深水定向井壓回法壓井氣液兩相逆向流動試驗研究

中圖分類號：TE952 文獻標識碼：A DOI：10.12473/CPM.202407008

Design and Application of a Simulation Test Device Based on Gas-Liquid Countercurrent Flow in Deepwater Directional Wells During Bullheading Kill

Ren Meipeng'ZhangWei2Yin Zhiming1 Ding Tianbao3，4，5 Sun Baojiang3，4.5 Wang Zhiyuan3，4，5 Yin Bangtang3，4.5

（1.CNOOCResearchInstuteCo.，Ld.；2.PetroChinaTarimOilfeldCompany；3.NationalKeyLaboratoryofDepOiland GasatChinaUniversityofPetrolem（EastChina）；4.NationalEngineeingResearchCenterofOilamp;GasDrilingndCompletion Technology；5.SchoolofPetroleum Engineering，ChinaUniversityofPetroleum（East China））

Abstract：The pattrn of gas-liquidcountercurrent flow in inclined wellbore with high-viscosity liquid phase has scarcely studied.Inthis paper，a visual simulation test device based ongas-liquid countercurrent flow in directional wels during bullheading kill was designed，and it was applied for bubble migrationandflow patern conversion tests at diferent apparent gas-liquid velocities，liquid-phase viscositiesand wellbore inclination angles.The testresultsshow that with thehorizontal inclinationof the welbore，the migrationvelocityof small bubbles decreases gradually，and the migration velocityof Taylor bubbles increases gradually，and the countercurrent liquid velocity and liquid phase viscosity can inhibit bubble migration.Given a constant apparent liquid velocity， as the apparent gas velocity increases，the flow patern converts from bubble flow to elastic cap flow and slug flow.

Given aconstant apparent gas velocity，as the apparent liquid velocity increases，the bubble flow changes to elastic capflow.In case of bullheading kill，the viscosityof thekillfluid can be appropriately increased to press the bubles back in the wellbore more eficiently.Theresearch results can provide theoretical and technical support for safe and efficient well control during deepwater oil and gas development.

Keywords： deepwater directional wells； bullheading kill；gas -liquid countercurrent flow；simulation test device；bubble bullheading；flow pattern conversion

0 引言

隨著我國工業化和現代化的高速發展，石油和天然氣消耗量不斷增加，目前我國已成為全球第二大石油消費國、第一大原油與天然氣進口國。2022年我國石油對外依存度為 71.3% ，國家能源安全受到嚴重威脅[1-2]。隨著我國能源開采重心逐漸向深水、深層轉移，2023年國內海洋原油產量突破6200萬t，同比增產超340萬t，占全國原油增量比例達到 70% 左右。海洋石油增產量連續4年占全國原油總增量的 60% 以上，成為我國能源上產的關鍵增量。因此深水油氣資源的高效開發，對增強我國能源安全保障能力具有重大意義[3]。

相對于陸上油氣資源的開采，海上油氣的開采面臨著更大風險。當發生井涌、溢流等安全事故時，開采更加難以控制。特別對于一些特殊的情況，如鉆頭不在井底、鉆具堵塞或鉆遇地層含硫化氫等有毒氣體時，常規的壓井方法不再適用，此時壓回法壓井是處理此類鉆井事故的一種常用的壓井方法[4-5]。壓回法壓井過程中，壓井液由井口環空泵入向下流動，井筒內侵入氣體向上運移，壓井液與井筒內侵入氣體流動方向相反，在井筒內形成氣液兩相逆向流動。如果壓井液能夠使侵入氣體轉向-下降，且最終被全部壓回地層，則壓井成功。然而，目前壓回法壓井過程中壓井排量、壓井液密度等壓井參數設計缺乏理論依據，現場往往依靠經驗施工，具有一定的盲目性[6。因此為了建立更加準確的井筒壓力預測方法，為壓回法壓井參數設計提供理論依據，亟需基于模擬試驗手段，厘清在氣液逆向下氣泡運移特征及流型轉化機理。

