[发明专利]深水气液两相流循环温度压力耦合计算方法

权利要求书

1.一种深水气液两相流循环温度压力耦合计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)计算网格垂向坐标

根据井眼轨迹计算网格中心的垂直坐标和网格垂直长度；

2)应用初始条件

海水区钻柱内和环空所有节点的初始温度为节点垂直坐标对应深度处海水温度，海水温度可由程序使用人员按水深输入，也可根据深海温度垂直分布模型考虑季节因素计算得到；

地层区钻柱内和环空所有节点的初始温度为网格中心垂直坐标对应垂直深度处地层原始温度，该原始温度同样可由用户输入也可根据地温梯度模型计算得到；

3)从初始值出发，按照先钻柱内钻井液后环空钻井液的顺序迭代计算钻柱内和环空钻井液节点温度和压力数据，直至温度和压力都达到收敛条件，迭代结束，最后一次迭代计算结果为最终深海气液两相流井筒温度和压力模拟结果，保存并输出，该迭代命名为全局迭代，由于对钻柱内钻井液和环空钻井液每个节点求解温度和压力值时都存在温度、压力与气液两相钻井液热物性的相互影响，故对每一个节点的求解也需要迭代计算，直至取得稳定收敛解，该迭代命名为子迭代。

2.根据权利要求1所述的深水气液两相流循环温度压力耦合计算方法，其特征在于，所述步骤3)中每一次全局迭代时钻柱内钻井液某节点的温度和压力计算步骤如下：

A用变量TOld和POld记录上次迭代结束时该节点的温度和压力数据；

B假定该节点的温度和压力等于上部相邻节点的温度和压力；

C取该节点与上部相邻节点压力的平均值为网格单元平均压力；

D计算环空气液两相流钻井液与钻柱外壁的强迫对流换热系数；

E计算气相和液相在网格中心温度和平均压力下的热物性参数；

F计算钻柱内气液两相流钻井液的压降梯度；

G计算钻柱内气液两相流与钻柱内壁的强迫对流换热系数；

H计算钻柱内钻井液与环空钻井液之间的热阻；

I计算钻柱内节点的新温度和压力；

J比较并记录本次迭代节点初始温度和压力与新计算出的节点温度和压力的差值，若达到收敛条件，则该节点本次温度和压力迭代计算结束，否则，以新计算出的温度和压力作为初始值，再转到步骤C，重复执行，直至获得收敛解，作为该次迭代的最终解。

3.根据权利要求1所述的深水气液两相流循环温度压力耦合计算方法，其特征在于，所述步骤3)中每一次全局迭代时环空钻井液某节点的温度和压力计算步骤如下：

K用变量TOld和POld记录上次迭代结束时该节点的温度和压力数据；

L假定该节点的温度和压力等于下部相邻节点的温度和压力；

M取该节点与下部相邻节点压力的平均值为网格单元平均压力；

N计算气相和液相在网格中心温度和平均压力下的热物性参数；

O计算环空气液两相流钻井液的压降梯度；

P计算环空气液两相流与钻柱外壁和环空壁面的强迫对流换热系数；

Q计算环空钻井液与地层之间的热阻；

R计算环空节点的新温度和压力；

S比较并记录本次迭代节点初始温度和压力与新计算出的节点温度和压力的差值，若达到收敛条件，则该节点本次温度和压力迭代计算结束，否则，以新计算出的温度和压力作为初始值，再转到步骤M，重复执行，直至获得收敛解，作为该次迭代的最终解。

T比较节点新温度压力数据与Told和POld的差，确定相邻两次迭代所有节点的最大温度差值TDiffMax和压力差值PDiffMax，以判断全局迭代计算是否满足结束条件。

4.一种实现权利要求1所述的深水气液两相流循环温度压力耦合计算方法的模拟器，其特征在于，由以下函数组成：

DataInput函数是TPWTP程序的数据输入函数，完成模拟井所有数据的输入，主要包括井身结构，钻具结构，海水深度，海水垂直温度分布，地层垂直温度分布，钻井液入口温度、排量、泵压、干度，气体种类，转速、扭矩，液体钻井液、钢材、水泥、地层隔水管绝热层等的参考状态热力学参数，地面温度；

