欠平衡鉆井水平環(huán)空兩相流對流傳熱系數(shù)實(shí)驗(yàn)研究

張楠，馮松林，畢雪亮，陳勛，于曉文，劉珊珊（.東北石油大學(xué)提高油氣采收率教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 大慶 6338；.中國石油長慶油田分公司第六采油廠，陜西 榆林 79000）

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欠平衡鉆井水平環(huán)空兩相流對流傳熱系數(shù)實(shí)驗(yàn)研究

張楠1，馮松林2，畢雪亮1，陳勛1，于曉文1，劉珊珊1
（1.東北石油大學(xué)提高油氣采收率教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 大慶 163318；2.中國石油長慶油田分公司第六采油廠，陜西 榆林 719000）

欠平衡鉆井流體一般是氣液兩相混合流體，溫度是欠平衡鉆井井底壓力控制的重要影響因素之一，研究兩相流對流傳熱對準(zhǔn)確預(yù)測欠平衡鉆井環(huán)空溫度有重要意義。前人對氣液兩相流對流傳熱進(jìn)行了不少實(shí)驗(yàn)研究，但他們的實(shí)驗(yàn)都是研究管內(nèi)流動，且管徑較?。?0～35 mm），這與欠平衡鉆井所處的實(shí)際條件有很大的出入。文中進(jìn)行了大管徑水平環(huán)空氣液兩相流對流傳熱實(shí)驗(yàn)研究，分別改變氣相流量、液相流量得出不同氣、液雷諾數(shù)下的環(huán)空兩相流對流傳熱系數(shù)。分析數(shù)據(jù)可以得出，氣體雷諾數(shù)對偏心環(huán)空兩相流對流傳熱系數(shù)的影響不大，但液體雷諾數(shù)是影響該對流傳熱系數(shù)的主要因素。又通過與相同流量下小管徑（25.4 mm）、管內(nèi)流動的氣液兩相流對流傳熱系數(shù)（Kim實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)）進(jìn)行對比得出，在氣液雷諾數(shù)一致的條件下，氣液雷諾數(shù)對兩相流對流傳熱系數(shù)影響趨勢基本一致，但文中實(shí)驗(yàn)所測得的對流傳熱系數(shù)小于Kim所測得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。該實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果對欠平衡鉆井井底壓力的控制有著重要的指導(dǎo)意義。

欠平衡鉆井；水平井；氣體雷諾數(shù)；液體雷諾數(shù)；對流傳熱系數(shù)

0　引言

中國西北地區(qū)的克拉瑪依、塔里木等油田有著大量的低壓、低滲透裂縫性油藏，儲層類型多為裂縫-孔隙型雙重介質(zhì)。常規(guī)鉆井時，多次發(fā)生惡性井漏，采用多種堵漏技術(shù)均無法正常鉆進(jìn)，既對油層造成了嚴(yán)重污染，又影響了油田開發(fā)的綜合效益。面對這種難題，采用欠平衡鉆井方式可以較好地解決鉆井液漏失、油層污染及影響產(chǎn)能等要害問題［1-4］，有利于保護(hù)、發(fā)現(xiàn)和正確評價油氣資源。在低壓油氣區(qū)內(nèi)的詳探井、擴(kuò)邊井應(yīng)用欠平衡鉆井工藝，效果十分明顯。在欠平衡鉆井過程中，鉆井液與地層之間存在溫度差，鉆井液與地層發(fā)生熱交換，具體表現(xiàn)為鉆井液、地層溫度不斷變化。因此，井筒溫度場是一個非穩(wěn)態(tài)變化過程，但最終會達(dá)到一個基本平衡的狀態(tài)［5-6］。

