[发明专利]基于DEM计算钻具钻进过程中温度变化的方法及系统

权利要求书

1.基于DEM计算钻具钻进过程中温度变化的方法，其特征在于，包括以下步骤：

建立钻具几何模型，将钻具离散为等高的钻具微元，并划分计算时间步长；

建立用于表示钻具几模型的一维非稳态导热微分方程，在当前计算的时间步长内，根据仿真测试环境，考虑对流换热或辐射散热对钻具钻进过程内部热量传递的影响，计算由钻具前端热源引起的钻具温度的变化；

通过中心差分的方法计算由对流换热或辐射散热引起的二次导热，确定最终钻具温度的变化；

进入下一时间步长，重复上述所有计算步骤；

输出各时间步长下的钻具与钻具微元的温度情况。

2.如权利要求1所述的基于DEM计算钻具钻进过程中温度变化的方法，其特征在于，所述表示钻具几模型的一维非稳态导热微分方程如下，

将钻具钻进传热过程中钻具的传热问题看成是一个一维的、无内热源的、常物性的非稳态导热问题，得出一个微分导热方程：

其中，T表示温度，τ表示时间，a表示热扩散系数；

将钻具和时间离散化，求解得到第i个时间步长第j个钻具微元的温度变化，具体计算如下式：

根据实际情况，将公式推导，变形得到下式：

其中，T_cij表示前端热源由于热传导第i个时间步长第j个钻具微元的温度变化，i表示时间步长的序号；q_i表示第i个时间步长的能量输入，ρ表示钻具的密度。

3.如权利要求2所述的基于DEM计算钻具钻进过程中温度变化的方法，其特征在于，所述根据仿真测试环境，考虑对流换热或辐射散热对钻具钻进过程内部热量传递的影响，计算由钻具前端热源引起的钻具温度的变化包括：

在常压环境下，将考虑对流换热对钻进过程中钻具温升的影响，计算如下：

T_rij1 ＝ h * T_i^′_j * dt / (c * ρ * d_j) (3)

其中，T_rij1表示对流换热引起的温度下降，h表示对流换热系数，T_i^′_j表示第j个钻具微元在第i个时间步长的温度，c表示钻杆的比热(J/kg·℃)；ρ表示钻具的密度；d_j表示第j个钻具微元的壁厚；dt表示时间步长；

本实施例，当测试在真空环境下，将考虑辐射散热对钻进过程钻具温度的影响，计算如下：

其中，ε表示发射率；σ表示黑体辐射常数，(σ＝6.58×10^-8(K/m²·K⁴))；m_Δx表示个钻杆微元的质量(kg)；T_rij2表示在第i个时间步长内，第j个钻具微元由于辐射散热引起的温度下降；T₀表示初始温度。

4.如权利要求2所述的基于DEM计算钻具钻进过程中温度变化的方法，其特征在于，还包括计算步骤：

考虑钻进过程钻头构型对钻进过程中的影响，引入一个k_z的影响因子，k_z的计算方式如下：

其中，k_Aj表示第j个钻具微元的横截面积与钻杆横截面积的比；

考虑非稳定热源对钻进过程中钻具温度的影响，将热源离散化，具体为：

q_i＝k_eM_iω_i (6)

其中，k_e为能量分配系数；M_i第i个时间步长内转矩的平均值；ω_i第i个时间步长内转速的平均值；q_i表示第i个时间步长的能量输入。