TPField函数是TPWTP程序的总功能模块，按照程序流程图组装其它函数，完成深海气液两相流井筒温度和压力场计算及数据存储功能，计算钻柱内节点温度时需要调用TInDrillStem函数，计算环空节点温度则需要调用TAnnulus函数；

GridGeneration函数根据模拟井的井身结构、钻具结构、海水深度对温度和压力场求解域进行轴向分段和网格划分，存储网格节点的轴向几何信息及径向换热对象的几何和介质信息；

根据井眼轨迹计算网格中心的垂直坐标和网格垂直长度，函数功能要求调用DirectionParaCal函数根据井深和井斜角计算垂深；

TOriginGeneration函数根据海水和地层的垂直温度分布数据插值产生节点垂直深度处的原始温度；

Ini函数对求解域内网格节点变量应用初始条件，赋初值；

HTPPipe函数的功能是计算气液两相流管流强迫对流换热系数，为使程序可用于模拟气体钻井和液体钻井工况，HTPPipe还可通过调用HGasPipe和HLiquidPipe函数计算单气相或单液相的管流强迫对流换热系数；

HTPAnnulus函数的功能是计算环空气液两相流与内外壁的两个强迫对流换热系数，为使程序可用于模拟气体钻井和液体钻井工况，HTPAnnulus还可通过调用HGasAnnulus和HLiquidAnnulus函数计算单气相或单液相的环空强迫对流换热系数；

HSeaAcross函数用于计算海水横掠隔水管的强迫对流换热系数；

根据介质类型计算介质在给定温度和压力下的热力学性质的总集成函数，需要根据具体的介质类型空气、氮气、水、天然气、钻井液调用相应介质的热物性计算函数完成其功能；

DPDZ_BB：根据Beggs-Brill方法计算气液两相流压降梯度，实现该函数功能需要调用TPFriction_BB函数计算气液两相流摩阻压降；

DPDZ_HK：根据Hasan-Kabir方法计算气液两相流压降梯度，实现该函数功能需要调用TPFriction_HK函数计算气液两相流摩阻压降，

HeatResistance1：计算钻柱内钻井液到环空钻井液的换热热阻，实现函数功能需要调用HTPPipe和HTPAnnulus函数计算气液两相流在管流和环空流两种工况下的强迫对流换热系数；

HeatResistance2：计算环空钻井液到地层的换热热阻，实现函数功能需要调用HTPPipe和HTPAnnulus函数计算气液两相流在管流和环空流两种工况下的强迫对流换热系数；

TInDrillStem函数根据钻柱内气液两相钻井液能量守恒方程迭代计算钻柱内气液两相钻井液节点温度；

Tannulus：根据环空气液两相钻井液能量守恒方程迭代计算环空气液两相钻井液节点温度；

ThermalPhysics：计算气相在给定温度和压力下的密度和比焓，该函数功能需要根据气体类型调用空气；

EOS：根据气体类型调用相应的状态方程，根据温度和比体积计算气相的压力和比焓；

RKS：根据RKS模型计算给定温度和比体积时氮气的压力和比焓；

AirTP：计算空气在给定温度和比体积时氮气的压力和比焓，计算比焓时需要调用AirAOT、AirArT、AirArDen函数计算空气状态方程的相关偏导数；

AirAOT：计算空气的理想状态Helmholtz能对对比温度倒数的导数；

AirArT：计算空气余能对对比温度倒数的导数；

AirArDen：计算空气余能对对比密度的导数；

AirConductivity：计算空气给定温度和压力下的热导率，实现函数功能需要调用ThermalPhysics函数计算空气的真实密度；

AirViscosity：计算空气给定温度和压力下的动力粘度，实现函数功能需要调用ThermalPhysics函数计算空气的真实密度；

CpAir：计算空气给定温度和压力下的定压比热，实现函数功能需要调用ThermalPhysics函数计算空气的高温高压比焓；

CpNitrogen：计算氮气给定温度和压力下的定压比热，实现函数功能需要调用ThermalPhysics函数计算氮气的高温高压比焓，

NitrogenConductivity：计算氮气给定温度和压力下的热导率，实现函数功能需要调用ThermalPhysics函数计算氮气的真实密度；

NitrogenViscosity：计算氮气给定温度和压力下的动力粘度，实现函数功能需要调用ThermalPhysics函数计算氮气的真实密度。