为保证气测实验数据的准确性, 需要充分模拟现场钻井过程中钻井液与地层油气在井筒内充分混合的环境, 在实验室条件下要确保气样与钻井液在实验管路中充分混合, 这就要求实验管路长度不能太短, 但考虑到室内条件无法满足过长的直管管道长度要求, 本实验装置采用螺旋管代替直管, 可以在室内条件下实现较长的管道长度。室内气测实验装置主要包括钻井液配制箱、搅拌器、水泵、气泵、螺旋管、直管、泄压阀、脱气器、脱气池、样品预处理器、氢气发生器、氢焰色谱仪、显示器等。

为保证气测实验装置中螺旋管代替直管的可行性, 分别采用直管和螺旋管开展混合气样和甲烷气样气测实验, 为防止实验数据偶然性, 各条件下均开展3组实验。通过对比两种管道条件下的气测全烃数据, 验证螺旋管可行性。需要指出的是, 螺旋管长度大于直管, 但螺旋管在竖向上的高度与直管相同, 以确保烃类气体沿竖向（井筒方向）运移的距离相同。

如图1所示, 在其他参数均保持一致的条件下, 混合气样和甲烷气样在直管条件下的全烃检测值均小于在螺旋管条件下的全烃检测值。其中, 实验选用的混合气样中各烃类气体含量分别为甲烷10.2%、乙烷2.51%、丙烷2.56%、正丁烷2.51%、异丁烷2.52%、正戊烷0.213%、异戊烷0.215%, 甲烷气样中甲烷的浓度为99.99%。通过对比两种管道类型下混合气样和甲烷气样的全烃检测值与气样浓度可知, 螺旋管条件下的全烃检测值更高, 更接近实际值, 验证了气测实验装置中以螺旋管代替直管是可行的。

图1

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	图1 不同管道类型下全烃检测值对比

气液两相流中, 不同的流量、压力、管路布置状况和管道几何形状都会造成相界面的形状（分布）不同, 即形成不同的气液两相流流型。不同流型具有不同的压力、流量、传热特征等, 不考虑流型变化的流动参数计算是不可靠的。因此, 气液两相流流型是气液两相流研究的基础^[23]。

如图2所示, 垂直上升管内气液两相流流型通常分为泡状流、弹状流、段塞流、环状流和雾状流5类^[24]。（1）泡状流, 气相主要以圆形小气泡的形式在液相中分布, 且分布在井筒中央的气泡多于管壁附近的气泡（图2a）; （2）弹状流, 小气泡逐渐融合或者膨胀变大, 形成一些大小不一、外形类似子弹的上端凸起的气泡（图2b）; （3）段塞流, 子弹状气泡再次增大, 形成直径接近管柱内径的柱塞状气泡（图2c）; （4）环状流, 在管柱中心形成类似圆柱形的气芯, 并带动附着在管壁上的一层液体膜向上流动（图2d）; （5）雾状流, 管柱中央的气芯占据了管柱的主要空间, 液相以小液滴或者雾状的形态跟随气相流动（图2e）。

图2

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	图2 垂直上升管内气液两相流流型示意

实验装置中所设计的螺旋管直径为50 mm、螺旋半径为1 m、螺旋导程为0.4 m、螺旋管总高度为2.5 m、螺旋管总长度为30 m。在Fluent软件中建立与上述螺旋管参数相同的螺旋管几何模型, 所建螺旋管几何模型如图3a所示。采用四面体网格对所建数值模型进行网格划分, 考虑到管壁附近的流体流动受到管壁影响, 在管壁添加了3层边界层对网格进行加密。通过网格质量评定系数评价网格划分质量, 系数为1时, 表明网格质量最好, 系数为0时, 表明网格质量最差, 根据经验, 应使系数平均值不低于0.7。所建数值模型网格质量评定系数平均值0.717, 据此认为网格划分质量可以满足计算需要。网格质量评定系数柱状图如图3b所示。

图3

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	图3 螺旋管几何模型及网格质量评定系数柱状图

利用上述螺旋管数值模型开展数值模拟计算, 获取了实验装置同参数螺旋管模型下不同流型的数值模拟结果。图4a所示管内液相为连续相, 在连续液相中无规则分布着小气泡, 属于泡状流; 图4b所示管内小气泡聚集成尺寸较大的气泡继续在连续液相中流动, 属于弹状流; 图4c所示管内气泡尺寸进一步增大至接近螺旋管直径, 属于段塞流; 图4d所示管内气相在管道中心连续流动, 液相在管道壁面处连续流动, 属于环状流; 图4e所示管内气相为连续相, 在连续气相中无规则分布着小液滴, 属于雾状流。根据上述螺旋管道的数值模拟结果, 获取螺旋管内各流型的产生条件如表1所示。

