0 引言

随着全球经济的快速发展，油气需求量也日益增加，而复杂地层油气资源开采难度大，成本高。控压钻井技术^[1-7]是一项应用于复杂地层油气资源开采的技术，具有降低生产成本、简化操作流程、缩短非生产时间和显著提高油井生产效率等优点。控压钻井中应用于海洋钻井的技术是可控钻井液液面系统。

可控钻井液液面系统通过使用一个在预设计深度与隔水管连接的海底泵控制隔水管环空中的钻井液液面。钻井液通过与海底泵连接的直径较小的回流管线从海底循环至井口^[8]。随着钻井液液面的降低，在隔水管中注入低密度介质(空心微球、低密度流体或空气)，降低隔水管环空内返回流体的密度，使之与海水接近，在整个钻井液返回回路中保持双密度钻井液体系。双密度钻井液体系可动态控制井眼环空压力，使地层破裂压力和孔隙压力之间的余量增大，克服深水钻井遇到的难题，实现安全和经济钻井^[9]。可控钻井液液面系统有诸多优势，采用压力传感器和流量计测量流量和压力，从而检测侵入到井眼中的任何流体。及时检测和井眼环空压力的动态控制有助于气体安全快速运移，避免复杂事故^[10]。

气体运移是钻井过程中需要考虑的重要问题，在海洋钻井中尤为关键。虽然对气体运移问题进行了大量研究，但实际数据和试验室数据相互矛盾，因此不存在气体运移的精确模型。虽然存在钻井液密度、流变性、气泡尺寸和气泡几何形状等多个不确定变量，但气泡运移速度是定义气体运移过程的重要变量。

气泡运移速度的经验值为0.076 2 m/s，但在标准几何形状的井眼中使用实际钻井液的研究结果对比表明，在气体体积分数大于10%的情况下，气体运移速度达0.508 m/s^[11]。当用清水作为介质时，由于黏度低，气体运移速度较高。这是由于黏度对气泡运移速度影响很大，黏度越大，对气泡结合成向上运移的较大气泡的阻力也大^[11]。钻井液中较大气泡比较小气泡的运移速度快，RADER等人于1975年利用3.7 m长的流动回路和1 800 m深的井所做的试验获得了相同的结果^[11]。ROMMETVEIT和OLSEN于1989年利用1 500 m深的试验井进行了大量试验，试验过程中用位于不同深度的压力传感器测量了压力，并用时间飞跃法测量了气体运移速度为0.55 m/s^[11]。

为全面了解气体运移的物理过程，得克萨斯A & M大学的研究人员进一步研究了可控钻井液液面系统隔水管中的气体运移问题^[12]，获得了大量宝贵的数据，为更深一步的研究奠定了基础。

1 试验装置

美国得克萨斯A & M大学的O. KALDIRIM等在双梯度钻井实验室进行了可控钻井液液面系统隔水管中气体运移的物理过程研究^[12]。所用的试验装置为可控钻井液液面系统隔水管模型，气体运移过程如图 1所示。

为了设计隔水管模型和研究气体运移的必要结构，先后构思了隔水管二维和三维模型草图，分别如图 2和图 3所示。

综合考虑实用性、成本、支承间隙、室内高度和电源等问题，构建了双梯度钻井隔水管模型^[13]，如图 4所示。模型尺寸与实际隔水管参数对比见表 1。

隔水管模型选用ø152.4 mm、长8.23 m的透明PVC管，实现了可视化。采用ø50.8 mm PVC管为试验装置供应钻井液，并通过隔水管循环。ø152.4 mm三通管距离隔水管底部2.13 m，用来控制钻井液液面。入口和出口设置有流量计，能够测量进、出试验装置的流体流量。整个试验装置包含2台离心泵，并使用变频驱动器控制离心泵。其中一台离心泵作为钻机和钻井泵，用来循环通过试验装置的流体，另一台离心泵用来控制隔水管模型的排出速度和液柱高度。使用压缩机和气罐供应空气。为了模拟顶部填补，增加了一个入口，顶部填补泵供应的流体直接通过水管线输送至隔水管模型顶部，以产生向下的足够强的流动，减小气泡运移速度。

隔水管模型底部的注入口用来注入气体到试验装置中，注入的气体与环空中的钻井液混合。通过排出泵，流体被引导进入气体分离器。在分离器中，气体与钻井液分离。进入隔水管模型和离开分离器的气体之间的速度差有助于气体向隔水管模型顶部运移。虽然模拟时选择的雷诺数应与实际情形相匹配，但需要的流速超过离心泵泵速，因此，循环速率应根据泵速进行选择^[13]。