對于氣液兩相流動理論，Y.TAITEL等［和K.YAMAGUCHI等8較早開展了垂直圓管中的氣液逆向兩相流動試驗，觀察到了泡狀流、段塞流和環狀流。S.M.GHIAASIAAN等[9-10]研究了常溫常壓下垂直及傾斜管中氣液逆向流型的轉化規律，通過對3種不同黏度的流體進行試驗，發現黏度對氣液兩相流型轉化的影響較大。呂宇玲等[]通過自制環狀電導探針對氣液同向段塞流壓降特性進行了試驗研究，分析了段塞流壓降曲線的特點和液塞中壓力分布規律。張一夫等[]通過試驗對豎直楔形流道內單氣泡上升過程的行為特性進行了研究，并利用高速攝影設備和計算機圖像處理技術準確地追蹤了氣泡上升過程中運動軌跡和形態的變化。代曉巍等[3利用攝像法和建立的數學模型，提出了水中上升氣泡體積變化率的圖像分析技術。蘇鵬等[14在分析得克薩斯州Aamp;M大學研究人員開展的隔水管中氣體運移試驗的基礎上，提出了現有隔水管模型的改進方法。潘慧等[15]根據壓差波動信號圖及高速相機拍攝的流型圖，對壓差波動信號進行了混沌動力學分析，有效地對管道內氣液兩相流的壓差時間序列進行了短期預測。H.HESSENKEMPER等[16、S.ALMANI等[7]分別研究了鹽溶液和非牛頓流體中單個氣泡上升的問題。S.SUKAMTA等[18]開展了小管徑圓管中的空氣-水逆流試驗，記錄了流型與壓降的關系。LIUH.等[19]開展了垂直圓管中的氣液逆流試驗，研究了液相黏度對氣泡形態、氣泡運移速度及流型分布的影響。徐龍宇等[20]開展了起伏管內氣液兩相攜液能力的試驗研究，研究了氣量、液量和傾斜角度等因素對管線積液情況的影響規律。張亞飛等[21]基于氣液兩相流理論，采用Fluent軟件模擬分析了煤層氣水平井段傾斜-水平耦合條件下氣液兩相同向流動規律。

對于氣液兩相流動試驗裝置的設計，張華禮等[22設計并搭建了氣液兩相流動模擬裝置，可模擬氣井中氣液混合物的采出過程。趙梁等[23設計并搭建了多用途環道式氣液兩相流動試驗系統，該裝置可以開展單相或氣液同向、不同管道布置的試驗。胡勝勇等[24]針對氣井產水問題，設計了一種可視化氣液兩相流動耦合試驗裝置，能夠實現在重力條件下不同尺寸、不同表面粗糙度管壁下的氣液兩相同向流動模擬試驗。

綜上所述，目前對氣泡運移速度的研究多在靜液下、垂直井筒中的研究，關于氣液兩相流型轉化規律的研究也多在氣液同向、垂直或水平井筒中進行。對于在傾斜井筒中高黏度液相下的氣液逆向流動規律的研究較少，相關的可開展氣液逆向兩相流動試驗的裝置設計方法也較少。因此針對以上問題，筆者基于定向井壓回法壓井過程中氣液逆向兩相流動特征，設計并搭建了一套定向井壓回法壓井可視化模擬試驗裝置，裝置可實現氣液逆向及靜液相條件下氣液兩相流動規律的研究。該項研究可探索不同傾角井筒內氣泡在壓井液作用下的運移機理，闡明氣液逆向流動下井筒內流型分布及演化機制，為深水油氣安全高效并控提供理論和技術支撐。

1試驗裝置設計

氣液兩相逆向流動是一個氣泡與液相相互作用、相互影響的過程，隨著逆流液速的增大，氣泡的形態與運移特征不斷發生著變化[25-27]，井筒內的氣液分布狀態隨之發生改變。同時，流道傾角及液相黏度的變化對氣液兩相逆向流動狀態有著顯著影響。

