充氣鉆井環(huán)空彈狀流穩(wěn)態(tài)流動(dòng)模型與實(shí)例驗(yàn)證

徐新紐， 阮 彪， 曹光福， 黃 鴻， 楊 虎

(1.中國(guó)石油新疆油田分公司，克拉瑪依 834000；2.自然資源部深部地質(zhì)鉆探技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 克拉瑪依 834000；3.中國(guó)石油大學(xué)(北京)克拉瑪依校區(qū)，克拉瑪依 834000)

目前，在氣液兩相流體力學(xué)中常用的模型有流動(dòng)型態(tài)、均相流動(dòng)、分相流動(dòng)和漂移流動(dòng)等模型[1]。國(guó)外許多學(xué)者[2-6]對(duì)氣液兩相管流的流動(dòng)型態(tài)判別及不同流型下不同管路的流動(dòng)參數(shù)、含氣率、流動(dòng)壓降等方面進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和半經(jīng)驗(yàn)性研究，建立了許多數(shù)學(xué)模型[7]。其中，對(duì)于鉆井管柱和環(huán)空內(nèi)的泡狀流、分散泡狀流，研究的學(xué)者和成果較多，部分計(jì)算模型已廣泛應(yīng)用于石油工業(yè)。但是，由于各種模型的假設(shè)條件與實(shí)際流動(dòng)的差異，流動(dòng)模型的計(jì)算結(jié)果誤差不一[4,7-8]。

充氣鉆井井筒內(nèi)存在多種流型，對(duì)于彈狀流(段塞流)、環(huán)狀流、攪拌流等流型的判別和轉(zhuǎn)換關(guān)系，國(guó)內(nèi)外尚未統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)[9-11]?，F(xiàn)有穩(wěn)態(tài)多相流動(dòng)所開展的實(shí)驗(yàn)均以低黏牛頓流體(清水)為實(shí)驗(yàn)介質(zhì)，而鉆井條件下高黏、非牛頓流體鉆井液與其性質(zhì)大為不同[12-13]。因此，井下復(fù)雜環(huán)境的流態(tài)演化與工業(yè)界通用實(shí)驗(yàn)圖版有較大差異[14-16]。

充氣鉆井液作為欠平衡鉆井流體，其氣液比和實(shí)現(xiàn)的井底當(dāng)量密度范圍較大，在鉆井環(huán)空上部易出現(xiàn)彈狀流形態(tài)[17]。國(guó)內(nèi)外多種軟件均采用常規(guī)穩(wěn)定泡狀流力學(xué)模型，井筒參數(shù)的計(jì)算誤差較大[14-16]。因此，有必要調(diào)研國(guó)內(nèi)外氣液兩相流流型研究成果，結(jié)合充氣鉆井流體流動(dòng)實(shí)際情況，建立較準(zhǔn)確的充氣鉆井環(huán)空彈狀流穩(wěn)態(tài)力學(xué)模型，用于井筒流體參數(shù)的預(yù)測(cè)和設(shè)計(jì)。

1 鉆井氣液兩相管流形態(tài)描述

兩相流體同時(shí)在管道內(nèi)流動(dòng)可能產(chǎn)生的不同相交界面簡(jiǎn)稱兩相流型，不僅與每一相是層流或湍流有關(guān)，而且與兩相交界面的變化和組合有關(guān)。實(shí)驗(yàn)表明[3-6]，垂直向上的兩相管流經(jīng)常出現(xiàn)5種流型，即泡狀流、彈狀流、攪拌流、環(huán)狀流、霧狀流，如圖1所示。

