[发明专利]基于井筒环空瞬态多相流流动特征的环空瞬态水击模型

权利要求书

1.基于井筒环空瞬态多相流流动特征的环空瞬态水击模型，其特征在于，包括以下步骤：

S1、建立气侵关井引发的井筒环空瞬态水击压力物理模型；所述物理模型的建立条件为：

(1)、井筒内流体流动模型为一维瞬态气液两相流动；

(2)、套管和钻杆线性弹性，不考虑固井和地层的影响；

(3)、环空流体与相应深度地层温度相等，不考虑井筒传热；

(4)、钻井液和气体是可压缩的，地层压力保持恒定；

(5)、不考虑岩屑对水击波速度的影响；

(6)、不考虑泥浆泵关闭时间，在关闭环形防喷器前已关闭节流阀；

S2、根据质量、动量守恒定律，建立井筒环空瞬态多相流数学模型；

气相质量守恒方程为(产气层)：

气相质量守恒方程为(非产气层)：

液相质量守恒方程为：

混合动量守恒方程为：

式中，q_g—气侵速度，kg/(m.s)；ρ_g—气体的密度，kg/m³；u_g—气体速度，m/s；H_g—截面含气率，无量纲；A—环空截面积，m²；ρ_l—钻井液的密度，kg/m³；u_l—钻井液流速，m/s；H_l—持液率，无量纲；F_r—摩阻压降，Pa；P—环空压力，Pa；g—重力加速度，m/s²；t—时间，s；z—轴向距离，m；

S3、建立环空瞬态水击数学模型；

环空水击运动方程：

其中，非恒定摩阻系数λ为：

环空水击连续性方程：

其中，含气量水击波速a_m

式中，ρ—混合流体密度，kg/m³；u—混合流体流速，m/s；E_d—钻杆弹性模量，Pa；δ₁—套管壁厚，mm；δ₂—钻杆壁厚，mm；λ—非恒定摩阻系数；Re—雷诺数，无量纲；D_i—环空内径，mm；D₀—环空外径，mm；E_l—液相弹性模量，MPa；E_g—气相弹性模量，MPa；E_p—套管弹性模量，MPa；a_m—水击波速，m/s；g—重力加速度，m/s²；s—空间坐标，m；P—环空压力，Pa；H_g—截面含气率，无量纲；t—时间，s；

S4、利用扩散差分法对环空瞬态水击数学模型求解；所述环空瞬态水击数学模型的解为：

第i断面的压力：

第i断面的流速：

其中，

θ—井眼轴线与水平线之间的夹角，°；

式中，ρ—混合流体密度，kg/m³；u—混合流体流速，m/s；E_p—套管弹性模量，Pa；δ₁—套管壁厚，mm；λ—非恒定摩阻系数；D_i—环空内径，mm；D₀—环空外径，mm；g—重力加速度，m/s²；s—空间坐标，m；z—轴向位置，m；α—加权因子，无量纲；P—环空压力，Pa；t—时间，s；a_m—水击波速，m/s；

S5、根据步骤S4中数学模型的解确定的水击波前沿位置，利用自适应网格法对该位置进行网格加密，提高局部区域的计算精度。