設計的定向井壓回法壓井模擬試驗裝置如圖1所示。該裝置由可視化傾斜模擬井筒、液相循環系統、氣相循環系統和數據采集系統等組成。其具備以下功能和特點： ① 可實時觀測氣泡在井筒內的運移過程； ② 井筒傾斜角度可進行調節； ③ 可實時監測井筒平均含氣體積分數； ④ 液相更換流程簡便，裝置操作簡單。以下分別介紹該裝置各部件的組成及試驗原理。

1.1 可視化傾斜模擬井筒

可視化傾斜模擬井筒（見圖2）全段為透明有機玻璃材質，能夠清晰觀察到井筒內氣液兩相流動情況。井筒總長為 4.6m ，內徑為 0.06m ，耐壓為 2MPa 。井筒頂部連接注液管線，井筒底部連接注氣管線及排液管線。試驗過程中氣相由井筒底部注入，液相由井筒頂部注入，由此形成氣液兩相逆向流動狀態。井筒可沿垂線方向實現 0^°～60^° 傾斜，定義傾斜角度為井筒軸線與垂線之間的夾角。井筒兩端安裝有壓力傳感器，在試驗過程中，可實時記錄壓力數據。

1.2 液相循環系統

液相循環系統主體為儲液罐和螺桿泵，儲液罐容積為 200L ，工作壓力為常壓，工作溫度為 0～ 50°C 。試驗過程中，需要保證儲液罐內液體容積大于井筒內容積與管線容積之和，并保留適當的冗余，以保障試驗過程的安全及穩定。出水口和排水口位于儲液罐底部。試驗過程中，液相由螺桿泵從出水口泵出，注人試驗系統。試驗結束后，由排水口排出儲液罐內液相。螺桿泵額定功率4kW ，揚程 60m ，額定排量 12m³/h ，通過變頻器控制出口流量。

1.3 氣相循環系統

氣相循環系統主體為空氣壓縮機?？諝鈮嚎s機額定功率為 9.6kW ，額定排量為 50m³/h ，儲氣容積為 320L 。試驗過程中，氣相由井筒底部注入，氣相流量由浮子流量計進行調節。

1.4數據采集系統

數據采集系統由氣體流量計、液體流量計、壓力傳感器及含氣體積分數測量裝置組成。試驗通過電容法測量井筒內的含氣體積分數。電容法根據氣液兩相介電常數不同，當井筒內含氣體積分數、含液體積分數發生變化時，井筒內氣、液兩相混合流體介電常數發生變化，因此測量電極之間的電容值也會發生改變，通過實時監測井筒內電容值的變化進而得到井筒內含氣體積分數。含氣體積分數測量裝置如圖3所示。

2試驗方法

2.1 試驗步驟

氣泡在氣液逆向流動下的上升特性是判斷壓回法壓井過程中氣體能否被順利壓回的重要判據。氣泡壓回試驗步驟為： ① 打開試驗系統，向試驗井筒內注入氣體和液體，測試裝置氣密性，調節數據采集裝置，確保試驗前裝置正常運轉，完成后排出井筒和管線內氣體和液體； ② 調節井筒傾斜角度至預設值，開啟螺桿泵，以較低排量向井筒內注滿液相，注滿液相之后，調節液相排量至預設值； ③ 以預設氣相排量向井筒內注入氣體，當氣泡上升至其穩定高度時，開啟螺桿泵并關閉注氣閥門，測量此時氣泡運移速度，測量完成后停泵，關閉注液閥門； ④ 向井筒內再次注滿液體，穩定后，重復過程 ③ ，測量在不同氣相排量、液相排量下氣泡上升速度； ⑤ 調整井筒傾斜角度，從 ② 開始循環試驗過程，直至完成所有設定的不同傾斜角度下氣泡上升試驗； ⑥ 更換液相后，由② 開始循環試驗過程，完成全部設定組數的液相試驗。