圖1 垂直氣液兩相管流流型Fig.1 Gas-liquid two-phase flow patterns in vertical pipe

彈狀流是當(dāng)泡狀流中氣相流量增大到一定值，將發(fā)生氣泡聚合，甚至聚合成接近管徑的彈狀氣泡(泰勒泡)，即泡狀流過渡為彈狀流。大塊彈狀氣泡與含有彌散小氣泡的液塊在管內(nèi)間隔流動(dòng)，彈狀氣泡外圍液相以液膜狀向下流動(dòng)。攪拌流僅出現(xiàn)在通徑較大的管流中，液相呈不定型向上或向下振蕩運(yùn)動(dòng)，呈攪拌狀態(tài)。然而對(duì)于鉆井常規(guī)尺寸環(huán)空不會(huì)出現(xiàn)攪拌流，可能會(huì)由彈狀流向環(huán)狀流直接平穩(wěn)過渡。環(huán)狀流是指液相沿管壁呈膜狀流動(dòng)，氣相在管道芯部流動(dòng)。實(shí)際管流中呈現(xiàn)環(huán)狀流的工況參數(shù)范圍很窄。

通常，井筒兩相流型取決于兩相流體流量、流體性質(zhì)和井眼幾何參數(shù)等。液體欠平衡鉆井和充氣鉆井考慮到井控和地面流體處理設(shè)備的安全性，需附加一定的井口回壓減小氣體返速，以避免井口出現(xiàn)高速氣流并對(duì)返出管線造成損壞。對(duì)于充氣鉆井，氣、液兩相的流量范圍分別為10～50 m3/min和0.189～1.325 m3/min。Lage[5]繪制的環(huán)空兩相流流型分布如圖2所示。由圖2可知，對(duì)于多數(shù)充氣鉆井(井深1 500～5 500 m)，井口環(huán)空氣體在一定井口回壓下，井口附近環(huán)空流型以彈狀流為主，攪拌流或環(huán)狀流出現(xiàn)概率很小，可視為彈狀流處理，而井筒環(huán)空中下部以泡狀流或分散泡狀流為主[1,6]。此觀點(diǎn)與文獻(xiàn)[18-20]的環(huán)空充氣液主要出現(xiàn)泡狀流和彈狀流的實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。

圖2 環(huán)空氣液兩相流流型隨壓力變化曲線Fig.2 Dominant gas-liquid two-phase flow patterns’ map for annular geometries

2 充氣鉆井環(huán)空彈狀流力學(xué)模型

2.1 假設(shè)條件

(1)充氣鉆井流體在環(huán)空中混合有巖屑和地層流體(天然氣、原油或地層水)。模型假設(shè)環(huán)空鉆井流體中氣相為注入氣體和地層氣體的混合物，液相為注入液體、地層液體與巖屑的混合物[21-23]。

(2)假設(shè)注入氣體與地層產(chǎn)出氣的流動(dòng)性無差異，兩種氣體環(huán)空返速相同。同樣，假設(shè)注入液體和地層產(chǎn)出液環(huán)空返速相同。氣相和液相的密度為相應(yīng)組分的混合密度，其中，假設(shè)巖屑為顆粒流[24]。

(3)考慮到環(huán)空氣液兩相流將產(chǎn)生較高的摩阻壓耗和表觀黏度[25-26]，假設(shè)井眼凈化理論是在常規(guī)鉆井液流變學(xué)的基礎(chǔ)上，將氣相的環(huán)空返速、表觀黏度等參數(shù)特殊處理。

(4)模型中所有與位移有關(guān)的參數(shù)(包括井深、速度、壓力等)均為沿井眼的測(cè)量深度進(jìn)行計(jì)算。因此力學(xué)模型適用于水平井[24]。

(5)井筒流體穩(wěn)定流動(dòng)時(shí)，流體溫度沿井深為線性分布。

2.2 模型基本參數(shù)

由于井筒內(nèi)氣、液兩相流體的密度和流速存在差異，易出現(xiàn)兩相流體間的滑脫現(xiàn)象[24-26]。因此，本節(jié)定義的基本參數(shù)有助于理解和建立環(huán)空彈狀流穩(wěn)態(tài)力學(xué)模型。

折算速度為管流的全部過流斷面僅被兩相流中的單相占據(jù)時(shí)的流動(dòng)速度[6,14,24]。氣相和液相的折算速度分別為

(1)

(2)

由此，混合兩相流的速度vm可定義為

vm=vSL+vSG

(3)