井筒溫度分布是影響井底壓力的主要因素之一，因此研究兩相流對流傳熱系數(shù)是十分必要的［7-8］。國內(nèi)外一些學(xué)者都對兩相流傳熱問題進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，但他們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果都是基于小管徑（20～35 mm）管內(nèi)流動而得出的。Barnea等［9］對垂直管道的氣液兩相流傳熱進(jìn)行了研究，得出了一個基于段塞流特征傳熱分析的數(shù)學(xué)模型；Hetsroni等［10-11］對水平管道和傾斜上升管道進(jìn)行了研究，用弗勞德數(shù)來展示結(jié)果，并且分析弗勞德數(shù)的改變對管道內(nèi)對流傳熱的影響；Trimble等［12］對段塞流的對流傳熱進(jìn)行了研究，而且通過改變管道的傾斜程度來探討管道在水平、傾斜2°和傾斜5°條件下對管道內(nèi)兩相流對流傳熱的影響。Kim等［13-15］對兩相流對流傳熱系數(shù)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，分別得出了對流傳熱系數(shù)與氣體雷諾數(shù)、液體雷諾數(shù)的關(guān)系圖。但該實(shí)驗(yàn)裝置為管內(nèi)流動，管徑較?。?5.4 mm），而且沒有對進(jìn)口流體的加熱裝置（流體溫度很難控制），即該裝置不適用于實(shí)際工況下的欠平衡鉆井。本文在前人研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合欠平衡鉆井實(shí)際條件，通過實(shí)驗(yàn)研究大管徑水平環(huán)空氣液兩相流對流傳熱，定性分析了氣、液雷諾數(shù)對充氣鉆井水平井段對流傳熱系數(shù)的影響。

1　實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置主要是由液相調(diào)控系統(tǒng)、氣相調(diào)控系統(tǒng)、氣液混合裝置、測試裝置、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)等構(gòu)成（見圖1）。

圖1　水平環(huán)空兩相流對流傳熱實(shí)驗(yàn)裝置

1.1液相調(diào)控系統(tǒng)

液相調(diào)控系統(tǒng)如圖2所示。供水裝置主要由0.84 m3的水槽1和水槽2提供。水槽1與環(huán)空構(gòu)成閉合回路，水槽2與偏心內(nèi)管構(gòu)成閉合回路，水被離心泵從水槽中泵入到液體輸入管線中。離心泵采用的型號為DF型不銹鋼多級離心泵，可以產(chǎn)生實(shí)驗(yàn)所需求的液體流量（0.15～0.18 m3/min），并因液體流量的改變而獲得實(shí)驗(yàn)所需求的流型。液體調(diào)控系統(tǒng)在分離器和水槽1之間又構(gòu)成了一個閉合回路，在回路管線上有一個流量調(diào)節(jié)閥，主要作用是通過控制流回水槽液體的流量來實(shí)現(xiàn)控制流體從分離器流出的流量。熱交換器主要有2個作用——去除泵熱和保持水溫恒定。從熱交換器流出的水應(yīng)進(jìn)入流量計(jì)，但在流量計(jì)的流入與流出位置安裝繞過其本身的管道，目的是為了確保流量計(jì)的使用壽命。因?yàn)橐坏怏w進(jìn)入流量計(jì)里，會導(dǎo)致壓力突變，這樣與流量計(jì)相通的閥就會自動關(guān)閉，水進(jìn)入繞過流量計(jì)的管道，從而確保流量計(jì)的使用性能和壽命。本研究所用的液體流量計(jì)為HQLWGY液體渦輪流量計(jì)。為了描述流量計(jì)的工作情況，數(shù)字發(fā)射器被安置在液體渦輪流量計(jì)上，主要作用是顯示質(zhì)量流量、體積流量、流體密度和溫度等信息。從流量計(jì)流出的水經(jīng)過一個12 r/min的閘式閥，它的作用是調(diào)節(jié)進(jìn)入測試段流體的流量。

圖2　液相調(diào)控系統(tǒng)

1.2氣相調(diào)控系統(tǒng)