氣液兩相逆向流動流型分布試驗需要關注井筒內流型分布狀態，其步驟與氣泡壓回試驗略有不同：在第 ③ 步時，需要持續以預設排量向井筒內注入氣體，待井筒內流型穩定后，記錄井筒內流型分布。其余步驟則與氣泡壓回試驗相同，依次測量得出在不同氣液相排量、不同井筒傾角及不同液相黏度下的流型分布結果。

2.2 數據處理

試驗井筒全段為透明有機玻璃，能夠清晰觀察到井筒內氣液兩相流動特征。試驗過程中采用高速攝像機記錄井筒內流動情況及氣泡運移過程。氣泡運移速度計算過程（見圖4）具體為：選擇第i幀圖像對應時刻為 t_i ，記錄此時氣泡頂部的坐標為 X_i ，選擇對應時刻 t_i+n 1 n=0 ，1，2，…， N_? ）的圖像，記錄此時氣泡頂部坐標為 X_i+n ，通過計算得到氣泡的運移速度 v_g

式中： Δt 為2張圖像之間的時間間隔，s； v_g 為氣泡上升速度， m/s 。

在試驗拍攝氣泡的運移過程中，如果是小氣泡，可減小攝像機與井筒之間的距離，以提高分辨率。拍攝大氣泡過程中增大攝像機與井筒之間的距離，從而記錄較長時間段內大氣泡的運移過程。

3試驗結果及分析

利用該試驗裝置，可以對壓回法壓井過程進行模擬，具體做法包括壓回法壓井過程中氣泡壓回過程及井筒內流型分布試驗。

3.1 氣泡壓回試驗

3.1.1氣液逆向流動下氣泡徑向分布

通過試驗得到井筒內氣泡徑向分布如圖5所示。從圖5可見，壓回法壓井過程中，垂直井筒內大氣泡貼近于井筒壁面，而小氣泡大多分布在井筒中心。這是由于井筒內液體流動對大氣泡和小氣泡影響差異造成的。井筒內液相速度分布為：井筒中心處速度最大，越靠近井壁液相速度越小。氣液逆向流動下井筒內流場分布和大氣泡受力情況如圖6所示。

綜上，近井筒中心處液相繞流作用于氣泡的徑向力大于近井壁處，大氣泡在該作用力下向井壁處運移。對于尺寸較小的氣泡，氣泡近井筒中心處與近井壁處流速差異較小，液相繞流產生的徑向作用力較小，其主要受到井筒中心與井壁處壓差作用的影響。由于井筒中心處流速明顯大于井壁處流速，造成井筒中心處壓力小于井壁處，井筒內液相在該壓差作用下，形成井壁處液相向井筒中心運移的徑向流動。由于該徑向流動的影響，井筒內小氣泡存在向井筒中心處運移的趨勢。且隨著井筒傾斜角度的增加，由于重力的作用，井筒內大氣泡將會進一步向井壁處聚集，較小的氣泡由于受到壓力差及重力的作用，在井筒中心處和井壁處往復隨機運動。

3.1.2不同直徑氣泡的壓回過程分析

壓回法壓井過程中，只有當向下流動的壓井液使井筒內氣體轉向向下流動時，才能保障壓井作業的順利進行，因此壓井過程氣泡能否轉向壓回是判斷壓井能否成功的關鍵。

圖7為氣液兩相逆向流動條件下不同尺寸氣泡的壓回情況。從圖7可見：在時刻1時，大氣泡1位于標尺刻度 22cm 處，小氣泡2位于標尺刻度27.2cm 處；在時刻2時，隨著壓井時間延長，大氣泡1位于標尺刻度 14cm 處，小氣泡2位于標尺刻度14.6cm 處，大氣泡向下運移了 8cm ，小氣泡向下運移了 12.6cm 。由此可知，在氣液逆向流動條件下，當注入液相速度相同時，小氣泡相較于大氣泡更容易被轉向壓回。因此，實現對井筒內最大尺寸氣泡的轉向壓回，是壓回法壓井成功的關鍵。

