張 潔，劉 寧，陳 剛

（西安石油大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，陜西 西安 710065）

隨著鉆井工作的不斷深入發(fā)展以及鉆井工藝水平的不斷提高[1]，越來越多的鉆井作業(yè)實踐表明鉆井液在保障鉆井井下安全、穩(wěn)定井壁、提高鉆速、保護儲層等方面有重要作用[2]。而目前在對鉆井液性能進行評價的過程中，大多數(shù)鉆井液評價儀器與設(shè)備均未能考慮環(huán)空流速、井壁沖刷、井下溫度、壓力等因素對鉆井液性能的影響。在實際鉆井工作中，鉆井液總是以一定的流速在環(huán)空中循環(huán)流動，其在鉆頭、環(huán)空處受到不同速率的剪切，使得鉆井液各組分相互作用形成的微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，而這些微觀結(jié)構(gòu)的變化直接影響到鉆井液的傳質(zhì)傳熱特性，進而對鉆井工作產(chǎn)生影響[3]。鉆井液動態(tài)模擬裝置可以將油田現(xiàn)場的井況在實驗室里模擬出來，將現(xiàn)場“搬進”實驗室，消除了對生產(chǎn)井的依賴，一些鉆井液新技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用可以先期在模擬裝置上應(yīng)用，極大地節(jié)省了科研成本，對油田化學(xué)新技術(shù)的開發(fā)有很大價值[4]。在實驗室中使用同樣組分的鉆井液在模擬地下真實情況的動態(tài)循環(huán)模擬裝置中進行試驗，對于獲得鉆井液的各項性能指標，優(yōu)選出性能優(yōu)良的鉆井液體系以及實現(xiàn)安全、高效的鉆井起到十分重要的作用。

1 模擬實驗裝置的設(shè)計理論

實際水力工程中的水力現(xiàn)象非常復(fù)雜，如建設(shè)龐大的水利工程、鉆井液循環(huán)等，僅靠理論分析對工程中的水力學(xué)問題進行求解存在許多困難，必須通過理論分析、數(shù)值計算與模擬實驗相結(jié)合的方法加以解決。由于實物的尺寸較大，在實物上進行實驗會耗費大量的人力和物力，所以要把所需研究的對象制作成各種比尺（一般是縮小）的模型，利用模型進行試驗研究重演與原型相似的現(xiàn)象。相似原理則是模型試驗的理論依據(jù)，也是分析水力學(xué)問題的有效方法，因此必須對模型試驗的原理和方法有全面的認識。

1.1 相似性

為使模型流動能表現(xiàn)出原型流動的主要現(xiàn)象和特性，并從模型流動上預(yù)測出原型流動的結(jié)果，就必須使兩者在流動上相似。根據(jù)相似原理，兩相似流動應(yīng)滿足幾何相似、運動相似、動力相似。“幾何相似”中原型與模型中對應(yīng)的幾何線形尺寸成比例，對應(yīng)的幾何角度相等；“運動相似”中原型與模型中對應(yīng)的運動參數(shù)如速度、加速度方向一致，大小成比例[5]?！皠恿ο嗨啤笔窃团c模型中對應(yīng)點處受力方向相同，大小成比例[6]。幾何相似是運動相似和動力相似的前提和依據(jù)，動力相似是決定兩流動相似的主導(dǎo)因素，運動相似則是幾何相似和動力相似的表象。

以Fn表示原型中某點上的力，以Fm表示模型中對應(yīng)點上的力，則力的比值為：δ=δpδ12δv2，由公式表述為：

式中，ρn、ρm分別為原型與模型中研究對象的密度，ln、lm分別為原型與模型中研究對象的長度，vn、vm分別為原型與模型中研究對象的速度。

1.2 相似準則

動力相似可以用相似準數(shù)表示，若原型和模型流動動力相似，則各同名相似準數(shù)均相等。要達到主要動力相似就應(yīng)該根據(jù)所研究或所需解決的原型流動的性質(zhì)來決定，根據(jù)流動的性質(zhì)來選取決定性相似準數(shù)。以決定性相似準數(shù)來判斷是否滿足了主要動力相似，只要滿足了決定性相似準數(shù)相等，就滿足了主要動力相似，抓住了解決問題的實質(zhì)。