氣相調(diào)控系統(tǒng)如圖3所示。該系統(tǒng)采用GA-61靜音空氣壓縮機(jī)，通過提供空氣流以實(shí)現(xiàn)在測試段出現(xiàn)不同的兩相流流型。空氣壓縮機(jī)最好離實(shí)驗(yàn)裝置有一定距離，因?yàn)樗ぷ鲿r會產(chǎn)生振動，以致影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果。空氣一旦被空氣壓縮機(jī)吸入，便被輸送到銅管中，銅管浸沒在流動的恒溫水流中，目的是冷卻空氣以達(dá)到實(shí)驗(yàn)室所需求的溫度，即進(jìn)入測試段氣體的溫度與液體溫度相同。采用LWQ氣體智能漩渦流量計(jì)，在流量計(jì)上安裝數(shù)字發(fā)射器，其作用與液相調(diào)控系統(tǒng)的數(shù)字發(fā)射器作用一致，通過它顯示質(zhì)量流量、體積流量、流體密度和溫度等信息。

圖3　氣相調(diào)控系統(tǒng)

1.3氣液混合裝置與測試裝置

如圖1所示，氣液混合裝置位于順著流體流動方向測試裝置的前端，氣液2種流體同時進(jìn)入混合裝置，注氣的玻璃管線直徑為75 mm，注液的玻璃管線為60 mm。

混合充分后，混合流體進(jìn)入測試裝置（見圖4）。測試裝置由玻璃制的內(nèi)、外管構(gòu)成，內(nèi)管直徑為120 mm，外管直徑為200 mm。為了達(dá)到傳熱的效果，內(nèi)管流體入口溫度設(shè)置為30℃，環(huán)空流體入口溫度設(shè)置為25℃，室內(nèi)溫度在20℃左右。

圖4　測試裝置

2　對流傳熱系數(shù)計(jì)算方法

由于同一圓周截面上的對流傳熱系數(shù)有較大的差異，為了得到準(zhǔn)確的對流傳熱系數(shù)值，測試段沿圓周安裝4個熱電偶極點(diǎn)，分別測量其對應(yīng)鄰近區(qū)域的溫度。本實(shí)驗(yàn)裝置所求得的總對流傳熱系數(shù)同時考慮環(huán)空流體與外管內(nèi)壁之間的對流傳熱和環(huán)空流體與內(nèi)管外壁之間的對流傳熱，分別求得其對應(yīng)的對流傳熱系數(shù)之后，再用平均法求得兩相流的總對流傳熱系數(shù)。計(jì)算公式為

式中：htp為對流傳熱系數(shù)，W/（m2·K）；L為測試段長度，m；為單個熱電偶極點(diǎn)處的平均對流傳熱系數(shù)，W/（m2·K）；為單個熱電偶極點(diǎn)處的平均熱通量，W/ m2，可根據(jù)熱平衡方程求解；為單個熱電偶極點(diǎn)處壁面的平均溫度，K；為單個熱電偶極極點(diǎn)處流體的溫度，K；Nst為熱電偶極點(diǎn)的總個數(shù)；Δz為每個熱電偶極點(diǎn)的測距，m；k為熱電偶極點(diǎn)的序號；z為軸向坐標(biāo)。

3　實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與分析

通過控制氣、液流量，可以獲得氣體雷諾數(shù)（Resg）、液體雷諾數(shù)（Resl）對對流傳熱系數(shù)的影響。由充氣欠平衡鉆井氣液流量組合窗口可知，氣體注入流量應(yīng)控制在2.8～11.3 m3/min，液體注入流量應(yīng)控制在0.45～1.28 m3/min，分別得到氣體雷諾數(shù)和液體雷諾數(shù)對對流傳熱系數(shù)的影響（見表1、表2），并且與相同流量下小管徑（25.4 mm）、管內(nèi)流動的氣液兩相流對流傳熱系數(shù)（Kim實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)）進(jìn)行了對比，結(jié)果如圖5所示。

當(dāng)液體雷諾數(shù)一定時，兩相流對流傳熱系數(shù)隨著氣體雷諾數(shù)的增加而增加，但增加幅度并不是很大（見圖5a）。因此，氣體雷諾數(shù)并不是影響充氣鉆井環(huán)空偏心井段兩相流對流傳熱系數(shù)的主要因素。由本實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與Kim實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對比可知，Kim所測的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)值高于本實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)值，但變化趨勢基本保持一致。