3.1.3小氣泡運移規律分析

試驗中通過控制氣相流量，使由進氣口產生的小氣泡直徑在 4mm 左右，并且在小氣泡運移過程中，前后氣泡距離足夠遠，氣泡之間不發生相互影響，得到了井筒傾角、液相黏度及液相速度對小氣泡運移速度的影響規律，如圖8所示。其中氣泡運移速度大于0，表示井筒內氣泡向上運移；氣泡運移速度小于0，表示井筒內氣泡在液相沖擊作用下向下運移。

由圖8可以看出，隨著井筒由垂直向水平方向的傾斜，小氣泡運移速度逐漸減小，逆流液速及液相黏度越大，氣泡運移越慢，當逆流液速為0.1m/s 、液相黏度 35mPa?s 時，小氣泡運移速度為負值，氣泡在逆流作用下向下運移。分析小氣泡的運移過程可知，氣泡由井筒底部產生后，在浮力的作用下開始加速運動，一段距離后氣泡進入相對穩定的階段，軸向運移速度大小基本不變。不同于井筒垂直狀態，井筒傾斜時，氣泡在上升過程中將與井筒壁面發生碰撞，小氣泡動能逐漸隨著碰撞次數的增加而減小，小氣泡最終將沿著井筒壁面滑行。同時，隨著井筒傾角的增大，小氣泡與壁面發生碰撞的時刻越早，即氣泡處于加速階段的時間越短。以上2個原因導致小氣泡運移速度隨著井筒傾斜角度的增大而逐漸減小。

3.1.4Taylor泡運移規律分析

Taylor泡是井筒內最大尺寸的氣泡。通過試驗發現，氣液兩相逆向流動下，段塞流所占流型圖區域較大，因此針對Taylor泡的運移速度隨井筒傾角、液相黏度的變化規律進行了詳細研究，得到了Taylor泡運移速度隨井筒傾斜角度、液相黏度及液相速度的變化曲線，如圖9所示。

由圖9可知，相同液相速度條件下，隨著傾斜角度增加，Taylor泡運移速度增大。產生這種現象的原因是：隨著傾斜角度增加，由于浮力的影響，Taylor泡向管壁處運移，氣泡形狀變為楔形，氣泡占據的井筒截面積減小，Taylor泡受到沿井筒軸線方向上的液相作用力減小，導致氣泡上升速度變快；在相同傾斜角度下，Taylor泡上升速度隨著液相速度的增加而減慢。這是由于隨著液相速度增加，Taylor泡受到沿井筒軸線方向上的液相作用力增大，導致氣泡上升速度減慢。隨著液相黏度增大，相同傾斜角度、液相速度條件下，井筒內Taylor泡運移速度減慢。這是因為液相黏度的增大使氣泡運移受到的黏性阻力增大。因此在壓回法壓井過程中，可適當提高液相黏度來抑制井筒內Taylor泡的上升，高效完成壓回法壓井施工，從而保障壓井的安全。

3.2壓回過程中流型轉化

氣液兩相逆向流動的特征為：井筒內液相向下流動，氣泡受到的浮力大于液相作用產生的拖曳力，此時氣相沿著井筒向上運移。然而能夠形成穩定的氣液兩相逆向流動的條件是：液相具有穩定向下的速度，氣相具有穩定向上的速度。壓回法壓井過程中，當液相速度增大到一定程度時，液相作用于氣泡的拖電力大于氣泡浮力，氣相和液相將會同時向下運移，即能夠順利將井筒內氣體壓回，否則壓井失敗。

