欠平衡钻井水平环空两相流对流传热系数实验研究

张楠，冯松林，毕雪亮，陈勋，于晓文，刘珊珊（.东北石油大学提高油气采收率教育部重点实验室，黑龙江 大庆 6338；.中国石油长庆油田分公司第六采油厂，陕西 榆林 79000）



欠平衡钻井水平环空两相流对流传热系数实验研究

张楠1，冯松林2，毕雪亮1，陈勋1，于晓文1，刘珊珊1
（1.东北石油大学提高油气采收率教育部重点实验室，黑龙江 大庆 163318；2.中国石油长庆油田分公司第六采油厂，陕西 榆林 719000）

欠平衡钻井流体一般是气液两相混合流体，温度是欠平衡钻井井底压力控制的重要影响因素之一，研究两相流对流传热对准确预测欠平衡钻井环空温度有重要意义。前人对气液两相流对流传热进行了不少实验研究，但他们的实验都是研究管内流动，且管径较小（20～35 mm），这与欠平衡钻井所处的实际条件有很大的出入。文中进行了大管径水平环空气液两相流对流传热实验研究，分别改变气相流量、液相流量得出不同气、液雷诺数下的环空两相流对流传热系数。分析数据可以得出，气体雷诺数对偏心环空两相流对流传热系数的影响不大，但液体雷诺数是影响该对流传热系数的主要因素。又通过与相同流量下小管径（25.4 mm）、管内流动的气液两相流对流传热系数（Kim实验数据）进行对比得出，在气液雷诺数一致的条件下，气液雷诺数对两相流对流传热系数影响趋势基本一致，但文中实验所测得的对流传热系数小于Kim所测得的实验结果。该实验研究结果对欠平衡钻井井底压力的控制有着重要的指导意义。

欠平衡钻井；水平井；气体雷诺数；液体雷诺数；对流传热系数

0　引言

中国西北地区的克拉玛依、塔里木等油田有着大量的低压、低渗透裂缝性油藏，储层类型多为裂缝-孔隙型双重介质。常规钻井时，多次发生恶性井漏，采用多种堵漏技术均无法正常钻进，既对油层造成了严重污染，又影响了油田开发的综合效益。面对这种难题，采用欠平衡钻井方式可以较好地解决钻井液漏失、油层污染及影响产能等要害问题［1-4］，有利于保护、发现和正确评价油气资源。在低压油气区内的详探井、扩边井应用欠平衡钻井工艺，效果十分明显。在欠平衡钻井过程中，钻井液与地层之间存在温度差，钻井液与地层发生热交换，具体表现为钻井液、地层温度不断变化。因此，井筒温度场是一个非稳态变化过程，但最终会达到一个基本平衡的状态［5-6］。

井筒温度分布是影响井底压力的主要因素之一，因此研究两相流对流传热系数是十分必要的［7-8］。国内外一些学者都对两相流传热问题进行了实验研究，但他们的实验结果都是基于小管径（20～35 mm）管内流动而得出的。Barnea等［9］对垂直管道的气液两相流传热进行了研究，得出了一个基于段塞流特征传热分析的数学模型；Hetsroni等［10-11］对水平管道和倾斜上升管道进行了研究，用弗劳德数来展示结果，并且分析弗劳德数的改变对管道内对流传热的影响；Trimble等［12］对段塞流的对流传热进行了研究，而且通过改变管道的倾斜程度来探讨管道在水平、倾斜2°和倾斜5°条件下对管道内两相流对流传热的影响。Kim等［13-15］对两相流对流传热系数进行了实验研究，分别得出了对流传热系数与气体雷诺数、液体雷诺数的关系图。但该实验装置为管内流动，管径较小（25.4 mm），而且没有对进口流体的加热装置（流体温度很难控制），即该装置不适用于实际工况下的欠平衡钻井。本文在前人研究的基础上，结合欠平衡钻井实际条件，通过实验研究大管径水平环空气液两相流对流传热，定性分析了气、液雷诺数对充气钻井水平井段对流传热系数的影响。