式中：QL、QGSC分別為液體流量和氣體地面流量，m3/s；T、TSC分別為井筒溫度和地面溫度，K；P、PSC分別為井筒壓力和地面壓力，Pa；Ap為流道斷面面積，m2；Z為氣體壓縮因子。

真實(shí)含液率HL(截面含液率或持液率)為兩相流動(dòng)的過流斷面中，液相面積占過流總斷面的份額。其取值為0～1，受氣、液相流體性質(zhì)、流型和井筒幾何參數(shù)的影響。

(4)

若兩相流中氣、液體的流速相同，無滑脫現(xiàn)象，則無滑脫含液率λL定義為

(5)

實(shí)際速度為一相流體隨其他相流體流動(dòng)的真實(shí)流速，此相流體的實(shí)際過流斷面小于過流總斷面。

(6)

(7)

對(duì)于環(huán)空同時(shí)存在鉆井液、原油和地層水時(shí)，通常這些液體間的滑脫現(xiàn)象與氣、液體間的滑脫現(xiàn)象相比微乎其微[27]。因此，假設(shè)環(huán)空各種液體間無滑脫，且鉆井基液的體積系數(shù)

(8)

式(8)中：QG、Qoil、Qw分別為氣體流量、原油流量和地層水流量，m3/s。

同樣，地層產(chǎn)出天然氣和鉆井注入氣體間的體積系數(shù)也如此計(jì)算。

2.3 環(huán)空彈狀流型判別

泡狀管流中分散氣泡的上升類似于泰勒泡[28]。文獻(xiàn)[5-7,22,24]給出泡狀流中分散氣泡的絕對(duì)舉升速度

v

(9)

而泰勒泡舉升速度的表達(dá)式為

(10)

式中：v∞為氣泡絕對(duì)舉升速度，m/s；vTB為泰勒泡舉升速度，m/s；Dep為環(huán)空等圓周直徑，m；ρG、ρL、ρm分別為氣體、液體和混合流體密度，kg/m3；g為重力加速度；σ為氣泡表面張力，N/m。

Taitel等[28]認(rèn)為若分散氣泡的舉升速度大于泰勒泡的舉升速度，則分散氣泡合并成泰勒泡，此時(shí)泡狀流將轉(zhuǎn)變?yōu)閺棤盍?。若兩者舉升速度大小相反，泰勒泡將穿過許多小氣泡，相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的席卷作用使泰勒泡分散成小氣泡，不能合并。因此，結(jié)合式(9)和式(10)為

(11)

文獻(xiàn)[5,20,22,27]通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證非牛頓流體的含氣率應(yīng)采用α=0.20，則推導(dǎo)出泡狀流與彈狀流間轉(zhuǎn)換界限的判別式(12)，方程曲線如圖2所示。

vSL=3.167vSG-0.745v

(12)

采用式(12)針對(duì)注入氣液比較高(10∶1)的充氣鉆井進(jìn)行模擬計(jì)算，當(dāng)井深超過1 800 m時(shí)環(huán)空含氣率僅為5%，氣液比僅為0.05∶1。只有在井深約300 m的環(huán)空含氣率才超過50%，氣液比超過1.4∶1，才會(huì)出現(xiàn)彈狀流。

2.4 環(huán)空彈狀流物理模型

彈狀流表現(xiàn)為氣體和液體的交替流動(dòng)[21,28]，氣體為近似彈頭形狀的大氣泡(泰勒泡)。泰勒泡幾乎占據(jù)了整個(gè)流道截面，并均勻地上行流動(dòng)。而彈狀流中的液體也包括兩部分：泰勒泡之間的液塞和管壁與泰勒泡間的下行液膜。液塞內(nèi)包含許多小的球形氣泡，近似為泡狀流。通常，泰勒泡的氣泡帽長(zhǎng)度LC很小，可以忽略不計(jì)，液膜厚度變化不大，計(jì)算時(shí)可采用整個(gè)液膜的平均厚度。