3.2.1氣液逆向不同表觀氣液速度下的流型

壓回法壓井過程中，井筒內處于氣液兩相逆向流動狀態，井筒內流型隨著表觀氣液相速度（表觀氣液相速度是指進氣/液流量與管道橫截面積的比值）變化而改變，而在不同流型下氣泡壓回過程存在一定的差異，因此需要對壓回過程中的流型轉化進行研究。壓回過程中，井筒內出現的流型如圖10所示。從圖10可見，除了較為常見的泡狀流、段塞流和環狀流外，還出現了彈帽流。

彈帽流（見圖10b）是井筒內氣液逆向兩相流動下，泡狀流和段塞流之間的過渡。其主要存在于液相表觀速度較低的情況下，此時小氣泡沿井筒軸線方向上呈現非均勻分布。由于氣液兩相之間相對速度較小，小氣泡所受到的干擾程度較低，氣泡容易在其分布更為密集的區域碰撞聚并，形成尺寸較大的球頂氣泡。球頂氣泡尺寸小于Taylor泡，尺寸大多與井筒半徑相同。

3.2.2表觀氣液速度對流型轉化的影響

通過試驗發現，氣液兩相逆向流動條件下，井筒內流型演化特征隨氣相表觀速度 （v_sg） 、液相表觀速度（ （v_sl） ）的變化規律與氣液同向兩相流動條件下差異較大。具體表現為：

（1）液相表觀速度恒定的情況下，增大氣相表觀速度，井筒內氣泡尺寸將會增加，井筒內含氣體積分數增加，流型由泡狀流向彈帽流、段塞流轉化，如圖11所示。

（2）氣相表觀速度恒定的情況下，增大液相表觀速度，井筒內含氣體積分數變化呈現出與氣液兩相同向流相反的特征。氣液逆向流動下泡狀流隨液相表觀速度的變化如圖12所示。

從圖12可見：隨著液相表觀速度的增加，井筒內氣泡受到的拖曳力增大，上升速度減??；但由于液相速度的增加，氣泡的尾流效應仍會加劇。在這種情況下，盡管氣泡上升速度較小，但由于尾流的影響，氣泡在較高的震蕩頻率下將會不斷擺動，進而增大了氣泡碰撞聚并的概率，使氣泡平均尺寸增大。

4結論

（1）針對定向井壓回法壓井施工特點，設計并搭建了一套定向井壓回法壓井可視化模擬試驗裝置。該試驗裝置可以模擬壓回法壓井施工中氣液兩相逆向流動過程，監測壓井過程中井筒內氣泡的運移及流型的轉化，試驗完成后可通過處理得到壓井過程中氣泡運移速度，進而判斷能否壓井成功。

（2）逆流作用下，尺寸較大的氣泡分布在靠近井筒壁面處，小氣泡大多分布在井筒中心。相對于小氣泡，大氣泡更難壓回。大氣泡的壓回是壓回法壓井成功的關鍵。（3）隨著井筒向水平傾斜，小氣泡運移速度逐漸減慢，Taylor泡運移速度逐漸加快，逆流液速及液相黏度抑制氣泡上升。在壓回法壓井過程中，可適當提高液相黏度來抑制井筒內Taylor泡的上升，以高效完成壓回法壓井施工。（4）液相表觀速度不變，隨著氣相表觀速度的加快，流型由泡狀流向彈帽流、段塞流轉化；氣相表觀速度不變，隨著液相表觀速度的加快，泡狀流向彈帽流轉變。

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第一

作者簡介：任美鵬，高級工程師，生于1984年，2013年畢業于中國石油大學（北京）油氣井工程專業，獲博士學位，現從事鉆井設計及油氣井井控研究工作。地址：（100008）北京市朝陽區。電話：（010）84527925。email：renmp@cnooc.com.cn。通信作者：尹邦堂，教授。email：yinbangtang@163.com。

收稿日期：2024-07-02 修改稿收到日期：2024-10-20（本文編輯楊曉峰）