式如下：

式中，m_p为水合物颗粒质量，kg，V_c为单个水合物颗粒体积，m³，v_i，T水合物颗粒入射的切向速度，m/s，v_r，T水合物颗粒出射的法向速度，m/s，v_i，N水合物颗粒入射的法向速度，m/s，v_r，N水合物颗粒出射的切向速度，m/s；

水合物颗粒与管壁间的碰撞频率计算公式如下：

式中，f_coll为撞击管壁的水合物颗粒体积分数，n_tot为水合物颗粒总数，t_coll为水合物颗粒撞击管壁的时间长度，s；

当流型为层流时，水合物颗粒倾向于向管壁中心流动，因此，水合物颗粒与管壁间的碰撞忽略不计；

S60：根据流体与水合物颗粒间绕流所导致流体与水合物颗粒间的能量耗散，分别计算层流状态和紊流状态下液相-水合物颗粒间相互作用造成的能量耗散率；

在步骤S60中，

当流型为紊流时，流体与水合物颗粒间的能量耗散由流体与水合物颗粒间摩擦所导致，流体的机械能转化为热能耗散，其能量耗散率如下公式计算：

式中，E_p-L为水合物颗粒与流体间摩擦造成的能量耗散率，J/(m³s)，f_sm为水合物堵塞时的最大体积分数，v_W为液相的动力粘度，m²/s，s为水合物和液相的密度比；ρ_L为流体密度，kg/m³；

当流型为层流时，流体与水合物颗粒间的能量耗散由流体与水合物颗粒间绕流所导致，流体的机械能转化为热能耗散，其能量耗散率通过如下公式计算：

E_p-L＝4πμ_ov_Slip²β

式中，μ_o为液相的表观粘度，Pa s，v_slip为液固间的滑脱速度，m/s，β为水合物颗粒的微观结构特征系数；

S70：根据S30～S60中，层流状态和紊流状态下流体与管壁间摩擦阻力造成的能量耗散率、水合物颗粒间碰撞造成的能量耗散率、水合物颗粒-管壁间碰撞造成的能量耗散率和液相-水合物颗粒间相互作用造成的能量耗散率所形成的总体能量耗散率计算水合物浆液流动压降；

其中，水合物浆液流动压降与总体能量耗散率之间的关系推导如下：

式中，ΔP为水合物浆液的流动压降，Pa，Q为水合物浆液流量，m³/s，V为控制体体积，m³，E_tot为水合物浆液流动时的总体能量耗散率，J/(m³s)。