專利名稱：深水氣液兩相流循環(huán)溫度壓力耦合計算方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種溫度壓力計算方法，具體涉及一種深水氣液兩相流循環(huán)溫度壓力耦合計算方法。
背景技術：
隨著欠平衡技術在陸地油田應用日趨成熟，近年來為了提高海上油井產(chǎn)能、降低鉆井過程中對油氣層的污染或解決井漏問題，已開始應用欠平衡鉆井技術開發(fā)海洋油田。使用充氣鉆井液時，氣液兩相流鉆井液形成的井筒溫度場和壓力場相互影響，屬于耦合求解問題，井筒內氣液兩相流鉆井液的溫度和壓力場數(shù)據(jù)是安全實施深水欠平衡鉆井技術的關鍵。目前，國內外學者對井筒傳熱問題的研究方法可以歸納為兩大類:半瞬態(tài)法和全瞬態(tài)法。半瞬態(tài)法認為井筒內鉆井液傳熱速率遠大于地層內巖石的傳熱速率，將井筒內傳熱視為穩(wěn)態(tài)傳熱過程，地層內看作瞬態(tài)傳熱過程。該類方法的基礎為Ramey模型，模型中將井筒看作是插入地層中的無限長線熱源，依據(jù)井筒與地層的換熱時間推導出了井筒與地層的換熱量計算公式，適用于計算流體循環(huán)超過7天的井筒與地層換熱問題。針對該模型缺陷，Jacques提出通過改進無因次函數(shù)f(t)的計算方法，使半穩(wěn)態(tài)方法能適用于預測早期井筒與地層換熱問題。全瞬態(tài)法將井筒內換熱 和地層中換熱均看作瞬態(tài)過程，原始模型由Raymond提出，其后，KelIer在換熱模型中加入了鉆井液摩阻和機械能損失弓I起的內熱源，David改進了離散方程組數(shù)值求解算法，加快了求解速度。研究氣液兩相流循環(huán)壓降以及界面含氣率的模型可分為三類:均相流模型、分離流模型和基于流型的機理模型。國內外學者普遍認為分流型的機理模型能夠更加準確的描述氣液兩相流在傾斜圓管中的真實流動狀態(tài)，更適合計算井筒氣液兩相流壓力降。深水欠平衡鉆井作業(yè)期間，由于氣相的可壓縮性，使得鉆井液溫度和壓力與鉆井液密度、流變性和熱物性相互影響，海水區(qū)與地層區(qū)相互影響，鉆柱內和環(huán)空溫壓場相互影響。而現(xiàn)有方法將氣液兩相流循環(huán)溫度和壓力分開單獨求解，計算溫度場時不考慮壓力，計算壓力時認為鉆井液恒溫，與深海鉆井工況不符，不能用于模擬深水氣液兩相流溫度壓力場。

發(fā)明內容
為了解決上述技術問題，本發(fā)明提供一種深水氣液兩相流循環(huán)溫度壓力耦合計算方法?；谏钏畾庖簝上嗔髁鲃印Q熱和壓力傳遞特征，采用交錯網(wǎng)格的全隱式有限體積法離散格式，耦合多換熱區(qū)域，考慮鉆井熱源，溫壓對兩相流鉆井液熱物性的影響，開發(fā)了本計算方法，并結合現(xiàn)場數(shù)據(jù)驗證了本方法的有效性。其特征在于，包括以下步驟:
I)節(jié)點劃分根據(jù)深水井筒井身結構和鉆具結構，采用交錯網(wǎng)格布置壓力和溫度節(jié)點，將溫度節(jié)點布于網(wǎng)格控制體中心，壓力節(jié)點布于網(wǎng)格控制體界面處。對每一個軸向網(wǎng)格都要分析和記錄其所在軸向位置處的徑向換熱對象的幾何和熱物性信息。2)確定網(wǎng)格垂向坐標根據(jù)井眼軌跡確定網(wǎng)格中心的垂直坐標和網(wǎng)格垂直長度。3)應用初始條件海水區(qū)(泥線以上)鉆柱內和環(huán)空所有節(jié)點的初始溫度為節(jié)點垂直坐標對應深度處海水溫度；地層區(qū)(泥線以下)鉆柱內和環(huán)空所有節(jié)點的初始溫度為網(wǎng)格中心垂直坐標對應垂直深度處地層原始溫度；節(jié)點初始壓力為氣液兩相鉆井液靜止狀態(tài)下對應深度處的靜液柱壓力。4)自上而下計算鉆柱內氣液兩相流鉆井液節(jié)點溫度和壓力數(shù)據(jù)。每個節(jié)點的溫度和壓力都需要迭代計算至獲得收斂解，具體計算步驟如下:①用變量TOld和POld記錄上次迭代結束時該節(jié)點的溫度和壓力數(shù)據(jù)；②假定該節(jié)點的溫度和壓力等于上部相鄰節(jié)點的溫度和壓力；③取該節(jié)點與上部相鄰節(jié)點壓力的平均值為網(wǎng)格單元平均壓力；④計算環(huán)空氣液兩相流鉆井液與鉆柱外壁的強迫對流換熱系數(shù)；⑤計算氣相和液相在網(wǎng)格中心溫度和平均壓力下的熱物性參數(shù)；

⑥計算鉆柱內氣液兩相流鉆井液的壓降梯度；⑦計算鉆柱內氣液兩相流與鉆柱內壁的強迫對流換熱系數(shù)；⑧計算鉆柱內鉆井液與環(huán)空鉆井液之間的熱阻；⑨計算鉆柱內節(jié)點的新溫度和壓力；⑩比較并記錄本次迭代節(jié)點初始溫度和壓力與新計算出的節(jié)點溫度和壓力的差值，若達到收斂條件，則該節(jié)點本次溫度和壓力迭代計算結束，否則，以新計算出的溫度和壓力作為初始值，再轉到步驟③，重復執(zhí)行，直至獲得收斂解，作為該次迭代的最終解。5)自下而上計算環(huán)空氣液兩相流鉆井液節(jié)點溫度和壓力數(shù)據(jù)。每個節(jié)點的溫度和壓力都需要迭代計算至獲得收斂解，具體計算步驟如下:①用變量TOld和POld記錄上次迭代結束時該節(jié)點的溫度和壓力數(shù)據(jù)；②假定該節(jié)點的溫度和壓力等于下部相鄰節(jié)點的溫度和壓力；③取該節(jié)點與下部相鄰節(jié)點壓力的平均值為網(wǎng)格單元平均壓力；④計算氣相和液相在網(wǎng)格中心溫度和平均壓力下的熱物性參數(shù)；⑤計算環(huán)空氣液兩相流鉆井液的壓降梯度；⑥計算環(huán)空氣液兩相流與鉆柱外壁和環(huán)空壁面的強迫對流換熱系數(shù)；⑦計算環(huán)空鉆井液與地層之間的熱阻；⑧計算環(huán)空節(jié)點的新溫度和壓力；⑨比較并記錄本次迭代節(jié)點初始溫度和壓力與新計算出的節(jié)點溫度和壓力的差值，若達到收斂條件，則該節(jié)點本次溫度和壓力迭代計算結束，否則，以新計算出的溫度和壓力作為初始值，再轉到步驟③，重復執(zhí)行，直至獲得收斂解，作為該次迭代的最終解。6)比較節(jié)點新溫度壓力數(shù)據(jù)與Told和POld的差，確定相鄰兩次迭代所有節(jié)點的最大溫度差值TDiffMax和壓力差值H)iffMax，若最大溫差和壓力差滿足收斂條件則終止迭代計算，保存計算結果，否則，轉到步驟4重復計算直至獲得收斂解。一種深水氣液兩相流循環(huán)溫度壓力耦合計算方法的模擬器，由以下函數(shù)組成:DataInput函數(shù)是TPWTP程序的數(shù)據(jù)輸入函數(shù)，完成模擬井所有數(shù)據(jù)的輸入,主要包括井身結構，鉆具結構，海水深度，海水垂直溫度分布，地層垂直溫度分布，鉆井液入口溫度、排量、泵壓、干度，氣體種類，轉速、扭矩，液體鉆井液、鋼材、水泥、地層隔水管絕熱層等的參考狀態(tài)熱力學參數(shù)，地面溫度；TPField函數(shù)是TPWTP程序的總功能模塊，按照程序流程圖組裝其它函數(shù)，完成深海氣液兩相流井筒溫度和壓力場計算及數(shù)據(jù)存儲功能，計算鉆柱內節(jié)點溫度時需要調用TInDrillStem函數(shù),計算環(huán)空節(jié)點溫度則需要調用TAnnulus函數(shù)；GridGeneration函數(shù)根據(jù)模擬井的井身結構、鉆具結構、海水深度對溫度和壓力場求解域進行軸向分段和網(wǎng)格劃分，存儲網(wǎng)格節(jié)點的軸向幾何信息及徑向換熱對象的幾何和介質信息；根據(jù)井眼軌跡計算網(wǎng)格中心的垂直坐標和網(wǎng)格垂直長度，函數(shù)功能要求調用DirectionParaCal函數(shù)根據(jù)井深和井斜角計算垂深；TOriginGeneration函數(shù)根據(jù)海水和地層的垂直溫度分布數(shù)據(jù)插值產(chǎn)生節(jié)點垂直深度處的原始溫度；Ini函數(shù)對求解域內網(wǎng)格節(jié)點變量應用初始條件，賦初值；HTPPipe函數(shù)的功能是計算氣液兩相流管流強迫對流換熱系數(shù)，為使程序可用于模擬氣體鉆井和液體鉆井工況，HTPPipe還可通過調用HGasPipe和HLiquidPipe函數(shù)計算單氣相或單液相的管流 強迫對流換熱系數(shù)；HTPAnnulus函數(shù)的功能是計算環(huán)空氣液兩相流與內外壁的兩個強迫對流換熱系數(shù)，為使程序可用于模擬氣體鉆井和液體鉆井工況，HTPAnnulus還可通過調用HGasAnnulus和HLiquidAnnulus函數(shù)計算單氣相或單液相的環(huán)空強迫對流換熱系數(shù)；HSeaAcross函數(shù)用于計算海水橫掠隔水管的強迫對流換熱系數(shù)；根據(jù)介質類型計算介質在給定溫度和壓力下的熱力學性質的總集成函數(shù)，需要根據(jù)具體的介質類型空氣、氮氣、水、天然氣、鉆井液調用相應介質的熱物性計算函數(shù)完成其功能；DPDZ_BB:根據(jù)Beggs-Brill方法計算氣液兩相流壓降梯度,實現(xiàn)該函數(shù)功能需要調用TPFriction_BB函數(shù)計算氣液兩相流摩阻壓降；DPDZ_HK:根據(jù)Hasan-Kabir方法計算氣液兩相流壓降梯度,實現(xiàn)該函數(shù)功能需要調用TPFrictionJlK函數(shù)計算氣液兩相流摩阻壓降，HeatResistancel:計算鉆柱內鉆井液到環(huán)空鉆井液的換熱熱阻,實現(xiàn)函數(shù)功能需要調用HTPPipe和HTPAnnulus函數(shù)計算氣液兩相流在管流和環(huán)空流兩種工況下的強迫對流換熱系數(shù)；HeatResistancd:計算環(huán)空鉆井液到地層的換熱熱阻，實現(xiàn)函數(shù)功能需要調用HTPPipe和HTPAnnulus函數(shù)計算氣液兩相流在管流和環(huán)空流兩種工況下的強迫對流換熱系數(shù)；TInDrillStem函數(shù)根據(jù)鉆柱內氣液兩相鉆井液能量守恒方程迭代計算鉆柱內氣液兩相鉆井液節(jié)點溫度；Tannulus:根據(jù)環(huán)空氣液兩相鉆井液能量守恒方程迭代計算環(huán)空氣液兩相鉆井液T1點溫度；ThermalPhysics:計算氣相在給定溫度和壓力下的密度和比j:含,該函數(shù)功能需要根據(jù)氣體類型調用空氣；E0S:根據(jù)氣體類型調用相應的狀態(tài)方程，根據(jù)溫度和比體積計算氣相的壓力和比焓；RKS:根據(jù)RKS模型計算給定溫度和比體積時氮氣的壓力和比焓；AirTP:計算空氣在給定溫度和比體積時氮氣的壓力和比焓，計算比焓時需要調用AirAOT、AirArT、AirArDen函數(shù)計算空氣狀態(tài)方程的相關偏導數(shù)；AirAOT:計算空氣的理想狀態(tài)Helmholtz能對對比溫度倒數(shù)的導數(shù)；AirArT:計算空氣余能對對比溫度倒數(shù)的導數(shù)；AirArDen:計算空氣余能對對比密度的導數(shù)；AirConductivity:計算空氣給定溫度和壓力下的熱導率,實現(xiàn)函數(shù)功能需要調用ThermalPhysics函數(shù)計算空氣的真實密度；AirViscosity:計算空氣給定溫度和壓力下的動力粘度,實現(xiàn)函數(shù)功能需要調用ThermalPhysics函數(shù)計算空氣的真實密度；CpAir:計算空氣給定溫度和壓力下的定壓比熱，實現(xiàn)函數(shù)功能需要調用ThermalPhysics函數(shù)計算空氣 的高溫高壓比j:含；CpNitrogen:計算氮氣給定溫度和壓力下的定壓比熱，實現(xiàn)函數(shù)功能需要調用ThermalPhysics函數(shù)計算氮氣的高溫高壓比j:含，NitrogenConductivity:計算氮氣給定溫度和壓力下的熱導率,實現(xiàn)函數(shù)功能需要調用ThermalPhysics函數(shù)計算氮氣的真實密度；NitrogenViscosity:計算氮氣給定溫度和壓力下的動力粘度,實現(xiàn)函數(shù)功能需要調用ThermalPhysics函數(shù)計算氮氣的真實密度，本發(fā)明的有益效果:(I)本發(fā)明的技術方案對鉆柱內和環(huán)空氣液兩相鉆井液按照有限體積法，對溫度和壓力耦合，海水區(qū)和地層區(qū)耦合，鉆柱內和環(huán)空區(qū)域耦合，確定了算法的求解過程；(2)本發(fā)明所述的計算方法是基于離散格式表示的深水氣液兩相流鉆井液溫度和壓力耦合模型，采用交錯網(wǎng)格的隱式有限差分法進行求解，提高了計算的穩(wěn)定性；(3)本發(fā)明考慮了溫度和壓力與鉆井液密度及熱傳輸特性的相互影響，鉆頭破巖生熱，鉆柱摩擦生熱和鉆井液摩阻生熱等的熱源作用，提高了計算的準確性；(4)利用本發(fā)明技術所述方法的計算數(shù)據(jù)與現(xiàn)場實例數(shù)據(jù)進行了對比，驗證了該模擬器的準確性，計算誤差不超過5 %，可以投入現(xiàn)場使用。


圖1為半潛式鉆井平臺作業(yè)時的物理模型圖；圖2為鉆柱內和環(huán)空溫度及壓力節(jié)點劃分圖；圖3為本發(fā)明方法計算總流程圖4為本發(fā)明方法鉆柱內溫度和壓力計算流程圖；圖5為本發(fā)明方法環(huán)空內溫度和壓力計算流程圖；圖6為本發(fā)明TPWTP程序主要模塊結構圖。
具體實施例方式下面結合附圖具體實施方式
對本發(fā)明的方法作進一步詳細地說明。深水鉆井作業(yè)時的物理模型如圖1所示，上部被海水包圍，下部被地層包圍。氣液兩相流在井筒內循環(huán)時，依據(jù)傳熱過程，將模型求解區(qū)域劃分為5個區(qū):①鉆柱內流體區(qū)，兩相流鉆井液自鉆井泵流入鉆柱內，沿鉆柱向下一直到井底鉆柱與井壁之間的環(huán)空區(qū)，兩相流鉆井液從井底進入環(huán)空，向上流動，直至井口 ；③井筒/地層(海水)界面區(qū)，井筒與地層和海水的交界面地層區(qū)；⑤海水區(qū)。深水氣液兩相流循環(huán)溫度壓力場計算步驟I)按交錯網(wǎng)格布置節(jié)點

在圖1所示的深海井筒傳熱物理模型所劃分的5個計算區(qū)域內，將節(jié)點布置于鉆柱內和環(huán)空兩個區(qū)域內?？紤]到壓力求解的穩(wěn)定和收斂問題，采用交錯網(wǎng)格布置壓力和溫度節(jié)點，將溫度節(jié)點布于網(wǎng)格控制體中心，壓力節(jié)點布于網(wǎng)格控制體界面處。對每一個軸向網(wǎng)格都要分析和記錄其所在軸向位置處的徑向換熱對象的幾何和熱物性信息。節(jié)點軸向序號自井口向井底遞增，井口節(jié)點軸向序號為O。(I)軸向網(wǎng)格劃分軸向網(wǎng)格劃分時，將求解區(qū)域依據(jù)隔水管深度、井身結構和鉆具結構進行軸向分段，分段原則為:每一段內涉及到的所有傳熱對象的幾何尺寸只有一種，分段信息記錄在Sections數(shù)組中。然后自上至下對每一段再根據(jù)段長進行軸向網(wǎng)格劃分，每一段內的網(wǎng)格控制體積相等。算法中使用NodeZ和NodeDZ兩個數(shù)組記錄網(wǎng)格中心軸向坐標和網(wǎng)格軸向長度。為節(jié)省程序內存，使用NodeInSection數(shù)組記錄網(wǎng)格所在的段索引，大大減小了節(jié)點徑向信息存儲需要開支的存儲空間。(2)徑向信息記錄從上到下通過掃描鉆具結構和井身結構數(shù)據(jù)，分析每一段涉及到的徑向傳熱對象幾何信息和介質種類，記錄在Annulus 二維數(shù)組中。假如某段有兩層套管，套管外均為水泥環(huán)，則井筒內徑向傳熱對象有:最內層為鉆柱內鉆井液，往外依次為鉆柱、鉆柱外環(huán)空鉆井液、最內層套管1、套管I外水泥環(huán)、外層套管I1、套管II外水泥環(huán),需要記錄的信息有:鉆柱內鉆井液的介質類型(鉆井液)、鉆柱內鉆井液的徑向尺寸、鉆柱管體介質類型(鋼材)、鉆柱管體徑向尺寸、環(huán)空鉆井液介質類型(鉆井液)、環(huán)空鉆井液徑向尺寸、套管I介質(鋼材)、套管I徑向尺寸、套管I環(huán)空介質類型(水泥石)、套管I環(huán)空徑向幾何尺寸、套管II介質類型(鋼材)、套管II徑向幾何尺寸、套管II環(huán)空介質類型(水泥石)、套管II環(huán)空徑向幾何尺寸。2)確定網(wǎng)格垂向坐標根據(jù)井眼軌跡確定網(wǎng)格中心的垂直坐標和網(wǎng)格垂直長度。3)應用初始條件海水區(qū)(泥線以上)鉆柱內和環(huán)空所有節(jié)點的初始溫度為節(jié)點垂直坐標對應深度處海水溫度；地層區(qū)(泥線以下)鉆柱內和環(huán)空所有節(jié)點的初始溫度為網(wǎng)格中心垂直坐標對應垂直深度處地層原始溫度；節(jié)點初始壓力為氣液兩相鉆井液靜止狀態(tài)下對應深度處的靜液柱壓力。4)自上而下計算鉆柱內氣液兩相流鉆井液節(jié)點溫度和壓力數(shù)據(jù)。每個節(jié)點的溫度和壓力都需要迭代計算至獲得收斂解，具體計算步驟如下:①用變量TOld和POld記錄上次迭代結束時該節(jié)點的溫度和壓力數(shù)據(jù)；②假定該節(jié)點的溫度和壓力等于上部相鄰節(jié)點的溫度和壓力；③取該節(jié)點與上部相鄰節(jié)點壓力的平均值為網(wǎng)格單元平均壓力；④確定環(huán)空氣液兩相流鉆井液與鉆柱外壁的強迫對流換熱系數(shù)W2 ；⑤確定氣相和液相在網(wǎng)格中心溫度和平均壓力下的熱物性參數(shù):密度、定壓比熱、熱導率、動力粘度等；氣相要根據(jù)具體氣體類型是空氣還是氮氣，選擇合適的高溫高壓熱物性參數(shù)，液相則需根據(jù)鉆井液類型選擇合適的熱物性計算方法。⑥按式(I)確定鉆柱內氣液兩相流鉆井液的壓降梯度(dp/dZh ；
權利要求
1.一種深水氣液兩相流循環(huán)溫度壓力耦合計算方法，其特征在于，包括以下步驟: 1)計算網(wǎng)格垂向坐標 根據(jù)井眼軌跡計算網(wǎng)格中心的垂直坐標和網(wǎng)格垂直長度； 2)應用初始條件 海水區(qū)鉆柱內和環(huán)空所有節(jié)點的初始溫度為節(jié)點垂直坐標對應深度處海水溫度，海水溫度可由程序使用人員按水深輸入，也可根據(jù)深海溫度垂直分布模型考慮季節(jié)因素計算得到； 地層區(qū)鉆柱內和環(huán)空所有節(jié)點的初始溫度為網(wǎng)格中心垂直坐標對應垂直深度處地層原始溫度，該原始溫度同樣可由用戶輸入也可根據(jù)地溫梯度模型計算得到； 3)從初始值出發(fā),按照先鉆柱內鉆井液后環(huán)空鉆井液的順序迭代計算鉆柱內和環(huán)空鉆井液節(jié)點溫度和壓力數(shù)據(jù)，直至溫度和壓力都達到收斂條件，迭代結束，最后一次迭代計算結果為最終深海氣液兩相流井筒溫度和壓力模擬結果，保存并輸出，該迭代命名為全局迭代，由于對鉆柱內鉆井液 和環(huán)空鉆井液每個節(jié)點求解溫度和壓力值時都存在溫度、壓力與氣液兩相鉆井液熱物性的相互影響，故對每一個節(jié)點的求解也需要迭代計算，直至取得穩(wěn)定收斂解，該迭代命名為子迭代。
2.根據(jù)權利要求1所述的深水氣液兩相流循環(huán)溫度壓力耦合計算方法，其特征在于，所述步驟3)中每一次全局迭代時鉆柱內鉆井液某節(jié)點的溫度和壓力計算步驟如下: A用變量TOld和POld記錄上次迭代結束時該節(jié)點的溫度和壓力數(shù)據(jù)； B假定該節(jié)點的溫度和壓力等于上部相鄰節(jié)點的溫度和壓力； C取該節(jié)點與上部相鄰節(jié)點壓力的平均值為網(wǎng)格單元平均壓力； D計算環(huán)空氣液兩相流鉆井液與鉆柱外壁的強迫對流換熱系數(shù)； E計算氣相和液相在網(wǎng)格中心溫度和平均壓力下的熱物性參數(shù)； F計算鉆柱內氣液兩相流鉆井液的壓降梯度； G計算鉆柱內氣液兩相流與鉆柱內壁的強迫對流換熱系數(shù)； H計算鉆柱內鉆井液與環(huán)空鉆井液之間的熱阻； I計算鉆柱內節(jié)點的新溫度和壓力； J比較并記錄本次迭代節(jié)點初始溫度和壓力與新計算出的節(jié)點溫度和壓力的差值，若達到收斂條件，則該節(jié)點本次溫度和壓力迭代計算結束，否則，以新計算出的溫度和壓力作為初始值，再轉到步驟C，重復執(zhí)行，直至獲得收斂解，作為該次迭代的最終解。
3.根據(jù)權利要求1所述的深水氣液兩相流循環(huán)溫度壓力耦合計算方法，其特征在于，所述步驟3)中每一次全局迭代時環(huán)空鉆井液某節(jié)點的溫度和壓力計算步驟如下: K用變量TOld和POld記錄上次迭代結束時該節(jié)點的溫度和壓力數(shù)據(jù)； L假定該節(jié)點的溫度和壓力等于下部相鄰節(jié)點的溫度和壓力； M取該節(jié)點與下部相鄰節(jié)點壓力的平均值為網(wǎng)格單元平均壓力； N計算氣相和液相在網(wǎng)格中心溫度和平均壓力下的熱物性參數(shù)； O計算環(huán)空氣液兩相流鉆井液的壓降梯度； P計算環(huán)空氣液兩相流與鉆柱外壁和環(huán)空壁面的強迫對流換熱系數(shù)； Q計算環(huán)空鉆井液與地層之間的熱阻； R計算環(huán)空節(jié)點的新溫度和壓力；S比較并記錄本次迭代節(jié)點初始溫度和壓力與新計算出的節(jié)點溫度和壓力的差值，若達到收斂條件，則該節(jié)點本次溫度和壓力迭代計算結束，否則，以新計算出的溫度和壓力作為初始值，再轉到步驟M，重復執(zhí)行，直至獲得收斂解，作為該次迭代的最終解。
T比較節(jié)點新溫度壓力數(shù)據(jù)與Told和POld的差，確定相鄰兩次迭代所有節(jié)點的最大溫度差值TDiffMax和壓力差值H)iffMaX，以判斷全局迭代計算是否滿足結束條件。
4.一種實現(xiàn)權利要求1所述的深水氣液兩相流循環(huán)溫度壓力耦合計算方法的模擬器，其特征在于，由以下函數(shù)組成: DataInput函數(shù)是TPWTP程序的數(shù)據(jù)輸入函數(shù)，完成模擬井所有數(shù)據(jù)的輸入,主要包括井身結構，鉆具結構，海水深度，海水垂直溫度分布，地層垂直溫度分布，鉆井液入口溫度、排量、泵壓、干度，氣體種類，轉速、扭矩，液體鉆井液、鋼材、水泥、地層隔水管絕熱層等的參考狀態(tài)熱力學參數(shù)，地面溫度； TPField函數(shù)是TPWTP程序的總功能模塊，按照程序流程圖組裝其它函數(shù)，完成深海氣液兩相流井筒溫度和壓力場計算及數(shù)據(jù)存儲功能，計算鉆柱內節(jié)點溫度時需要調用TInDrillStem函數(shù),計算環(huán)空節(jié)點溫度則需要調用TAnnulus函數(shù)； GridGeneration函數(shù)根據(jù)模擬井的井身結構、鉆具結構、海水深度對溫度和壓力場求解域進行軸向分段和網(wǎng)格劃分，存儲網(wǎng)格節(jié)點的軸向幾何信息及徑向換熱對象的幾何和介質信息； 根據(jù)井眼軌跡計算網(wǎng)格中心的垂直坐標和網(wǎng)格垂直長度，函數(shù)功能要求調用DirectionParaCal函數(shù)根據(jù)井深和井斜角計算垂深； TOriginGeneration函數(shù)根據(jù)海水和地層的垂直溫度分布數(shù)據(jù)插值產(chǎn)生節(jié)點垂直深度處的原始溫度； Ini函數(shù)對求解域內網(wǎng)格節(jié)點 變量應用初始條件，賦初值； HTPPipe函數(shù)的功能是計算氣液兩相流管流強迫對流換熱系數(shù)，為使程序可用于模擬氣體鉆井和液體鉆井工況，HTPPipe還可通過調用HGasPipe和HLiquidPipe函數(shù)計算單氣相或單液相的管流強迫對流換熱系數(shù)； HTPAnnulus函數(shù)的功能是計算環(huán)空氣液兩相流與內外壁的兩個強迫對流換熱系數(shù)，為使程序可用于模擬氣體鉆井和液體鉆井工況，HTPAnnulus還可通過調用HGasAnnulus和HLiquidAnnulus函數(shù)計算單氣相或單液相的環(huán)空強迫對流換熱系數(shù)； HSeaAcross函數(shù)用于計算海水橫掠隔水管的強迫對流換熱系數(shù)； 根據(jù)介質類型計算介質在給定溫度和壓力下的熱力學性質的總集成函數(shù)，需要根據(jù)具體的介質類型空氣、氮氣、水、天然氣、鉆井液調用相應介質的熱物性計算函數(shù)完成其功倉泛; DPDZ_BB:根據(jù)BeggS-Brill方法計算氣液兩相流壓降梯度，實現(xiàn)該函數(shù)功能需要調用TPFriction_BB函數(shù)計算氣液兩相流摩阻壓降； DPDZ_HK:根據(jù)Hasan-Kabir方法計算氣液兩相流壓降梯度，實現(xiàn)該函數(shù)功能需要調用TPFriction_HK函數(shù)計算氣液兩相流摩阻壓降， HeatResistancel:計算鉆柱內鉆井液到環(huán)空鉆井液的換熱熱阻,實現(xiàn)函數(shù)功能需要調用HTPPipe和HTPAnnulus函數(shù)計算氣液兩相流在管流和環(huán)空流兩種工況下的強迫對流換熱系數(shù)；HeatResistance2:計算環(huán)空鉆井液到地層的換熱熱阻，實現(xiàn)函數(shù)功能需要調用HTPPipe和HTPAnnulus函數(shù)計算氣液兩相流在管流和環(huán)空流兩種工況下的強迫對流換熱系數(shù)； TInDrillStem函數(shù)根據(jù)鉆柱內氣液兩相鉆井液能量守恒方程迭代計算鉆柱內氣液兩相鉆井液節(jié)點溫度； Tannulus:根據(jù)環(huán)空氣液兩相鉆井液能量守恒方程迭代計算環(huán)空氣液兩相鉆井液節(jié)點溫度; ThermalPhysics:計算氣相在給定溫度和壓力下的密度和比j:含,該函數(shù)功能需要根據(jù)氣體類型調用空氣； EOS:根據(jù)氣體類型調用相應的狀態(tài)方程，根據(jù)溫度和比體積計算氣相的壓力和比焓； RKS:根據(jù)RKS模型計算給定溫度和比體積時氮氣的壓力和比焓； AirTP:計算空氣在給定溫度和比體積時氮氣的壓力和比焓，計算比焓時需要調用AirAOT> AirArT> AirArDen函數(shù)計算空氣狀態(tài)方程的相關偏導數(shù)； AirAOT:計算空氣的理想狀態(tài)Helmholtz能對對比溫度倒數(shù)的導數(shù)； AirArT:計算空氣余能對對比溫度倒數(shù)的導數(shù)； AirArDen:計算空氣余能對對比密度的導數(shù)； AirConductivity:計算空氣給定溫度和壓力下的熱導率，實現(xiàn)函數(shù)功能需要調用ThermalPhysics函數(shù)計算空 氣的真實密度； AirViscosity:計算空氣給定溫度和壓力下的動力粘度，實現(xiàn)函數(shù)功能需要調用ThermalPhysics函數(shù)計算空氣的真實密度； CpAir:計算空氣給定溫度和壓力下的定壓比熱，實現(xiàn)函數(shù)功能需要調用ThermalPhysics函數(shù)計算空氣的高溫高壓比j:含； CpNitrogen:計算氮氣給定溫度和壓力下的定壓比熱，實現(xiàn)函數(shù)功能需要調用ThermalPhysics函數(shù)計算氮氣的高溫高壓比j:含， NitrogenConductivity:計算氮氣給定溫度和壓力下的熱導率,實現(xiàn)函數(shù)功能需要調用ThermalPhysics函數(shù)計算氮氣的真實密度； NitrogenViscosity:計算氮氣給定溫度和壓力下的動力粘度,實現(xiàn)函數(shù)功能需要調用ThermalPhysics函數(shù)計算氮氣的真實密度。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種深水氣液兩相流循環(huán)溫度壓力耦合計算方法，包括以下步驟1)計算網(wǎng)格垂向坐標；2)應用初始條件；3)從初始值出發(fā)，按照先鉆柱內鉆井液后環(huán)空鉆井液的順序迭代計算鉆柱內和環(huán)空鉆井液節(jié)點溫度和壓力數(shù)據(jù)，直至溫度和壓力都達到收斂條件，迭代結束，最后一次迭代計算結果為最終深海氣液兩相流井筒溫度和壓力模擬結果，保存并輸出，該迭代命名為全局迭代。本發(fā)明的計算方法提高了計算精度。
文檔編號G06F17/50GK103226641SQ20131016993
公開日2013年7月31日 申請日期2013年5月10日 優(yōu)先權日2013年5月10日
發(fā)明者宋洵成, 管志川 申請人:中國石油大學(華東)