圖3所示為彈狀流體中生長(zhǎng)完全泰勒泡的流動(dòng)參數(shù)和物理模型。假設(shè)環(huán)空彈狀流的水動(dòng)力學(xué)參數(shù)的推導(dǎo)過程是基于環(huán)空兩相流體為一維穩(wěn)定流動(dòng)，流動(dòng)參數(shù)公式推導(dǎo)如下：

圖3 彈狀管流中泰勒泡的流動(dòng)物理模型Fig.3 Taylor bubble flow physical model in Slug flow unit

由于環(huán)空彈狀流(段塞流)表現(xiàn)為間歇性流動(dòng)，任一流動(dòng)斷面上的流動(dòng)參數(shù)隨時(shí)間不斷變化，呈不穩(wěn)定流動(dòng)狀態(tài)。通常，模型建立時(shí)假設(shè)一個(gè)彈狀流體單元由一個(gè)泰勒泡及其液膜和一段相鄰的液塞組成。因此，泰勒泡和液塞的絕對(duì)平移流速

(13)

式(13)中：um為液相和氣相的平均流速，m/s。

在一固定的坐標(biāo)系中，以絕對(duì)平移速度流動(dòng)的彈狀流體單元流動(dòng)參數(shù)并不隨時(shí)間變化，僅在流道空間上變化。因此，假設(shè)環(huán)空向上流動(dòng)為正方向，則液塞與泰勒泡之間液相的質(zhì)量平衡方程為

(uT-uLLS)HLLS=(uT+|uLTB|)HLTB

(14)

在一個(gè)固定截面A—A(圖3)的流道內(nèi)，一個(gè)流體單元?jiǎng)蛩倭鲃?dòng)時(shí)，一個(gè)泰勒泡和一段液塞流過該截面所需時(shí)間分別為

(15)

(16)

于是泰勒泡區(qū)域和液塞區(qū)域液體體積分別為

(17)

(18)

由于一完整彈狀流體單元流過截面A—A所需總時(shí)間為ΔtSU=ΔtTB+ΔtLS，則彈狀流單元內(nèi)液體總體積可由下式計(jì)算：

VLSU=uSLApΔtSU

(19)

式(17)和式(18)中的流道截面積均為持液率的函數(shù)，將式(15)和式(16)代入式(19)，求得

(20)

圖3及公式中：uGTB為泰勒泡中氣體的流速，m/s；uLTB為泰勒泡中液體的流速，m/s；uGLS為液塞中氣體的流速，m/s；uLLS為液塞中液體的流速，m/s；HLTB為泰勒泡段兩相流的持液率；HLLS為液塞段兩相流的持液率；ALTB為泰勒泡段液流截面積，m2；ALLS為液塞段液相截面積，m2；LC為泰勒泡帽的長(zhǎng)度，m；LTB為泰勒泡的長(zhǎng)度，m；LLS為液塞段的長(zhǎng)度，m；LSU為彈狀流單元的長(zhǎng)度，m；(下標(biāo)：TB表征泰勒泡區(qū)域；LS表征液塞區(qū)域；SU表征整體區(qū)域)。

考慮到液塞中的氣液兩相流動(dòng)形態(tài)類似于穩(wěn)定的泡狀流，液塞內(nèi)的氣體流速為

(21)

式(21)中：n為氣泡密集效應(yīng)指數(shù)；C0為兩相管流速度剖面系數(shù)。

假設(shè)液塞的持液率為一常數(shù)，許多學(xué)者[29-30]提出了一些計(jì)算該持液率的方法。考慮到研究對(duì)象為鉆井環(huán)空中的彈狀流體流動(dòng)，建議采用以下計(jì)算公式：

(22)

由于泰勒泡周圍的液膜呈自由下滑流動(dòng)，其厚度δ最終為一固定值。

(23)

式(23)中：μL、μG分別為液相、氣相的黏度，Pa·s。

依據(jù)環(huán)空彈狀流(段塞流)的幾何參數(shù)，泰勒泡區(qū)域的持液率可表示為

(24)

