欠平衡垂直环空中气液固三相间滑脱特性的试验研究

The three-phase flow of cuttings, gas and drilling fluid in upward annulus is a commonly encountered phenomenon when drilling wells using underbalanced drilling technology. The slippage characteristics of gas-solid-liquid is ont only a basic scientific problem in the field of multiphase flow dynamics, but also an urgent engineering issue in drilling construction. This research is based on experiments. The transparent polymer drilling fluid is adopted as the experimental liquid. The PIV system is refined in this study: the cuttings are made of refractive index matching glass to let the light penetrate the suspended fluid and the fluorescent induction technology is introduced to avoid the reflection effect of bubbles; the void fraction is adjusted by different gas inflow rate; the constant current process is used to measure the void fraction; high-speed camera is adopted to record the behavier of gas bubbles; the pressure sensor is introduced to measure the pressure. The motion characteristics of cuttings and gas is recorded by the experimental system with different liquid type and flow rate,cuttings concentration and shape, void fraction separately. The slippage characteristics of cuttings and gas will be revealed based on the experimental results. The expression of fall velocity of cuttings and gas in three-phase flow will be derived through dimensional analysis and multiple regression analysis. The research results have a great application value, and can be directly applied to the calculation of three-phase flow in the underbalanced upward annulus.

岩屑、气体和钻井液在垂直环空中的三相流动是采用欠平衡技术钻井时经常出现的工程现象，其中气液固三相间的滑脱特性既是多相流体动力学的基本科学问题，又是钻井施工中亟需解决的工程难题。 本研究以试验为基础，采用透明的聚合物钻井液作为代表液体，对现有的PIV系统进行改造，使用与钻井液折射率匹配的玻璃来制造岩屑，配合荧光诱导技术，有效地解决了岩屑和气泡在三相流中的互相干扰问题；通过调节进气量来改变截面含气率；定电流法实时监测截面含气率；高速摄像机连续拍摄气泡的运动轨迹；压力传感器测量监测点的流体压力，系统地记录岩屑和气体在不同钻井液类型和排量、岩屑浓度和形状、截面含气率下的运动特性。通过试验结果揭示钻井液中岩屑与气泡的滑脱方式规律及相互影响机制，通过量纲分析与多元回归得出钻井液中岩屑和气体滑脱速度的具体表达式。 研究成果可以直接应用于欠平衡垂直环空内气液固三相流动的计算模拟，具有重要的应用价值。

岩屑、气体和钻井液在垂直环空中的三相流动是采用欠平衡技术钻井时经常出现的工程现象，其中气液固三相间的滑脱特性既是多相流体动力学的基本科学问题，又是钻井施工中亟需解决的工程难题。. 针对这一问题，本研究对已有的PIV系统进行改造，研制了井筒环空内气液固三相流动模拟和监测设备。该设备通过调节进气量来改变气液两相的表观速度，利用压力传感器测量环空内的流体压力，可以模拟真实工况下井筒环空内的三相流动环境；该设备使用与钻井液折射率匹配的玻璃来制造岩屑，配合荧光诱导PIV技术，有效地解决了岩屑和气泡在三相流中的互相干扰问题，可以追踪气液固三相流中固相颗粒的运移轨迹并计算其滑脱速度；同时，该设备可以利用高速摄像机连续拍摄气泡的运动轨迹，并通过图像比对计算出气泡的滑脱速度。. 本项目首先对不规则形状的固体颗粒在幂律流体中的滑脱规律开展试验研究，发现了幂律流体的K、n值以及颗粒的形状对固相颗粒滑脱速度的影响规律。然后，利用研制的井筒环空三相流动试验设备，系统地研究了岩屑和气体在不同钻井液类型和排量、岩屑浓度、密度和形状、气液两相表观流速下的运动特性。通过试验结果揭示钻井液中岩屑与气泡的滑脱特性及相互影响机制。最后，以试验数据为基础，以气液两相表观流速、幂律流体的K值和n值、固相颗粒的密度、粒径、球度系数、浓度为输入参数，以固相颗粒在气液固三相流中的滑脱速度为输出参数，建立了人工神经网络数学模型，该模型可以计算井筒环空中任意工况下固体颗粒的滑脱速度。. 本研究成果揭示了井筒环空中气液固三相间的滑脱特性，对多相流体力学的进展有着重要的科学意义；同时，利用本研究成果可以进一步获得井筒环空中的压力分布，对欠平衡钻井的井控安全有着重要的工程价值。