充气控压钻井气液两相流流型研究.pdf

第 32 卷 第 2 期 2010 年 3 月 石 油 钻 采 工 艺 OIL DRILLING 2. International Engineering Company, Chuanqing Drilling and Exploration, Chengdu 610000, China; 3. Offshore Drilling Company, Shengli Petroleum Administration Bureau, Dongying 257000, China） Abstract Aerated Managed Pressure Drilling（MPD）is developed on the basis of aerated underbalanced drilling（UBD）. It is a drilling technology that mainly focuses on narrow safe density window ation. Through the study in this paper, the multiphase flow of the circulating system is simplified into gas and liquid two phase flow, a circulating system physical model of aerated MPD is established, and the transition criteria and pressure drop model of gas and liquid two phase flow are summed up systematically. Through a lot of simulating experiments, the transition criterion and pressure drop model of conventional gas and liquid two phase flow is verified and revised, the pressure drop model applicable to aerated MPD is developed. Through the analysis of flow pattern sensitive factors, gas and liquid ratio, ground back pressure, and flow geometry are major affecting factors affecting. The research result provides theoretical basis for pressure control of aerated MPD. Key words aerated MPD; gas and liquid two phase flow; flow pattern; experimental study; influencing factor 基金项目 国家高技术研究发展项目（863 计划） “全过程欠平衡技术与装备” （ 编号 2006AA06A104） 和“低渗气藏特殊复杂地层高效 钻井关键技术” （编号 2008ZX05022-005） 联合资助。 作者简介 赵向阳， 1985 年生。西南石油大学在读硕士研究生， 主要从事控压钻井与气体钻井方面的研究。电话 028-83035450， E-mail swpuzxy。 充气控压钻井依靠闭合、 承压的循环体系， 通 过压力控制设备（旋转控制头、 节流管汇、 泥浆泵、 井下泵） 、 注气方法等来调节流体密度、 流体黏度、 流 量、 回压和摩擦压力， 更加精确地控制整个环空压力 剖面， 使得地层流体有控制地进入环空。这种循环 系统是典型的多相流动， 通过简化为气液两相流动， 建立流型转换准则和压降模型， 精确计算和模拟环 空钻井水力学， 达到精确控制压力的目的［1， 2］。 7赵向阳等充气控压钻井气液两相流流型研究 1 物理模型 Physical model 充气控压钻井充气方式主要有常规钻杆注气 法、 寄生管注气法、 同心管注气法、 连续油管注气法 4 种。不论那种方式， 气液两相在环空中的流动物理 模型都是一样的（见图 1） 。充气控压钻井过程中， 环空中存在岩屑、 气体、 钻井液、 地层流体（油、 气、 水）的同时流动， 通常将岩屑、 钻井液、 地层油、 水看 作液相， 且以相同速度运动， 岩屑只是增加了液相的 密度， 注入气体和地层气体为气相， 因此， 充气控压 钻井的井筒流动可以简化为气液两相流动［3］。 