式(24)中：DIC、DOT分別為井眼或套管內(nèi)徑和鉆柱外徑，m。

通過大量試驗(yàn)均證實(shí)，大多數(shù)向上管流的彈狀流體單元的液塞長(zhǎng)度近似為管道直徑的16倍。后來，采用了水力直徑的概念，并且Caetano[31]證明該規(guī)律也適用于環(huán)空流道，于是，液塞長(zhǎng)度

LLS=16Dh

(25)

式(25)中：Dh為環(huán)空水力直徑，m。

總之，已知環(huán)空氣體和液體流量、流體性能參數(shù)，可由式(22)、式(21)、式(13)和式(25)分別計(jì)算出液塞持液率、液塞中氣體流速、環(huán)空彈狀流單元平移速度和液塞長(zhǎng)度；然后，依據(jù)式(14)、式(20)、式(23)和式(24)分別計(jì)算出泰勒泡長(zhǎng)度、泰勒泡內(nèi)液體流速、液塞內(nèi)液體流速和泰勒泡區(qū)域的持液率。

2.5 環(huán)空彈狀流力學(xué)模型

Caetano[31]提出了垂直和水平管路中彈狀流的流動(dòng)模型。近幾年，其他學(xué)者[32-35]建立的模型非常復(fù)雜，難以付諸于現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。為此，本模型充分考慮到彈狀流中液塞和泰勒泡持液率的變化，將液塞視為泡狀流，將泰勒泡視為環(huán)狀流，并利用經(jīng)驗(yàn)式(22)和式(24)分別計(jì)算兩部分的持液率，由此可計(jì)算液塞中氣泡的速度。因此，本模型認(rèn)為，與彈狀流中整個(gè)泰勒泡長(zhǎng)度相比，生長(zhǎng)完全的泰勒泡的氣泡帽長(zhǎng)度很小，可以忽略不計(jì)(圖3)。泰勒泡液膜厚度變化不大，計(jì)算時(shí)可采用整個(gè)液膜的平均厚度。由此可簡(jiǎn)化壓降計(jì)算過程。

根據(jù)機(jī)械能守恒定律，環(huán)空穩(wěn)定彈狀流的總壓降由重力壓降、摩阻壓降和加速壓降組成[9]。

(26)

重力壓降為

(27)

摩阻壓降為

(28)

液塞混合區(qū)域的加速壓降為

(29)

(30)

式(30)中：ρR為地層巖石密度，kg/m3；vDR為機(jī)械鉆速，m/s；β為氣泡長(zhǎng)度相對(duì)百分比。

上述方程中的摩阻系數(shù)由雷諾數(shù)計(jì)算得出，雷諾數(shù)定義為

(31)

3 模型數(shù)值解法

考慮到鉆井流體沿井筒(鉆柱和環(huán)空內(nèi))流道流動(dòng)為一維穩(wěn)定流動(dòng)?？衫靡痪S數(shù)值迭代的解法進(jìn)行計(jì)算。由于是穩(wěn)態(tài)模型，算法中無需考慮時(shí)間因素[36]。

將井筒流道進(jìn)行一維迭代網(wǎng)格劃分(圖4)，計(jì)算步長(zhǎng)設(shè)定為1～10 m；邊界條件：井口溫度和井口壓力；迭代計(jì)算路徑為：井口→環(huán)空→鉆頭噴嘴→鉆柱內(nèi)→井口鉆柱(立管內(nèi))。該鉆井方案的整個(gè)計(jì)算路徑均為氣液兩相流。

圖4 模型的計(jì)算路徑和迭代網(wǎng)格劃分Fig.4 Iterative calculation path and grid division of the model