1　实验装置

实验装置主要是由液相调控系统、气相调控系统、气液混合装置、测试装置、数据处理系统等构成（见图1）。

图1　水平环空两相流对流传热实验装置

1.1液相调控系统

液相调控系统如图2所示。供水装置主要由0.84 m3的水槽1和水槽2提供。水槽1与环空构成闭合回路，水槽2与偏心内管构成闭合回路，水被离心泵从水槽中泵入到液体输入管线中。离心泵采用的型号为DF型不锈钢多级离心泵，可以产生实验所需求的液体流量（0.15～0.18 m3/min），并因液体流量的改变而获得实验所需求的流型。液体调控系统在分离器和水槽1之间又构成了一个闭合回路，在回路管线上有一个流量调节阀，主要作用是通过控制流回水槽液体的流量来实现控制流体从分离器流出的流量。热交换器主要有2个作用——去除泵热和保持水温恒定。从热交换器流出的水应进入流量计，但在流量计的流入与流出位置安装绕过其本身的管道，目的是为了确保流量计的使用寿命。因为一旦气体进入流量计里，会导致压力突变，这样与流量计相通的阀就会自动关闭，水进入绕过流量计的管道，从而确保流量计的使用性能和寿命。本研究所用的液体流量计为HQLWGY液体涡轮流量计。为了描述流量计的工作情况，数字发射器被安置在液体涡轮流量计上，主要作用是显示质量流量、体积流量、流体密度和温度等信息。从流量计流出的水经过一个12 r/min的闸式阀，它的作用是调节进入测试段流体的流量。

图2　液相调控系统

1.2气相调控系统

气相调控系统如图3所示。该系统采用GA-61静音空气压缩机，通过提供空气流以实现在测试段出现不同的两相流流型。空气压缩机最好离实验装置有一定距离，因为它工作时会产生振动，以致影响实验结果。空气一旦被空气压缩机吸入，便被输送到铜管中，铜管浸没在流动的恒温水流中，目的是冷却空气以达到实验室所需求的温度，即进入测试段气体的温度与液体温度相同。采用LWQ气体智能漩涡流量计，在流量计上安装数字发射器，其作用与液相调控系统的数字发射器作用一致，通过它显示质量流量、体积流量、流体密度和温度等信息。

图3　气相调控系统

1.3气液混合装置与测试装置

如图1所示，气液混合装置位于顺着流体流动方向测试装置的前端，气液2种流体同时进入混合装置，注气的玻璃管线直径为75 mm，注液的玻璃管线为60 mm。

混合充分后，混合流体进入测试装置（见图4）。测试装置由玻璃制的内、外管构成，内管直径为120 mm，外管直径为200 mm。为了达到传热的效果，内管流体入口温度设置为30℃，环空流体入口温度设置为25℃，室内温度在20℃左右。

图4　测试装置

2　对流传热系数计算方法

由于同一圆周截面上的对流传热系数有较大的差异，为了得到准确的对流传热系数值，测试段沿圆周安装4个热电偶极点，分别测量其对应邻近区域的温度。本实验装置所求得的总对流传热系数同时考虑环空流体与外管内壁之间的对流传热和环空流体与内管外壁之间的对流传热，分别求得其对应的对流传热系数之后，再用平均法求得两相流的总对流传热系数。计算公式为

式中：htp为对流传热系数，W/（m2·K）；L为测试段长度，m；为单个热电偶极点处的平均对流传热系数，W/（m2·K）；为单个热电偶极点处的平均热通量，W/ m2，可根据热平衡方程求解；为单个热电偶极点处壁面的平均温度，K；为单个热电偶极极点处流体的温度，K；Nst为热电偶极点的总个数；Δz为每个热电偶极点的测距，m；k为热电偶极点的序号；z为轴向坐标。

3　实验数据与分析

通过控制气、液流量，可以获得气体雷诺数（Resg）、液体雷诺数（Resl）对对流传热系数的影响。由充气欠平衡钻井气液流量组合窗口可知，气体注入流量应控制在2.8～11.3 m3/min，液体注入流量应控制在0.45～1.28 m3/min，分别得到气体雷诺数和液体雷诺数对对流传热系数的影响（见表1、表2），并且与相同流量下小管径（25.4 mm）、管内流动的气液两相流对流传热系数（Kim实验数据）进行了对比，结果如图5所示。

