[发明专利]深水气液两相流循环温度压力耦合计算方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种温度压力计算方法，具体涉及一种深水气液两相流循环温度压力耦合计算方法。

背景技术

随着欠平衡技术在陆地油田应用日趋成熟，近年来为了提高海上油井产能、降低钻井过程中对油气层的污染或解决井漏问题，已开始应用欠平衡钻井技术开发海洋油田。使用充气钻井液时，气液两相流钻井液形成的井筒温度场和压力场相互影响，属于耦合求解问题，井筒内气液两相流钻井液的温度和压力场数据是安全实施深水欠平衡钻井技术的关键。

目前，国内外学者对井筒传热问题的研究方法可以归纳为两大类：半瞬态法和全瞬态法。

半瞬态法认为井筒内钻井液传热速率远大于地层内岩石的传热速率，将井筒内传热视为稳态传热过程，地层内看作瞬态传热过程。该类方法的基础为Ramey模型，模型中将井筒看作是插入地层中的无限长线热源，依据井筒与地层的换热时间推导出了井筒与地层的换热量计算公式，适用于计算流体循环超过7天的井筒与地层换热问题。针对该模型缺陷，Jacques提出通过改进无因次函数f(t)的计算方法，使半稳态方法能适用于预测早期井筒与地层换热问题。

全瞬态法将井筒内换热和地层中换热均看作瞬态过程，原始模型由Raymond提出，其后，Keller在换热模型中加入了钻井液摩阻和机械能损失引起的内热源，David改进了离散方程组数值求解算法，加快了求解速度。

研究气液两相流循环压降以及界面含气率的模型可分为三类：均相流模型、分离流模型和基于流型的机理模型。国内外学者普遍认为分流型的机理模型能够更加准确的描述气液两相流在倾斜圆管中的真实流动状态，更适合计算井筒气液两相流压力降。

深水欠平衡钻井作业期间，由于气相的可压缩性，使得钻井液温度和压力与钻井液密度、流变性和热物性相互影响，海水区与地层区相互影响，钻柱内和环空温压场相互影响。而现有方法将气液两相流循环温度和压力分开单独求解，计算温度场时不考虑压力，计算压力时认为钻井液恒温，与深海钻井工况不符，不能用于模拟深水气液两相流温度压力场。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种深水气液两相流循环温度压力耦合计算方法。基于深水气液两相流流动、换热和压力传递特征，采用交错网格的全隐式有限体积法离散格式，耦合多换热区域，考虑钻井热源，温压对两相流钻井液热物性的影响，开发了本计算方法，并结合现场数据验证了本方法的有效性。

其特征在于，包括以下步骤：

1)节点划分

根据深水井筒井身结构和钻具结构，采用交错网格布置压力和温度节点，将温度节点布于网格控制体中心，压力节点布于网格控制体界面处。对每一个轴向网格都要分析和记录其所在轴向位置处的径向换热对象的几何和热物性信息。

2)确定网格垂向坐标

根据井眼轨迹确定网格中心的垂直坐标和网格垂直长度。

3)应用初始条件

海水区(泥线以上)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；地层区(泥线以下)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；节点初始压力为气液两相钻井液静止状态下对应深度处的静液柱压力。

4)自上而下计算钻柱内气液两相流钻井液节点温度和压力数据。每个节点的温度和压力都需要迭代计算至获得收敛解，具体计算步骤如下：

①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；

②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；

③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；

④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；

⑤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；

⑥计算钻柱内气液两相流钻井液的压降梯度；

⑦计算钻柱内气液两相流与钻柱内壁的强迫对流换热系数；

⑧计算钻柱内钻井液与环空钻井液之间的热阻；

⑨计算钻柱内节点的新温度和压力；

⑩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③，重复执行，直至获得收敛解，作为该次迭代的最终解。

5)自下而上计算环空气液两相流钻井液节点温度和压力数据。每个节点的温度和压力都需要迭代计算至获得收敛解，具体计算步骤如下：

①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；