(1)確定井口環(huán)空處的邊界條件：PL=0=PS，TL=0=TS，QGL=0=QGSC，QL等，L為井深，PL=0為井深為零時(shí)的環(huán)空壓力，PS為井口回壓，TL=0為井深為零時(shí)的環(huán)空溫度，TS為環(huán)空出口溫度；QGL=0為井深為零時(shí)的環(huán)空氣體流量，QGSC為環(huán)空出口氣體流量，QL為環(huán)空液體流量；確定井身結(jié)構(gòu)和鉆具組合數(shù)據(jù)以計(jì)算井筒內(nèi)的有關(guān)幾何尺寸；確定鉆頭參數(shù)：噴嘴總流面積或各噴嘴直徑等；確定水平井井眼軌跡數(shù)據(jù)：斜井段井斜角對(duì)應(yīng)測(cè)深、垂深數(shù)據(jù)。

(2)在1#網(wǎng)格單元內(nèi)視兩相流體參數(shù)穩(wěn)定取平均值，然后利用流體單元的邊界條件，判別兩相流流型，并沿積分路徑進(jìn)行計(jì)算壓降，得出單元下端的壓力、溫度(P2，T2)。

(3)令2#單元(前一單元)的P1=P2，T1=T2，計(jì)算出2#單元的流體參數(shù)(密度、折算速度，持液率、含氣率、黏度、氣體壓縮因子、雷諾數(shù)、摩擦系數(shù)等)，判別兩相流流型，并沿積分路徑進(jìn)行計(jì)算壓降，得出單元下端的壓力、溫度(P2，T2)。

(4)重復(fù)程序(3)直至井底環(huán)空。注意：計(jì)算前確定環(huán)空幾何尺寸和兩相流流型的變化，采用相應(yīng)的流動(dòng)模型進(jìn)行計(jì)算。

(5)利用氣液兩相流鉆頭壓降模型計(jì)算出鉆頭噴嘴上游壓力。

(6)重復(fù)程序(2)、(3)。注意：計(jì)算前確定鉆柱幾何尺寸和兩相流流型的變化，應(yīng)采用相應(yīng)的流動(dòng)模型進(jìn)行計(jì)算。鉆柱內(nèi)計(jì)算路徑為井底向井口方向，井深差值為負(fù)值。計(jì)算過程中應(yīng)考慮馬達(dá)、測(cè)量?jī)x器、限流器及單流閥等的壓降。

(7)沿鉆柱內(nèi)迭代計(jì)算結(jié)果：P2=Pin，Pin為鉆井泵壓(注入壓力)。

4 實(shí)例驗(yàn)證

山西晉城大寧煤礦煤層氣DNP02井實(shí)現(xiàn)了兩井連通直井注空氣鉆水平羽狀分支井，水平井段為13個(gè)分支，總長(zhǎng)為8 019 m[1,24]。該井注氣點(diǎn)位于水平段A點(diǎn)附近，其造斜段和直井段均為充氣鉆井液，環(huán)空內(nèi)為氣液兩相流[37-38]。由于該井A點(diǎn)垂深僅為195.73 m，流型判別認(rèn)為該井施加少量井口回壓的情況下連通點(diǎn)以上充氣環(huán)空均為彈狀流(圖5)。

表1所示為DNP02井環(huán)空充氣鉆井的基本數(shù)據(jù)[1,37]?？諝庥芍本畠?nèi)的7 in(1 in=25.4 mm)套管注入到水平井環(huán)空，注氣點(diǎn)以上環(huán)空為氣液兩相流，而注氣點(diǎn)以下的環(huán)空流體和鉆柱內(nèi)流體均為單相液流。考慮到兩井連通的環(huán)空注氣方式下氣體注入點(diǎn)以上環(huán)空內(nèi)的氣液兩相流動(dòng)為一維穩(wěn)定流動(dòng)，可利用數(shù)值解法進(jìn)行計(jì)算。而對(duì)于環(huán)空注氣點(diǎn)以下的環(huán)空流體和鉆柱內(nèi)流體均為單相液流，可利用單相液流的水力模型進(jìn)行計(jì)算。另外，由于氣體注入管路中均為單相氣流，其水力參數(shù)可利用氣體鉆井水力模型進(jìn)行計(jì)算。因此，該實(shí)例中井筒水力參數(shù)的計(jì)算可分為3部分：注氣點(diǎn)以上環(huán)空兩相流水力參數(shù)、注氣點(diǎn)以下環(huán)空及鉆柱內(nèi)單相液流水力參數(shù)和注氣管內(nèi)單相氣流水力參數(shù)。

