申请/专利权人：中国海洋石油集团有限公司;中海油研究总院有限责任公司

申请日：2021-08-18

公开（公告）日：2024-06-25

公开（公告）号：CN113657050B

主分类号：G06F30/28

分类号：G06F30/28;G06F113/08;G06F119/14

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.06.25#授权;2021.12.03#实质审查的生效;2021.11.16#公开

摘要：本发明提供一种考虑段塞气泡和多参数影响的临界携砂流速计算方法。包括1基于气液两相的质量与动量守恒计算稳定段塞流动压降；2基于砂粒所受的浮重力、拖曳力、举升力、塑性力与压力梯度力的力矩平衡，求得临界携砂流速表达式；3考虑到不同气相速度、井斜角与砂床厚度对气液两相稳定段塞流动压降的影响，建立考虑多参数的临界携砂流速计算模型；4采用迭代的方法求解模型，获取临界携砂流速。本发明具有以下有益效果：1考虑了段塞气泡的大小形状影响；2考虑了砂粒径、井斜角、含气率与砂浓度对临界携砂流速的影响；3计算精确和方便使用。

主权项：1.一种临界携砂流速计算方法，包括如下步骤：1）基于气液两相的质量与动量守恒计算稳定段塞流动压降；2）基于砂粒所受的浮重力、拖曳力、举升力、塑性力与压力梯度力的力矩平衡，求得临界携砂流速表达式；3）考虑到不同气相速度、井斜角与砂床厚度对气液两相稳定段塞流动压降的影响，建立考虑多参数的临界携砂流速计算模型；4）采用迭代的方法求解模型，获取临界携砂流速；步骤1）中，计算稳定段塞流动压降包括以下步骤：首先根据段塞单元中液塞段与液膜段的气-液质量守恒求得段塞单元的平均空隙率，再基于液膜段气-液相稳态动量守恒方程求得液膜段液相高度，最后根据求得的平均空隙率与液膜段液相高度求得段塞单元平均压降，其中，根据段塞单元中液塞段与液膜段的气-液质量守恒求得段塞单元的平均空隙率的计算公式如下： 式中，为长气泡平移速度，又视为段塞单元平移速度，单位为ms；uGS为气相流量，单位为ms；为液塞段中分散气泡速度，单位为ms；为液塞段中气相体积分数；为段塞单元平均空隙率；基于液膜段气-液相稳态动量守恒方程求得液膜段液相高度，液膜高度随位置x的变化公式如下： 式中，为液膜段液相高度，单位为m；为液塞段中液相平均流速，单位为ms；为液相速度，单位为ms；为液塞段液相体积分数；为液膜段液相体积分数；为液相密度，单位为kgm3；为气相密度，单位为kgm3；为液相湿周，单位为m；为气相湿周，单位为m；为气-液界面湿周，单位为m；为液相与管壁剪切力，单位为Pa；为气相与管壁剪切力，单位为Pa；为气-液界面之间剪切力，单位为Pa；为液相截面积，单位为m2；为气相截面积，单位为m2；为管倾角，单位为°；预设液膜段液相高度恒定，公式简化为： ；采用求得的平均空隙率与液膜段液相高度求得段塞单元平均压降，计算公式如下： 式中，、与分别为段塞单元、液塞段与液膜段长度，单位为m；为液塞单元平均密度，单位为kgm3，计算公式如下： ；步骤2）中，砂粒所受的力矩平衡通过如下方法计算得到：首先根据砂粒受到的浮力与重力求得砂粒的浮重力，再根据拖曳力计算公式求得拖曳力，其中拖曳系数的求解采用Turton公式，然后采用举升力计算公式计算举升力，最后基于滑移线场理论求得塑性力；其中，根据流体性质参数、砂粒密度与砂粒直径确定砂粒受到的浮重力，计算公式如下： 式中，为砂粒密度，单位为kgm3；为流体密度，单位为kgm3；D为砂粒直径，单位为m；由于砂粒下方静止流体的屈服应力，砂床表面静止的砂砾受到塑性力作用，其方向垂直指向井壁低侧，基于滑移线场理论，塑性力的准确计算公式如下： 式中，为流体屈服应力，单位为Pa；为砂粒直径，单位为m；砂粒休止角，单位为°；为塑性力，单位为N；根据预设的临界携砂流速求得拖曳力、举升力与压力梯度力，砂床表面颗粒受到的拖曳力表示为： 式中，为拖曳系数；为流体速度，单位为ms；为拖曳力，单位为N其中，拖曳系数的求解采用Turton方程，如下所示： 式中，Re为颗粒雷诺数，计算公式如下： 式中，为砂粒相对于流体的速度，单位为ms；为流体粘度，单位为Pa·s；固-液两相流动中，砂粒在粘性流体中运动时受到举升力作用，其作用方向与流体砂粒间相对速度的方向垂直，根据举升力计算公式如下： 式中，FL为举升力，单位为N；为流体速度，单位为ms，Cl为举升系数，计算公式如下： ；步骤2）中，根据砂粒受力的力矩平衡，求得临界携砂流速计算公式如下： ；步骤4）中，所述迭代计算考虑多参数的临界携砂流速包括以下步骤：首先确定流体性质参数、气相速度与砂粒浓度，然后求得砂粒受到的浮重力与塑性力，再预设砂粒临界携砂流速，确定拖曳系数与举升系数，进而求得拖曳力、举升力与压差力，再利用力矩平衡求得临界携砂流速，然后再以计算得到的临界携砂流速与假设的临界携砂流速的差值小于0.001ms为判断条件，若为否，将此次计算得到的临界携砂流速作为新的临界携砂流速假设值，重复迭代操作；若为是，则此次计算得出临界携砂流速。

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