当液体雷诺数一定时，两相流对流传热系数随着气体雷诺数的增加而增加，但增加幅度并不是很大（见图5a）。因此，气体雷诺数并不是影响充气钻井环空偏心井段两相流对流传热系数的主要因素。由本实验数据与Kim实验数据对比可知，Kim所测的实验数据值高于本实验数据值，但变化趋势基本保持一致。

气体雷诺数一定时，两相流对流传热系数随着液体雷诺数的增加而增加，呈线性增加，且增加幅度较大（见图5b）。因此，液体雷诺数是影响充气钻井环空偏心井段两相流对流传热系数的主要因素。由本实验数据与Kim实验数据对比可知，Kim所测的实验数据值高于本实验数据值，但变化趋势基本保持一致。

表1　气体雷诺数对对流传热系数的影响

表2　液体雷诺数对对流传热系数的影响

图5　本实验数据和Kim实验数据的对比

管径和流速是影响两相流对流传热系数的主要因素，即两相流对流传热系数随管径和流速的增大而增大。相同雷诺数下大管径的流速小，而流速对两相流对流传热系数影响的比重大于管径对其影响的比重，因而会出现本实验数据低于Kim实验数据的结果。

4　结论

1）气体雷诺数不是影响欠平衡钻井环空水平井段两相流对流传热系数的主要因素。

2）液体雷诺数是影响欠平衡钻井环空水平井段两相流对流传热系数的主要因素。

3）流速对两相流对流传热系数影响的比重大于管径对其影响的比重。

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（编辑赵卫红）

Experimental study on heat transfer coefficient of two-phase flow of horizontal annulus for underbalanced drilling

Zhang Nan1，Feng Songlin2，Bi Xueliang1，Chen Xun1，Yu Xiaowen1，Liu Shanshan1
（1.MOE Key Laboratory of Enhanced Oil Recovery，Northeast Petroleum University，Daqing 163318，China；2.No.6 Oil Production Plant，Changqing Oilfield Company，PetroChina，Yulin 719000，China）

Underbalanced drilling fluid is generally a two-phase mixture of gas-liquid.Temperature is one of the important affecting factors for bottom-hole pressure control during underbalanced drilling；therefore the study of convective heat transfer of two-phase flow is significant to accurately predict annulus temperature of underbalanced drilling.Predecessors have done some experimental studies on convective heat transfer of two-phase mixture of gas-liquid，but their experiments are based on pipe flow and small pipe diameter（20-35 mm），which is very different from actual conditions of underbalanced drilling.This paper discusses gas-liquid twophase convective heat transfer with large diameter and horizontal annulus，the different convective heat transfer coefficients of eccentric annulus can be obtained by respectively changing gas flow rate and liquid flow rate.The conclusion is that gas Reynolds number has little effect on heat transfer coefficient of two-phase of eccentric annulus，however，liquid Reynolds number is the main effecting factor；experimental data of this study are smaller than those measured by Kim under the same gas or liquid Reynolds number，however they have the same trend.The results of experiment have important directive significance to bottom hole pressure control of underbalanced drilling.

underbalanced drilling；horizontal well；gas Reynolds number；liquid Reynolds number；convective heat transfer coefficient

国家自然科学基金项目“基于热质流耦合的深层欠平衡钻井井筒温度场和压力场分布规律研究”（51374077）

TE21

A

10.6056/dkyqt201601028

2015-08-08；改回日期：2015-10-16。

张楠，男，1991年生，在读硕士研究生，研究方向主要为欠平衡钻井传热与环空压力分布。E-mail：1035579895@qq.com。

引用格式：张楠，冯松林，毕雪亮，等.欠平衡钻井水平环空两相流对流传热系数实验研究［J］.断块油气田，2016，23（1）：125-128.

Zhang Nan，Feng Songlin，Bi Xueliang，et al.Experimental study on heat transfer coefficient of two-phase flow of horizontal annulus for underbalanced drilling［J］.Fault-Block Oil&Gas Field，2016，23（1）：125-128.