图 1 充气控压钻井物理模型 Fig. 1 The physical model of aerated MPD 2 气液两相流流型转换准则及压降模型 Switching criterion and pressure drop model of gas-liquid two-phase flow 流型是气液两相流研究的中心课题， 流型预测 的目的是根据其流动特征建立适用于该流型的压降 模型。依据流动机理预测气液两相流的流型， Taitel 和 Dukler 确定了气液两相的 4 种流态， 得出了这 4 种流型之间的转变界限。Hasan、 Caetano、 Lage 等对 Taitel 的研究进行了修正和完善［4-7］。 2.1 流型转换准则 Switching criteria of flow pattern 泡状流 VVV sgslt 0 4290 375.. （3） 若rl sl V 2 50， 则 r r gsglsl VV 2 2 17 123 214时 E V-0 857100 2 4 .lg. sgc （23） 其中 V V sgc sggg l m s r r （24） ag - 1 0 8 0 378 y . . （25） y G G G G - 1 0 9 0 50 1 g M g M gllg . .. rrm m Duns-Rons 方法对环状流计算较准确， 考虑了加 速压降影响， 假设气体等温膨胀， 通过微分得出加速 压降梯度和总压降梯度的微分等式， 最后积分得出 总压力梯度 D D p gp V p VV T mf sg lslgsg - r rr1 （26） 3 气液两相流流型实验 Gas-liquid two-phase flow-type experiments of aerated MPD 3.1 实验装置 Experimental facility 本实验在西南石油大学 CNPC 欠平衡钻井实验 室多相流模拟小实验架上完成， 实验管段长度 16 m， 模拟井筒外筒直径 0.1 m， 模拟钻具的内筒直径 0.05 m。具备系统压力、 温度、 流量测量、 图像观察等功 能。同时， 对多种钻井过程井筒流动情况进行了实 验模拟， 实验装置见图 2。 图 2 实验管路及地面设备 Fig. 2 Experimental pipe and ground equipment 3.2 实验方案及流程 Experimental program and process 实验由空气压缩机供气， 每台最大排量 4.5 m3/min， 压力 0.8 MPa；注液泵注液， 一台最大排量 0.12 m3/min， 另一台排量为 0.11 m3/min， 液量可以通 过变频器调节。数据通过传感器自动采集并传入电 脑。流量计２个， 大小排量均可以计量。气液经过 混合器混合后从旁边有机玻璃管注入， 然后气液混 合进入钻杆向下流动， 到达井底， 然后进入环空， 最 后通过管子排出。通过调节气液量， 观察实验管路 流型和数据采集系统， 选用测点压力稳定段处理数 据， 实验中不同流型的注气注液速度见表 1。 9赵向阳等充气控压钻井气液两相流流型研究 表 1 实验中不同流型的注气、 注液速度 Table 1 Injection volume of gas flow and fluid of different flow patterns in the experiment 流型泡状流段塞流搅动流环状流 注气速度 /m3 min-10.0070.2453.4474.4 注液速度 /m3 min-10.101590.08260.10160.018 3.3 实验现象 Experimental phenomena （1） 泡状流。此时液相是连续的， 气泡在连续的 液体中作分散的流动。直径在 l mm 以下的气泡是 球形的；直径在 l mm 以上的气泡外形是多种多样 的。 （2） 段塞流。在气相的流速较高时， 气泡合并， 最 后气泡的直径接近于管直径。当这个现象发生时最 明显的特征是大的弹状气泡（也称 Taylor 气泡）的 形成， 这些大气泡被含有分散的较小气泡的液弹段 所分隔。 （3） 搅动流。随着流速的进一步增加， 弹状 流中的大气泡破裂， 形成一个不稳定的流态。此时 大小不一的块状气体在液相中以混乱状态流动。 （4） 环状流。在这种流型中， 液相形成一层膜在管壁上 流动， 而气相则在管子中心流动。通常会有一部分 液相以小液滴的形式被夹带在气芯之中， 并且随着 气相速度的增加夹带量也增多（见图 3） 。 图 3 实验流型 Fig.3 Experimental flow pattern 3.4 实验测试及处理 Experimental test and treatment 对上述模型编制程序， 程序框图见图 4， 模拟实 验数据， 与实验测点压力对比， 结果如图 5 所示。 