双梯度钻井隔水管模型安装在一个钢管制成的支架上，支架采用绞车举升，有助于完成各个角度的试验。

2 试验步骤

试验初期确定了泵速，并对流量计进行了校准。随后进入了正常试验，试验中泵入水作为钻井液，选择的入口离心泵泵速范围为18.14~36.29 m³/h，流体高度介于4.57~7.62 m之间，出口离心泵泵速为1.74~2.70 m³/h，空气注入速率保持在0.85 m³/h不变(该流量太高，导致气体体积分数大于5%)，顶部填补泵速取最大值0.41 m³/h。所有的试验都按以下步骤进行。

(1) 启动入口离心泵，向隔水管模型中泵入水至预期高度之上。然后，启动距离隔水管底部2.13 m的出口离心泵排水。

(2) 调节流量，直到达到预期高度。

(3) 流量稳定后，开始记录数据。

(4) 注入空气，距离隔水管底部2.13和3.81 m的摄像机开始录像。

(5) 一旦采集到预期数量的数据，停止试验，准备进行下一次试验^[12]。

3 结果分析

试验过程中采集到了水中的气体运移数据，如表 2所示。

表中的数据分为4组，每一组相当于在恒定的入口离心泵马达频率和不同的出口离心泵马达频率下进行的试验。

第1组试验中，入口离心泵频率设为32.5 Hz，为确定重力影响，不启动出口离心泵，结果流体高度为4.57 m。然后注入空气，低流量下形成了大气泡，大气泡极难被清除。在确定流量增大，流体会溢出的结果之后，终止该组试验。

第2组试验中，入口离心泵频率保持35.0 Hz不变，出口离心泵频率从0 Hz逐步增大至20 Hz，增量为5 Hz。从表 2可以看出，随着出口流量的增大，流体高度降低。较大的出口流量消除了比较分散的气泡，减少了大气泡的数量。

第3组试验中，入口离心泵频率保持35.0 Hz不变，出口离心泵频率从10 Hz逐步增大至25 Hz，增量为5 Hz。增大的入口流量引起气泡在底部更加分散，从而排出了更多的空气，使运移至隔水管模型顶部的空气减少。

第4组试验中，入口离心泵频率保持40.0 Hz不变，出口离心泵频率从7.5 Hz逐步增大至27.5 Hz，增量为2.5 Hz。高入口流量引起明显的湍流，使气泡变得更小，极难识别出大气泡。然而，在试验过程中，没有形成单个的大气泡。

综合4组试验观察结果认为：低流量下易产生大气泡流，大气泡尺寸介于高尔夫球和垒球之间；随着流量的增大，气泡尺寸逐渐与高尔夫球接近，最终没有大气泡。

试验过程中，大气泡没有被清除，即使在高流量下也是如此。当所有小气泡结合成大气泡时，气泡运移速度增大。然而，在高流量下，由于气泡运移速度增大，引起气泡快速向上运移至排出管线处，大气泡在排出管线处形成水平漩涡，而且一旦气泡运移至排出管线以上某一点处，气泡运移速度变慢。

4 试验结论

(1) 双梯度钻井隔水管中，气体运移受排出速率的影响，随着排出速率的增大，排出的气量只能在一定程度上增大。

(2) 随着入口流量的增大，气泡更加分散，尺寸减小；与大气泡或段塞流相比，低流量下的小气泡更易被清除，导致排出更多的气体。而且，小气泡的运移速度还受到排出速率的影响。

(3) 在低入口流量下，当气体到达三通管处时，气泡尺寸变大，并在较短时间内向上运移至隔水管模型顶部，排出的气体较少。

(4) 在高排出速率下，大气泡快速运移至三通管处，然而，一旦气泡运移至排出管线以上某一点处，运移速度也相应放慢^[12]。

5 未来工作建议

为全面了解单个气泡或分散气泡运移的物理过程，以及温度、流体密度、流变性、深度、压力和气泡尺寸对气体运移的影响，迫切需要进行更深入的试验研究，因此，需要对现有的隔水管模型进行改进。建议如下：

(1) 提高泵速和水头压力。

(2) 提高流量计和压力传感器测量精度，增加测量点个数，以实现更为精确和灵敏的流量和压力测量，从而为气体运移速度和体积变化提供更好的模型，特别是对于段塞流模型。

(3) 使用钻井液混合罐调配钻井液，以进行更高密度流体的各种试验。

(4) 安装通气罩或将模拟器移向户外，并用甲烷代替空气进行试验。户外试验需要电源供电和防范设施，但会避免高度限制，利于选择更高的隔水管模型。

(5) 改进气体分离器，提高分离能力。

(6) 使用冷却器研究更大的水深下钻井液温度对气体运移的影响。