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技术方案

本发明专利技术公开了一种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，预测方法包括如下步骤：S10：获取当前钻井参数和井筒多相流动参数；S20：判断含水合物相变的多相流动状态：S30：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：S40：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；S50：分别计算层流状态和紊流状态下水合物颗粒

【技术实现步骤摘要】
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


[0001]本专利技术涉及深水油气和天然气水合物开发
，尤其涉及一种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。

技术介绍

[0002]目前，我国原油对外依存度以超过70％，天然气已超过43％。随着我国陆上油气资源勘探开发难度的提高，深水油气和天然气水合物的开发成为我国能源安全保障的重要手段之一。在深水钻完井及测试过程中，高压低温环境易导致水合物的生成和沉积，堵塞管线，给深水流动保障带来安全风险。
[0003]现有防治水合物的方法通常是采用过量注入水合物抑制剂，冗余量超过100％，以达到完全防止水合物生成的目的。但是，由于水合物抑制剂用量大，造成深水油气和天然气水合物开发过程中钻井和生产成本高居不下，且环境污染大。水合物生成并不意味着一定会发生水合物堵塞，准确预测水合物生成后的多相流动规律，有助于建立经济、高效的水合物防治方案。

技术实现思路

[0004]本方案针对上文提出的问题和需求，提出一种基于能量耗散理论的水合物浆液流动压降预测方法，由于采取了如下技术特征而能够实现上述技术目的，并带来其他多项技术效果。
[0005]根据本专利技术第一方面的一种基于能量耗散理论的水合物浆液流动压降预测方法，
[0006]包括如下步骤：
[0007]S10：获取当前钻井参数和井筒多相流动参数；
[0008]S20：判断含水合物相变的多相流动状态：
[0009]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：
[0010]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；
[0011]S50：根据水合物颗粒与管壁间碰撞频率(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
‑
管壁间碰撞造成的能量耗散率；
[0012]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；
[0013]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；
[0014]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：
[0015][0016]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/(m
3 s)。
[0017]在本专利技术的一个示例中，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。
[0018]在本专利技术的一个示例中，在步骤S20中，根据液相雷诺数(Re)对多相流体流动状态进行判定，当Re或ReMR＞2100时，多相流体流动状态为紊流；当Re或ReMR＜2100时，多相流体流动状态为层流。
[0019]在本专利技术的一个示例中，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：
[0020][0021]式中，E
f
为摩阻造成的能量耗散率，J/(m
3 s)，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。
[0022]在本专利技术的一个示例中，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；
[0023]E
p
‑
p
＝θ
p
‑
p
△
E
p
‑
p
[0024]式中，E
p
‑
p
为水合物颗粒间碰撞造成的能量耗散率，J/(m
3 s)，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/(m
3 s)；
[0025]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：
[0026][0027][0028]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，ni和nj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；
[0029]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：
[0030][0031][0032]v
f
＝3
×
10
‑6C
hydr
‑
0.886
[0033]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。
[0034]在本专利技术的一个示例中，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：
[0035]E
p
‑
W
＝θ...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
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；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：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；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；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；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/(m
3 s)。2.根据权利要求1所述的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，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。3.根据权利要求1所述的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，在步骤S20中，根据液相雷诺数(Re)对多相流体流动状态进行判定，当Re或ReMR＞2100时，多相流体流动状态为紊流；当Re或ReMR＜2100时，多相流体流动状态为层流。4.根据权利要求1所述的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，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/(m
3 s)，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。
5.根据权利要求1所述的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，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
‑
p
△
E
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/(m
3 s)，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/(m
3 s)；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：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：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。6.根据权利要求1所述的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，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
‑
W
△
E
p
...

【专利技术属性】
技术研发人员：付玮琪，于璟，王志远，黄炳香，孙宝江，
申请(专利权)人：中国石油集团工程技术研究院有限公司中国石油大学华东，
类型：发明
国别省市：