从图 5 可以看出， 流型判别模型与实验吻合较 好， 误差为3.1， 满足精度要求， 可以指导现场施工。 4 流型影响因素分析 Analysis of flow pattern influencing factors of aerated MPD 充气控压钻井中， 井筒气液两相流流型受流体 的物理性质和气液比、 地面回压、 流道的几何形状等 因素影响。 图 4 充气控压钻井流动计算模型流程 Fig.4 Flow chart of flow calculation model of aerated MPD 图 5 不同流型测点压力与模型压力对比 Fig.5 Pressure measuring points compared with the model pressure on different flow （1） 流体的物理性质。实验表明在恒定液体流 量下， 液体黏度越大， 由泡状流转变为段塞流所需要 的气体流量越小， 流型的转换与其物理性质有着密 切的联系。 （2） 气液比。气液比对流型的影响见表 2。 （3） 管径。管径对流型过渡区的影响很大。在气 液两相流中， 当管径加大时， 需增大液相表观速度才 能获得段塞流。此时， 如果气速较小则可获得环状 流。在气体表观速度很大时， 管径对流型的影响将 变得很微弱。管径对流型的影响还表现为对各相间 作用力的影响， 相间作用力与流体润湿角密切相关， 而管径则是决定润湿角大小的重要因素。 （4） 回压。以新疆某井为例， 经过计算得到不同 回压下的流型分布， 见表 3。 10石油钻采工艺 2010 年 3 月（第 32 卷） 第 2 期 表 2 气液比对流型的影响 Table 2 Impact of gas-liquid ratio on flow pattern 井深 /m 流型 气液比（10∶1）气液比（15∶1） 10环状流环状流 60搅动流搅动流 90搅动流搅动流 120搅动流搅动流 300段塞流段塞流 600泡状流段塞流 900泡状流泡状流 1500泡状流泡状流 1800泡状流泡状流 2100泡状流泡状流 2400泡状流泡状流 2700泡状流泡状流 表 3 不同回压下流型分布 Table 3 Distribution of flow patterns on different back pressures 回压 /MPa泡状流 /m段塞流 /m搅动流 /m环状流 /m 0.1井底 60060015015010100 1井底 31031095950 2井底 2202200 从表 3 可以看出， 回压直接影响流型分布， 环状 流流速过高， 直接冲蚀井口。而且研究表明， 在充气 控压钻井过程中， 如果地层中流体存在硫化氢， 则可 能会侵入井筒环空， 和充气液一起上返， 极易导致钻 具发生氢脆开裂。结合现场资料分析， 并结合氢脆 机理、 气体传质双膜模型和气体扩散理论分析表明， 在环状流段， 尤其是处于井口时， 在短时间内极容易 发生氢脆开裂、 钻具突然断裂的严重事故。因此， 充 气控压钻井作业中常常通过井控设备增加回压的方 法来改变井口不理想的流型。 5 结论 Conclusions （1）将常规气液两相流理论引入充气控压钻井 水力学， 通过实验验证和修正了气液两相流流型判 别准则和压降模型， 经适当的简化， 使计算模型工程 化、 程序化， 方便地应用于现场施工。 （2） 漂移流动模型既考虑了气液两相之间的相对 速度， 又考虑了空泡率和流速沿过流断面的分布规 律， 用于充气控压钻井压力计算， 简便实用， 满足工 程精度要求。 （3） 气液两相在管内流动， 流型主要分为泡状流、 段塞流、 搅动流、 环状流。当管径较大时， 需增大液 相表观速度才能获得段塞流。此时， 如果气速较小 则可获得环状流。在气体表观速度很大时， 管径对 流型的影响将变得很微弱。 （4） 影响充气控压钻井气液两相流流型分布的主 要因素有流体的物理性质和气液比、 地面回压、 流 道的几何形状。可通过井控设备增加回压的方法改 变井口不理想的流型。 符号说明 De为当量直径， m； DH为井眼直径， m； do为钻柱外径， m； σ 为气体界面张力， Pa； Vt为单个气泡极限上升速 度， m/s； VtT为泰勒气泡上升速度， m/s； Vm为气液混 合速度， m/s； Vsg为气相表观速度， m/s； Vsl为液相表观 速度， m/s； ρg为气相真实密度， g/cm3； ρl为液相真实 密度， g/cm3； ρm为混合物真实密度， g/cm3； μl为液相 黏度， Pa s； μg为气相黏度， Pa s； ag为空泡率， 无因次。 参考文献 References ［1］ SYLTY S, EIDE S E, TORVUND S, et al. 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