图4

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	图4 螺旋管内各流型模拟结果

表1

表1

表1 螺旋管内各流型产生条件 气液两相流流型 气相流速/（m· s-1） 液相流速/（m· s-1） 泡状流 1 10 弹状流 1 2 段塞流 2.5 1 环状流 8 0.5 雾状流 10 0.1

表1 螺旋管内各流型产生条件

利用气测实验装置开展第一组气测实验, 为防止实验偶然性引起的误差, 同等条件下各开展3组实验。通过上述实验, 获取不同流型（泡状流、弹状流、段塞流、环状流和雾状流）对气测数据的影响规律。

如图5a所示, 全烃检测值随流型变化（泡状流→ 弹状流→ 段塞流→ 环状流→ 雾状流）而增大。尽管全烃检测值均随流型变化而增大, 但如图5b所示, 不同流型转变所引起的全烃检测变化值存在较大差异, 具体表现为：段塞流→ 环状流（0.58%）> 泡状流→ 弹状流（0.37%）> 环状流→ 雾状流（0.16%）> 弹状流→ 段塞流（0.15%）。全烃检测变化值越大, 表明流型转变对全烃检测值的影响越大, 即对气测数据的影响越大。

图5

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	图5 不同流型变化对气测数据影响规律

利用气测实验装置开展第二组气测实验, 为防止实验偶然性引起的误差, 同等条件下各开展3组实验, 获取不同流型下钻井液密度对气测数据影响的变化规律。

如图6a所示, 不同流型下全烃检测值均随钻井液密度增大而减小, 且当钻井液密度在1.05~1.40 g/cm³之间变化时, 全烃检测值变化幅度较大, 当钻井液密度在1.40~1.60 g/cm³之间变化时, 全烃检测值变化幅度较小。同时, 由图6a也可以看出, 尽管各流型下全烃检测值均随钻井液密度增大而减小, 但流型变化对全烃检测值变化幅度也有所影响。

图6

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	图6 不同流型下钻井液密度对气测数据影响规律变化

本文定义全烃检测值随钻井液密度变化的平均变化率为全烃检测值变化量与钻井液密度变化量的比值, 平均变化率越大, 表明此流型下钻井液密度对全烃检测值的影响程度越高。如图6b所示, 不同流型下全烃检测值随钻井液密度变化的平均变化率存在较大差异, 具体表现为：泡状流6.89%/（g· cm^-3）> 弹状流6.32%/（g· cm^-3）> 段塞流6.11%/（g· cm^-3）> 环状流5.61%/（g· cm^-3）> 雾状流5.41%/（g· cm^-3）, 即钻井液密度对气测数据的影响程度随流型变化（泡状流→ 弹状流→ 段塞流→ 环状流→ 雾状流）而降低。

利用气测实验装置开展第三组气测实验, 为防止实验偶然性引起的误差, 同等条件下各开展3组实验, 获取不同流型下钻井液粘度对气测数据的影响规律变化。

如图7a所示, 不同流型下全烃检测值均随钻井液粘度增大呈现先增大后减小的变化趋势, 且全烃检测值达到最大值前的变化幅度大于达到最大值后的变化幅度。另外, 由图7a可以看出, 尽管各流型下全烃检测值均随钻井液粘度增大呈现先增大后减小的变化趋势, 但流型变化对达到全烃检测最大值对应的钻井液粘度值有所影响。

图7

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	图7 不同流型下钻井液粘度对气测数据影响规律变化

全烃检测最大值对应的钻井液粘度值越大, 表明此流型下钻井液粘度对全烃检测值的影响灵敏度越低。如图7b所示, 不同流型下达到全烃检测最大值对应的钻井液粘度值存在较大差异, 具体表现为：泡状流61.24 s< 弹状流67.49 s< 段塞流69.76 s< 环状流76.83 s< 雾状流79.17 s, 即钻井液粘度对气测数据的影响灵敏度随流型变化（泡状流→ 弹状流→ 段塞流→ 环状流→ 雾状流）而降低。