氣體雷諾數(shù)一定時，兩相流對流傳熱系數(shù)隨著液體雷諾數(shù)的增加而增加，呈線性增加，且增加幅度較大（見圖5b）。因此，液體雷諾數(shù)是影響充氣鉆井環(huán)空偏心井段兩相流對流傳熱系數(shù)的主要因素。由本實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與Kim實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對比可知，Kim所測的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)值高于本實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)值，但變化趨勢基本保持一致。

表1　氣體雷諾數(shù)對對流傳熱系數(shù)的影響

表2　液體雷諾數(shù)對對流傳熱系數(shù)的影響

圖5　本實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和Kim實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對比

管徑和流速是影響兩相流對流傳熱系數(shù)的主要因素，即兩相流對流傳熱系數(shù)隨管徑和流速的增大而增大。相同雷諾數(shù)下大管徑的流速小，而流速對兩相流對流傳熱系數(shù)影響的比重大于管徑對其影響的比重，因而會出現(xiàn)本實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)低于Kim實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的結(jié)果。

4　結(jié)論

1）氣體雷諾數(shù)不是影響欠平衡鉆井環(huán)空水平井段兩相流對流傳熱系數(shù)的主要因素。

2）液體雷諾數(shù)是影響欠平衡鉆井環(huán)空水平井段兩相流對流傳熱系數(shù)的主要因素。

3）流速對兩相流對流傳熱系數(shù)影響的比重大于管徑對其影響的比重。

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（編輯趙衛(wèi)紅）

Experimental study on heat transfer coefficient of two-phase flow of horizontal annulus for underbalanced drilling

Zhang Nan1，F(xiàn)eng Songlin2，Bi Xueliang1，Chen Xun1，Yu Xiaowen1，Liu Shanshan1
（1.MOE Key Laboratory of Enhanced Oil Recovery，Northeast Petroleum University，Daqing 163318，China；2.No.6 Oil Production Plant，Changqing Oilfield Company，PetroChina，Yulin 719000，China）

Underbalanced drilling fluid is generally a two-phase mixture of gas-liquid.Temperature is one of the important affecting factors for bottom-hole pressure control during underbalanced drilling；therefore the study of convective heat transfer of two-phase flow is significant to accurately predict annulus temperature of underbalanced drilling.Predecessors have done some experimental studies on convective heat transfer of two-phase mixture of gas-liquid，but their experiments are based on pipe flow and small pipe diameter（20-35 mm），which is very different from actual conditions of underbalanced drilling.This paper discusses gas-liquid twophase convective heat transfer with large diameter and horizontal annulus，the different convective heat transfer coefficients of eccentric annulus can be obtained by respectively changing gas flow rate and liquid flow rate.The conclusion is that gas Reynolds number has little effect on heat transfer coefficient of two-phase of eccentric annulus，however，liquid Reynolds number is the main effecting factor；experimental data of this study are smaller than those measured by Kim under the same gas or liquid Reynolds number，however they have the same trend.The results of experiment have important directive significance to bottom hole pressure control of underbalanced drilling.

underbalanced drilling；horizontal well；gas Reynolds number；liquid Reynolds number；convective heat transfer coefficient

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“基于熱質(zhì)流耦合的深層欠平衡鉆井井筒溫度場和壓力場分布規(guī)律研究”（51374077）

TE21

A

10.6056/dkyqt201601028

2015-08-08；改回日期：2015-10-16。

張楠，男，1991年生，在讀碩士研究生，研究方向主要為欠平衡鉆井傳熱與環(huán)空壓力分布。E-mail：1035579895@qq.com。

引用格式：張楠，馮松林，畢雪亮，等.欠平衡鉆井水平環(huán)空兩相流對流傳熱系數(shù)實(shí)驗(yàn)研究［J］.斷塊油氣田，2016，23（1）：125-128.

Zhang Nan，F(xiàn)eng Songlin，Bi Xueliang，et al.Experimental study on heat transfer coefficient of two-phase flow of horizontal annulus for underbalanced drilling［J］.Fault-Block Oil&Gas Field，2016，23（1）：125-128.