圖5 DNP02井兩井連通環(huán)空充氣鉆井流程Fig.5 Two well-connected annulus aerated drilling process from DNP02 well

表1 DNP02井環(huán)空充氣鉆井的基本數(shù)據(jù)

注：①為動(dòng)力黏度單位，1 cp=10-3Pa·s。

將環(huán)空兩相流流道進(jìn)行一維網(wǎng)格劃分，其迭代計(jì)算路徑為：井口→氣體注入點(diǎn)以上環(huán)空→環(huán)空單相液流→鉆頭噴嘴→鉆柱內(nèi)單相液流→井口鉆柱(立管內(nèi))。該實(shí)例中部分計(jì)算路徑為氣液兩相流，需采用數(shù)值迭代計(jì)算；而其余部分的單相液流，可利用液流水力模型直接計(jì)算，無須迭代計(jì)算。

實(shí)例計(jì)算步長(zhǎng)為1～10 m，邊界條件為井口溫度和井口壓力，結(jié)合該井基本參數(shù)(表1)，計(jì)算出該井環(huán)空流體參數(shù)隨井深的變化情況(表2)。

由于直井為空氣注入井，井深僅195.73 m。通過計(jì)算，井口注入壓力與井底壓力差僅為20 kPa，可忽略不計(jì)。因此，將地面空氣注入壓力視為水平井段兩井連通點(diǎn)的環(huán)空壓力。

將空氣注入管線上的PQT計(jì)顯示的空氣流量和壓力與模型計(jì)算的井底壓力結(jié)果進(jìn)行對(duì)比(表3)，該模型計(jì)算結(jié)果非常接近實(shí)際環(huán)空壓力(符合率達(dá)到95%)，證實(shí)建立的環(huán)空彈狀流力學(xué)模型的準(zhǔn)確性。

表2 DNP02井充氣鉆井環(huán)空流體參數(shù)

表3 DNP02井環(huán)空壓力模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比

5 結(jié)論

(1)鉆井環(huán)空氣液兩相流主要有5種流型。其中，攪拌流僅出現(xiàn)在通徑較大的管流中，對(duì)于鉆井常規(guī)尺寸環(huán)空不會(huì)出現(xiàn)攪拌流。實(shí)際鉆井管流中呈現(xiàn)環(huán)狀流的工況參數(shù)范圍很窄。對(duì)于多數(shù)充氣鉆井，由于現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)主動(dòng)施加環(huán)空回壓，井口附近的攪拌流或環(huán)狀流出現(xiàn)的概率很小。

(2)調(diào)研國(guó)外學(xué)者的研究成果和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，結(jié)合充氣鉆井具體參數(shù)，認(rèn)為只有在井深300 m以上的環(huán)空含氣率才超過50%，以彈狀流為主，而下部環(huán)空以泡狀流或分散泡狀流為主。

(3)本模型充分考慮到彈狀流中液塞和泰勒泡持液率的變化，將液塞視為泡狀流，將泰勒泡視為環(huán)狀流。為了簡(jiǎn)化壓降模型，認(rèn)為生長(zhǎng)完全的泰勒泡的氣泡帽長(zhǎng)度很小，可忽略不計(jì)，且泰勒泡液膜厚度變化不大，計(jì)算時(shí)可采用整個(gè)液膜的平均厚度。

(4)基于穩(wěn)態(tài)多相流理論和機(jī)械能守恒定律，詳細(xì)推導(dǎo)出的環(huán)空彈狀流穩(wěn)態(tài)流動(dòng)模型，利用數(shù)值解法進(jìn)行求解、程序化。DNP02井采用直井與水平井兩井連通注氣技術(shù)，該實(shí)例證實(shí)距井口小于200 m的環(huán)空中，氣液兩相流為彈狀流。通過與實(shí)測(cè)值的對(duì)比，證實(shí)本模型計(jì)算精度完全滿足充氣鉆井。