1.2.1 雷諾數(shù)相似

雷諾數(shù)是牛頓數(shù)相等的一個特例，其物理意義為慣性力和黏性力的比。要保證動力相似，則原型和模型上對應(yīng)點處慣性力和黏性力的比值必須是相同的[7]，即：

以 Re 表示，亦可寫成：Ren=Rem。

適用范圍：常用在物體完全淹沒在流體中或完全封閉的流動（如鉆井管路鉆井液流動，僅需計入慣性力和黏性力）。

1.2.2 歐拉數(shù)相似

對于鉆井管路，壓力是主要參考因素之一，可以考慮選擇歐拉數(shù)相似模擬。歐拉數(shù)相似模擬側(cè)重于對部分井段的模擬，是因為歐拉數(shù)的計算是基于實際工況中某段井身結(jié)構(gòu)得出來的。同時，歐拉數(shù)相等也是牛頓數(shù)相等的一個特例，其物理意義為壓力與慣性力之比。要保證動力相似，則原型和模型對應(yīng)點處歐拉數(shù)必須相同，即：

以Eu表示，亦可寫成：Eun=Eum。

適用范圍：在研究淹沒在流體中的物體表面上的壓力或壓強分布時，壓力成為起主要作用的力。

1.2.3 弗雷德數(shù)相似

弗雷德數(shù)相等也是牛頓數(shù)相等的一個特例，其表示慣性力和重力之比，反映了流體流動中重力所起的影響程度[8]。要保證 動力相似，則原型和模型對應(yīng)點處弗雷德數(shù)必須相同，即：

以Fr表示，亦可寫成：Frn=Frm。

適用范圍：凡有自由水面并且允許水面上下自由變動的各種流動（重力起主要作用的流動）。

2 鉆井液常規(guī)模擬實驗裝置

隨著鉆井液在鉆井作業(yè)和油氣層保護中起到越來越重要的作用，研究人員越來越重視鉆井液模擬裝置的研究，并針對鉆井作業(yè)過程中鉆井液的流變性能、潤滑性能、攜巖性能、井壁穩(wěn)定等問題，研制了具有不同功能的常規(guī)鉆井液模擬裝置。目前常規(guī)API濾失量測定儀僅可以測量出一定條件下鉆井液的靜濾失量及所形成濾餅的厚度。考慮到鉆井液流速和流態(tài)的影響，動濾失量對現(xiàn)場鉆井作業(yè)過程具有更大的參考價值[9]。國外較早地對動態(tài)濾失模擬實驗裝置進行了研究[10]，利用錐形裝置對濾餅表面進行剪切作用從而模擬鉆井液流動狀態(tài)，測量不同剪切速率下鉆井液的動濾失量。郭東榮等研制了可以模擬井下溫度、鉆井液壓力與地層壓力之差以及鉆井液對井壁的剪切作用的高溫高壓鉆井液動濾失模擬裝置[11]。該模擬裝置的壓差由建立在巖芯座或濾紙座兩端的壓力差實現(xiàn)，最大壓差為8MPa；溫度模擬由加熱套實現(xiàn)，控溫范圍為室溫至180℃；通過電機帶動錐形轉(zhuǎn)子實現(xiàn)剪速模擬，來模擬鉆井液對井壁的沖刷作用。他們利用該裝置研究了剪速、壓差、溫度等因素對泥漿動濾失性能的影響，研究發(fā)現(xiàn)鉆井液的動濾失與靜濾失不同，動態(tài)情況下濾失形成的濾餅薄而韌，且滲透率小。王健等設(shè)計了一種新型高溫高壓可視砂床濾失儀[12]， 該裝置采用濾失筒、加壓裝置及加熱裝置，實現(xiàn)了模擬現(xiàn)場濾失的壓力、溫度及地層情況，使得試驗數(shù)據(jù)更加逼近真實，分析處理結(jié)果也具有更高的參考價值。

井漏是鉆井過程中普遍存在的問題，而且可能造成井塌、卡鉆、井噴等其它井下復(fù)雜情況和重大事故，對鉆井工作危害極大。針對國內(nèi)外現(xiàn)有的API室內(nèi)靜態(tài)堵漏評價實驗裝置的漏床和縫板的位置和結(jié)構(gòu)不合理，不能真實地模擬漏失地層的實際情況，而且鋼珠漏床試驗和縫板試驗不能同時進行等問題，余維初等研制了新型智能高溫高壓動態(tài)堵漏評價系統(tǒng)[13]，可有效解決上述問題。該模擬裝置能夠模擬地層壓力、溫度及鉆井液流速，可調(diào)節(jié)溫度范圍為室溫至150℃，工作壓力為0～20MPa；能夠通過靜態(tài)狹縫實驗和動態(tài)狹縫實驗評價堵漏材料對人造裂縫和漏床的堵漏效果，并測量封堵層的最大承載能力及返排壓力等，從而篩選出具有優(yōu)良堵漏效果并對地層損害小的堵漏劑。針對復(fù)雜地質(zhì)條件、超深井鉆井作業(yè)，竇斌等設(shè)計了一套模擬漏失地層堵漏實驗裝置[14]，該裝置主要由加壓系統(tǒng)、模擬漏失地層、堵漏液容器以及溫度控制系統(tǒng)等部分組成。該模擬裝置可以模擬井下高溫高壓、地層性質(zhì)、地層開啟壓力，模擬常規(guī)漏失地層以及真實漏失地層，用于評價流體循環(huán)狀態(tài)下鉆井液的堵漏效能，為堵漏劑優(yōu)選、鉆井液堵漏效能評價及堵漏工藝設(shè)計提供了實驗參考。

在鉆井過程中，鉆井液常常會對油氣田儲層造成損害。為了達到油氣開采目的，應(yīng)盡量預(yù)防和減少對油氣層的損害。目前常規(guī)的室內(nèi)研究方法主要是通過儲層巖芯或標準巖芯流動實驗來研究巖芯損害的程度和機理。王永恒等研制了MFC-Ⅰ型高溫高壓多功能組合損害評價系統(tǒng)[15]，可用于評價水平井鉆井過程中儲層特性、浸泡時間和鉆具偏心等條件因素對儲層損害的影響，優(yōu)點是能夠同時進行多個巖芯實驗。劉洪亮等研制了高溫高壓動態(tài)損害評價系統(tǒng)[16]，該系統(tǒng)能夠模擬井下高溫高壓和鉆井液的動態(tài)循環(huán)過程。此外該系統(tǒng)具有微機跟蹤顯示和自動采集數(shù)據(jù)的功能，提高了實驗測試精度。

3 鉆井液循環(huán)模擬實驗裝置

在石油鉆井試驗及研究中，由于現(xiàn)場鉆井井下的隱蔽性和復(fù)雜性，現(xiàn)場試驗并不是完全理想的、經(jīng)濟的和科學(xué)的試驗方法[17]。研究人員研制的鉆井液模擬裝置只能對鉆井液動態(tài)性能進行局部模擬，但是在實際鉆井作業(yè)過程中，鉆井液總是以一定的環(huán)空流速在井下環(huán)形空間內(nèi)不斷地流動。針對上述問題，相關(guān)科研人員為考察井下高溫高壓環(huán)境下循環(huán)鉆井液的流動特性、攜巖特性、濾失性能等性能的機理與特點，研制了一系列鉆井液循環(huán)模擬實驗裝置。

3.1 常溫常壓可視實驗裝置

該系列實驗裝置一般由透明的有機玻璃制作模擬循環(huán)井筒，其優(yōu)點是循環(huán)可視性好，能夠清楚地觀察井筒內(nèi)部情況，譬如鉆井液攜帶巖屑、鉆屑堆積、運移方式等，對研究鉆井液的流動特性、攜帶出巖屑的最低上返速度以及巖屑床的形成機理和控制方法具有較好的效果[18]。

其中較為典型的是水平井鉆井液攜屑模擬實驗裝置[19]，該試驗井筒總長為10m ，有效測試長度可達6m。主測試管是由內(nèi)徑為120mm的有機玻璃外筒和外徑為73mm的金屬內(nèi)管組成，有機玻璃外筒與內(nèi)管兩端靠法蘭盤聯(lián)結(jié)密封，內(nèi)管通過軸承與油馬達及管架聯(lián)結(jié)，通過調(diào)節(jié)法蘭盤及油馬達可以實現(xiàn)內(nèi)管偏心度及轉(zhuