CN113358526A - 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 - Google Patents

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 Download PDF

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CN113358526A CN202110453477.5A CN202110453477A CN113358526A CN 113358526 A CN113358526 A CN 113358526A CN 202110453477 A CN202110453477 A CN 202110453477A CN 113358526 A CN113358526 A CN 113358526A
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Abstract

本发明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‑管壁间碰撞造成的能量耗散率；S60：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中所形成的总体能量耗散率计算水合物浆液流动压降。

Description

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
技术领域
本发明涉及深水油气和天然气水合物开发技术领域，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。
背景技术
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。
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。
发明内容
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。
根据本发明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，
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(θp-p)和单次碰撞后造成的能量耗散率(ΔEp-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(θp-p)和单次碰撞后造成的能量耗散率(ΔEp-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；
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：
Figure BDA0003039710820000021
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，Etot为水合物浆液流动时的总体能量耗散率，J/(m3 s)。
在本发明的一个示例中，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。
在本发明的一个示例中，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。
在本发明的一个示例中，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：
Figure BDA0003039710820000022
式中，Ef为摩阻造成的能量耗散率，J/(m3 s)，τL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，VL为水合物浆液流速，m/s。
在本发明的一个示例中，在步骤S40中，通过水合物颗粒间碰撞频率(θp-p)和单次碰撞后造成的能量耗散率(ΔEp-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(Ep-p)，计算公式如下；
Ep-p＝θp-p△Ep-p
式中，Ep-p为水合物颗粒间碰撞造成的能量耗散率，J/(m3 s)，θp-p为水合物颗粒间碰撞频率，s-1，ΔEp-p为单次水合物颗粒间碰撞造成的能量耗散率，J/(m3 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：
Figure BDA0003039710820000031
Figure BDA0003039710820000032
式中，ρs为水合物颗粒密度，kg/m3，vf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，dpi和dpj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：
Figure BDA0003039710820000033
Figure BDA0003039710820000034
vf＝3×10-6Chydr -0.886
式中，fs为水合物浓度，g0为水合物颗粒半径分布系数，Chydr为水合物浓度。
在本发明的一个示例中，在所述步骤S50中，通过水合物颗粒与管壁间碰撞频率(θp-w)和单次碰撞后造成的能量耗散率(ΔEp-w)进行计算水合物颗粒与管壁间碰撞造成的能量耗散率(Ep-w)，计算公式如下：
Ep-W＝θp-W△Ep-W
式中，Ep-w为水合物颗粒和管壁间碰撞造成的能量耗散率，J/(m3 s)，θp-w为水合物颗粒和管壁间碰撞频率，s-1，ΔEp-w为单次水合物颗粒和管壁间碰撞造成的能量耗散率，J/(m3 s)；
当流型为紊流时，水合物颗粒与管壁间的碰撞由紊流结构引发，假设水合物颗粒为刚性颗粒，在碰撞管壁后既不会发生形变，也不会发生破裂，水合物颗粒碰撞管壁前后造成的能量耗散，通过水合物颗粒的动能损失进行计算，故而，水合物颗粒碰撞管壁后的动能损失计算公式如下：
Figure BDA0003039710820000041
式中，mp为水合物颗粒质量，kg，Vc为单个水合物颗粒体积，m3，vi,T水合物颗粒入射的切向速度,m/s,vr,T水合物颗粒出射的法向速度,m/s,vi,N水合物颗粒入射的法向速度,m/s,vr,N水合物颗粒出射的切向速度,m/s；
水合物颗粒与管壁间的碰撞频率计算公式如下：
Figure BDA0003039710820000042
式中，fcoll为撞击管壁的水合物颗粒体积分数，ntot为水合物颗粒总数，tcoll为水合物颗粒撞击管壁的时间长度，s；
当流型为层流时，水合物颗粒倾向于向管壁中心流动，因此，水合物颗粒与管壁间的碰撞可以忽略不计。
在本发明的一个示例中，在步骤S60中，
当流型为紊流时，流体与水合物颗粒间的能量耗散由流体与水合物颗粒间摩擦所导致，流体的机械能转化为热能耗散，其能量耗散率如下公式计算：
Figure BDA0003039710820000043
式中，Ep-L为水合物颗粒与流体间摩擦造成的能量耗散率，J/(m3 s)，fsm为水合物堵塞时的最大体积分数，vW为液相的动力粘度，m2/s，s为水合物和液相的密度比，ρL为流体密度，kg/m3；s为水合物与流体间密度比；
当流型为层流时，流体与水合物颗粒间的能量耗散由流体与水合物颗粒间绕流所导致，流体的机械能转化为热能耗散，其能量耗散率通过如下公式计算：
Ep-L＝4πμovSlip 2β
式中，μo为液相的表观粘度，Pa s，vslip为液固间的滑脱速度，m/s，β为水合物颗粒的微观结构特征系数。
在本发明的一个示例中，在步骤S60中，液固间的滑脱速度(vslip)的计算公式如下：
vslip＝[-164.67CXG 4+143CXG 3-44.09CXG 2+5.64CXG-0.2223]Chydr
+[-14.667CXG 4+12.733CXG 3-3.8933CXG 2+0.4837CXG-0.0192]
式中，Chydr为水合物浓度，vol％，CXG为黄原胶浓度，wt％。
在本发明的一个示例中，在步骤S70中，根据水合物浆液流动压降由其与能量耗散之间的关系分别推到出紊流和层流条件下的水合物浆液流动压降计算模型如下：
Figure BDA0003039710820000051
Figure BDA0003039710820000052
式中，ΔPtur为紊流条件下水合物浆液的流动压降，Pa，ΔPlam为层流条件下水合物浆液的流动压降，Pa。
根据本发明第二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装置，包括：
获取模块，用于获取当前钻井参数和井筒多相流动参数；
判断模块，用于判断含水合物相变的多相流动状态；
第一计算模块，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：
第二计算模块，根据水合物颗粒间碰撞频率(θp-p)和单次碰撞后造成的能量耗散率(ΔEp-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；
第三计算模块，根据水合物颗粒与管壁间碰撞频率(θp-w)和单次碰撞后造成的能量耗散率(ΔEp-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；
第四计算模块，用于根据由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，即流体的机械能转化为热能耗散，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；
统筹计算模块，用于根据第一计算模块在层流状态和紊流状态下获得的流体与管壁间摩擦阻力造成的能量耗散率、第二计算模块在层流状态和紊流状态下获得的水合物颗粒间碰撞造成的能量耗散率、第三计算模块在层流状态和紊流状态下获得的水合物颗粒-管壁间碰撞造成的能量耗散率和第四计算模块在层流状态和紊流状态下获得的液相-水合物颗粒间相互作用造成的能量耗散率来计算水合物浆液流动压降。
下文中将结合附图对实施本发明的最优实施例进行更加详尽的描述，以便能容易理解本发明的特征和优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下文中将对本发明实施例的附图进行简单介绍。其中，附图仅仅用于展示本发明的一些实施例，而非将本发明的全部实施例限制于此。
图1为根据本发明实施例的基于能量耗散理论的水合物浆液流动压降预测方法流程图；
图2为根据本发明实施例的水合物浆液处于紊流条件下各因素导致能量耗散的占比图；
图3为根据本发明实施例预测的各水合物浓度条件下的水合物浆液流动压降和实验值对比图。
具体实施方式
为了使得本发明的技术方案的目的、技术方案和优点更加清楚，下文中将结合本发明具体实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。附图中相同的附图标记代表相同部件。需要说明的是，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
根据本发明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，如图1所示，
包括如下步骤：
S10：获取当前钻井参数和井筒多相流动参数；
具体地，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。
S20：判断含水合物相变的多相流动状态；
具体地，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；
其中，当液相为牛顿流体时，雷诺数的计算公式如下：
Figure BDA0003039710820000071
其中，当液相为非牛顿流体时，雷诺数的计算公式如下：
Figure BDA0003039710820000072
式中，Re为牛顿流体的雷诺数，ReMR为非牛顿流体的雷诺数，ρL为液相密度，kg/m3，vL为液相流速，m/s，D为管径，m，K为非牛顿流体稠度系数，n为非牛顿流体流变指数。
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：
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：
Figure BDA0003039710820000073
式中，Ef为摩阻造成的能量耗散率，J/(m3 s)，τL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，VL为水合物浆液流速，m/s。
S40：根据水合物颗粒间碰撞频率(θp-p)和单次碰撞后造成的能量耗散率(ΔEp-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；
通过水合物颗粒间碰撞频率(θp-p)和单次碰撞后造成的能量耗散率(ΔEp-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(Ep-p)，计算公式如下；
Ep-p＝θp-p△Ep-p
式中，Ep-p为水合物颗粒间碰撞造成的能量耗散率，J/(m3 s)，θp-p为水合物颗粒间碰撞频率，s-1，ΔEp-p为单次水合物颗粒间碰撞造成的能量耗散率，J/(m3s)；
其中，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：
Figure BDA0003039710820000074
Figure BDA0003039710820000075
式中，ρs为水合物颗粒密度，kg/m3，vf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，dpi和dpj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；
其中，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：
Figure BDA0003039710820000081
Figure BDA0003039710820000082
vf＝3×10-6Chydr -0.886
式中，fs为水合物浓度，g0为水合物颗粒半径分布系数，Chydr为水合物浓度。
S50：根据水合物颗粒与管壁间碰撞频率(θp-w)和单次碰撞后造成的能量耗散率(ΔEp-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；
通过水合物颗粒与管壁间碰撞频率(θp-w)和单次碰撞后造成的能量耗散率(ΔEp-w)进行计算水合物颗粒与管壁间碰撞造成的能量耗散率(Ep-w)，计算公式如下：
Ep-W＝θp-W△Ep-W
式中，Ep-w为水合物颗粒和管壁间碰撞造成的能量耗散率，J/(m3s)，θp-w为水合物颗粒和管壁间碰撞频率，s-1，ΔEp-w为单次水合物颗粒和管壁间碰撞造成的能量耗散率，J/(m3s)；
其中，当流型为紊流时，水合物颗粒与管壁间的碰撞由紊流结构引发，假设水合物颗粒为刚性颗粒，在碰撞管壁后既不会发生形变，也不会发生破裂，水合物颗粒碰撞管壁前后造成的能量耗散，通过水合物颗粒的动能损失进行计算，故而，水合物颗粒碰撞管壁后的动能损失计算公式如下：
Figure BDA0003039710820000083
式中，mp为水合物颗粒质量，kg，Vc为单个水合物颗粒体积，m3，vi,T水合物颗粒入射的切向速度,m/s,vr,T水合物颗粒出射的法向速度,m/s,vi,N水合物颗粒入射的法向速度,m/s,vr,N水合物颗粒出射的切向速度,m/s；
水合物颗粒与管壁间的碰撞频率计算公式如下：
Figure BDA0003039710820000084
式中，fcoll为撞击管壁的水合物颗粒体积分数，ntot为水合物颗粒总数，tcoll为水合物颗粒撞击管壁的时间长度，s；
其中，当流型为层流时，水合物颗粒倾向于向管壁中心流动，因此，水合物颗粒与管壁间的碰撞可以忽略不计。
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；
当流型为紊流时，流体与水合物颗粒间的能量耗散由流体与水合物颗粒间摩擦所导致，流体的机械能转化为热能耗散，其能量耗散率如下公式计算：
Figure BDA0003039710820000091
式中，Ep-L为水合物颗粒与流体间摩擦造成的能量耗散率，J/(m3 s)，fsm为水合物堵塞时的最大体积分数，vW为液相的动力粘度，m2/s，s为水合物和液相的密度比,ρL为流体密度，kg/m3；s为水合物与流体间密度比；
当流型为层流时，流体与水合物颗粒间的能量耗散由流体与水合物颗粒间绕流所导致，流体的机械能转化为热能耗散，其能量耗散率通过如下公式计算：
Ep-L＝4πμovSlip 2β
式中，μo为液相的表观粘度，Pa s，vslip为液固间的滑脱速度，m/s，β为水合物颗粒的微观结构特征系数；
其中，vslip的计算公式如下：
vslip＝[-164.67CXG 4+143CXG 3-44.09CXG 2+5.64CXG-0.2223]Chydr
+[-14.667CXG 4+12.733CXG 3-3.8933CXG 2+0.4837CXG-0.0192]
式中，Chydr为水合物浓度，vol％，CXG为黄原胶浓度，wt％；
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：
Figure BDA0003039710820000092
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，Etot为水合物浆液流动时的总体能量耗散率，J/(m3s)。
在步骤S30～S60中，分别得到了紊流和层流条件下水合物浆液流动过程中能量耗散率的计算方法，将能量耗散率模型分别代入S70中的公式，由此，紊流和层流条件下的水合物浆液流动压降计算模型，分别为：
Figure BDA0003039710820000101
Figure BDA0003039710820000102
式中，ΔPtur为紊流条件下水合物浆液的流动压降，Pa，ΔPlam为层流条件下水合物浆液的流动压降，Pa。
根据本发明的基于能量耗散理论的水合物浆液流动压降预测方法能够大大降低深水油气和天然气水合物开发过程中钻井和生产成本，保护环境，避免发生水合物堵塞，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。
根据本发明第二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装置，包括：
获取模块，用于获取当前钻井参数和井筒多相流动参数；其中，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。
判断模块，用于判断含水合物相变的多相流动状态；具体地，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；
其中，当液相为牛顿流体时，雷诺数的计算公式如下：
Figure BDA0003039710820000103
其中，当液相为非牛顿流体时，雷诺数的计算公式如下：
Figure BDA0003039710820000104
式中，Re为牛顿流体的雷诺数，ReMR为非牛顿流体的雷诺数，ρL为液相密度，kg/m3，vL为液相流速，m/s，D为管径，m，K为非牛顿流体稠度系数，n为非牛顿流体流变指数。
第一计算模块，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：
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：
Figure BDA0003039710820000111
式中，Ef为摩阻造成的能量耗散率，J/(m3 s)，τL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，VL为水合物浆液流速，m/s。
第二计算模块，根据水合物颗粒间碰撞频率(θp-p)和单次碰撞后造成的能量耗散率(ΔEp-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；
通过水合物颗粒间碰撞频率(θp-p)和单次碰撞后造成的能量耗散率(ΔEp-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(Ep-p)，计算公式如下；
Ep-p＝θp-p△Ep-p
式中，Ep-p为水合物颗粒间碰撞造成的能量耗散率，J/(m3 s)，θp-p为水合物颗粒间碰撞频率，s-1，ΔEp-p为单次水合物颗粒间碰撞造成的能量耗散率，J/(m3s)；
其中，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：
Figure BDA0003039710820000112
Figure BDA0003039710820000113
式中，ρs为水合物颗粒密度，kg/m3，vf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，dpi和dpj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；
其中，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：
Figure BDA0003039710820000121
Figure BDA0003039710820000122
vf＝3×10-6Chydr -0.886
式中，fs为水合物浓度，g0为水合物颗粒半径分布系数，Chydr为水合物浓度。
第三计算模块，根据水合物颗粒与管壁间碰撞频率(θp-w)和单次碰撞后造成的能量耗散率(ΔEp-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；
通过水合物颗粒与管壁间碰撞频率(θp-w)和单次碰撞后造成的能量耗散率(ΔEp-w)进行计算水合物颗粒与管壁间碰撞造成的能量耗散率(Ep-w)，计算公式如下：
Ep-W＝θp-W△Ep-W
式中，Ep-w为水合物颗粒和管壁间碰撞造成的能量耗散率，J/(m3s)，θp-w为水合物颗粒和管壁间碰撞频率，s-1，ΔEp-w为单次水合物颗粒和管壁间碰撞造成的能量耗散率，J/(m3s)；
其中，当流型为紊流时，水合物颗粒与管壁间的碰撞由紊流结构引发，假设水合物颗粒为刚性颗粒，在碰撞管壁后既不会发生形变，也不会发生破裂，水合物颗粒碰撞管壁前后造成的能量耗散，通过水合物颗粒的动能损失进行计算，故而，水合物颗粒碰撞管壁后的动能损失计算公式如下：
Figure BDA0003039710820000123
式中，mp为水合物颗粒质量，kg，Vc为单个水合物颗粒体积，m3，vi,T水合物颗粒入射的切向速度,m/s,vr,T水合物颗粒出射的法向速度,m/s,vi,N水合物颗粒入射的法向速度,m/s,vr,N水合物颗粒出射的切向速度,m/s；
水合物颗粒与管壁间的碰撞频率计算公式如下：
Figure BDA0003039710820000124
式中，fcoll为撞击管壁的水合物颗粒体积分数，ntot为水合物颗粒总数，tcoll为水合物颗粒撞击管壁的时间长度，s；
其中，当流型为层流时，水合物颗粒倾向于向管壁中心流动，因此，水合物颗粒与管壁间的碰撞可以忽略不计。
第四计算模块，用于根据由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，即流体的机械能转化为热能耗散，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；
当流型为紊流时，流体与水合物颗粒间的能量耗散由流体与水合物颗粒间摩擦所导致，流体的机械能转化为热能耗散，其能量耗散率如下公式计算：
Figure BDA0003039710820000131
式中，Ep-L为水合物颗粒与流体间摩擦造成的能量耗散率，J/(m3 s)，fsm为水合物堵塞时的最大体积分数，vW为液相的动力粘度，m2/s，s为水合物和液相的密度比,ρL为流体密度，kg/m3；s为水合物与流体间密度比；
当流型为层流时，流体与水合物颗粒间的能量耗散由流体与水合物颗粒间绕流所导致，流体的机械能转化为热能耗散，其能量耗散率通过如下公式计算：
Ep-L＝4πμovSlip 2β
式中，μo为液相的表观粘度，Pa s，vslip为液固间的滑脱速度，m/s，β为水合物颗粒的微观结构特征系数；
其中，vslip的计算公式如下：
vslip＝[-164.67CXG 4+143CXG 3-44.09CXG 2+5.64CXG-0.2223]Chydr
+[-14.667CXG 4+12.733CXG 3-3.8933CXG 2+0.4837CXG-0.0192]
式中，Chydr为水合物浓度，vol％，CXG为黄原胶浓度，wt％；
统筹计算模块，用于根据第一计算模块在层流状态和紊流状态下获得的流体与管壁间摩擦阻力造成的能量耗散率、第二计算模块在层流状态和紊流状态下获得的水合物颗粒间碰撞造成的能量耗散率、第三计算模块在层流状态和紊流状态下获得的水合物颗粒-管壁间碰撞造成的能量耗散率和第四计算模块在层流状态和紊流状态下获得的液相-水合物颗粒间相互作用造成的能量耗散率来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：
Figure BDA0003039710820000132
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，Etot为水合物浆液流动时的总体能量耗散率，J/(m3s)。
由第一计算模块、第二计算模块、第三计算模块和第四计算模块分别得到了紊流和层流条件下水合物浆液流动过程中能量耗散率，并由统筹计算模块获得紊流和层流条件下的水合物浆液流动压降计算模型，分别为：
Figure BDA0003039710820000141
Figure BDA0003039710820000142
式中，ΔPtur为紊流条件下水合物浆液的流动压降，Pa，ΔPlam为层流条件下水合物浆液的流动压降，Pa。
根据本发明的基于能量耗散理论的水合物浆液流动压降装置能够大大降低深水油气和天然气水合物开发过程中钻井和生产成本，保护环境，避免发生水合物堵塞，利用本装置通过计算水合物浆液流动过程中的能量耗散，可实现对水合物浆液流动压降的预测，可应用于有效预测在水合物相变后的深水油气和天然气水合物钻采井筒内多相流动规律，为建立高效、经济的水合物防治方案提供新思路。
具体实施例
根据本发明的一种基于能量耗散理论的水合物浆液流动压降预测新方法，步骤如下：
(1)读取当前钻井参数包括：钻井液排量、钻井液密度、钻井液粘度；读取当前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、固相颗粒圆整度；如下表1展示了当前案例中水合物浆液的流动参数；
表1中水合物浆液的流动参数
Figure BDA0003039710820000143
Figure BDA0003039710820000151
(2)判定水合物浆液流动状态，本实验案例中水合物浆液流动状态均为紊流。
(3)根据步骤S30、S40、S50和S60分别计算水合物浆液流动过程中管壁摩阻造成的能量耗散率、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流体-水合物颗粒间摩擦造成的能量耗散率。
图2为本实验案例中水合物浆液处于紊流条件下各因素导致能量耗散的占比，可以看出，随着水合物浓度增加，各因素造成能量耗散率占总体能量耗散率占比的变化规律，管壁摩阻和水合物颗粒间碰撞造成的能量耗散率占水合物总体能量耗散率的99％以上，其余两者对能量耗散率的贡献度可以忽略不计。
(4)根据步骤S70计算本案例各水合物浓度条件下的水合物浆液流动压降，并对比本发明预测的各水合物浓度条件下的水合物浆液流动压降和实验值，具体如图3所示，可以看出，本发明预测模型可以描述不同水合物浓度条件下水合物浆液流动规律，预测偏差均在±20％以内，说明本预测方法的正确性。
上文中参照优选的实施例详细描述了本发明所提出的基于能量耗散理论的水合物浆液流动压降预测方法的示范性实施方式，然而本领域技术人员可理解的是，在不背离本发明理念的前提下，可以对上述具体实施例做出多种变型和改型，且可以对本发明提出的各种技术特征、结构进行多种组合，而不超出本发明的保护范围，本发明的保护范围由所附的权利要求确定。

Claims (10)

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(θp-p)和单次碰撞后造成的能量耗散率(ΔEp-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(θp-w)和单次碰撞后造成的能量耗散率(ΔEp-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：
Figure FDA0003039710810000011
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，Etot为水合物浆液流动时的总体能量耗散率，J/(m3 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：
Figure FDA0003039710810000021
式中，Ef为摩阻造成的能量耗散率，J/(m3 s)，τL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，VL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(θp-p)和单次碰撞后造成的能量耗散率(ΔEp-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(Ep-p)，计算公式如下；
Ep-p＝θp-p△Ep-p
式中，Ep-p为水合物颗粒间碰撞造成的能量耗散率，J/(m3 s)，θp-p为水合物颗粒间碰撞频率，s-1，ΔEp-p为单次水合物颗粒间碰撞造成的能量耗散率，J/(m3 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：
Figure FDA0003039710810000022
Figure FDA0003039710810000023
式中，ρs为水合物颗粒密度，kg/m3，vf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，dpi和dpj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：
Figure FDA0003039710810000031
Figure FDA0003039710810000032
vf＝3×10-6Chydr -0.886
式中，fs为水合物浓度，g0为水合物颗粒半径分布系数，Chydr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(θp-w)和单次碰撞后造成的能量耗散率(ΔEp-w)进行计算水合物颗粒与管壁间碰撞造成的能量耗散率(Ep-w)，计算公式如下：
Ep-W＝θp-W△Ep-W
式中，Ep-w为水合物颗粒和管壁间碰撞造成的能量耗散率，J/(m3 s)，θp-w为水合物颗粒和管壁间碰撞频率，s-1，ΔEp-w为单次水合物颗粒和管壁间碰撞造成的能量耗散率，J/(m3s)；
当流型为紊流时，水合物颗粒与管壁间的碰撞由紊流结构引发，假设水合物颗粒为刚性颗粒，在碰撞管壁后既不会发生形变，也不会发生破裂，水合物颗粒碰撞管壁前后造成的能量耗散，通过水合物颗粒的动能损失进行计算，故而，水合物颗粒碰撞管壁后的动能损失计算公式如下：
Figure FDA0003039710810000033
式中，mp为水合物颗粒质量，kg，Vc为单个水合物颗粒体积，m3，vi,T水合物颗粒入射的切向速度,m/s,vr,T水合物颗粒出射的法向速度,m/s,vi,N水合物颗粒入射的法向速度,m/s,vr,N水合物颗粒出射的切向速度,m/s；
水合物颗粒与管壁间的碰撞频率计算公式如下：
Figure FDA0003039710810000034
式中，fcoll为撞击管壁的水合物颗粒体积分数，ntot为水合物颗粒总数，tcoll为水合物颗粒撞击管壁的时间长度，s；
当流型为层流时，水合物颗粒倾向于向管壁中心流动，因此，水合物颗粒与管壁间的碰撞忽略不计。
7.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S60中，
当流型为紊流时，流体与水合物颗粒间的能量耗散由流体与水合物颗粒间摩擦所导致，流体的机械能转化为热能耗散，其能量耗散率如下公式计算：
Figure FDA0003039710810000041
式中，Ep-L为水合物颗粒与流体间摩擦造成的能量耗散率，J/(m3 s)，fsm为水合物堵塞时的最大体积分数，vW为液相的动力粘度，m2/s，s为水合物和液相的密度比；ρL为流体密度，kg/m3；s为水合物与流体间密度比；
当流型为层流时，流体与水合物颗粒间的能量耗散由流体与水合物颗粒间绕流所导致，流体的机械能转化为热能耗散，其能量耗散率通过如下公式计算：
Ep-L＝4πμovSlip 2β
式中，μo为液相的表观粘度，Pa s，vslip为液固间的滑脱速度，m/s，β为水合物颗粒的微观结构特征系数。
8.根据权利要求7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S60中，液固间的滑脱速度(vslip)的计算公式如下：
vslip＝[-164.67CXG 4+143CXG 3-44.09CXG 2+5.64CXG-0.2223]Chydr+[-14.667CXG 4+12.733CXG 3-3.8933CXG 2+0.4837CXG-0.0192]
式中，Chydr为水合物浓度，vol％，CXG为黄原胶浓度，wt％。
9.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S70中，根据水合物浆液流动压降由其与能量耗散之间的关系分别推到出紊流和层流条件下的水合物浆液流动压降计算模型如下：
Figure FDA0003039710810000051
Figure FDA0003039710810000052
式中，ΔPtur为紊流条件下水合物浆液的流动压降，Pa，ΔPlam为层流条件下水合物浆液的流动压降，Pa。
10.一种基于能量耗散理论的水合物浆液流动压降预测装置，其特征在于，
获取模块，用于获取当前钻井参数和井筒多相流动参数；
判断模块，用于判断含水合物相变的多相流动状态；
第一计算模块，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：
第二计算模块，根据水合物颗粒间碰撞频率(θp-p)和单次碰撞后造成的能量耗散率(ΔEp-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；
第三计算模块，根据水合物颗粒与管壁间碰撞频率(θp-w)和单次碰撞后造成的能量耗散率(ΔEp-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；
第四计算模块，用于根据由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，即流体的机械能转化为热能耗散，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；
统筹计算模块，用于根据第一计算模块在层流状态和紊流状态下获得的流体与管壁间摩擦阻力造成的能量耗散率、第二计算模块在层流状态和紊流状态下获得的水合物颗粒间碰撞造成的能量耗散率、第三计算模块在层流状态和紊流状态下获得的水合物颗粒-管壁间碰撞造成的能量耗散率和第四计算模块在层流状态和紊流状态下获得的液相-水合物颗粒间相互作用造成的能量耗散率来计算水合物浆液流动压降。
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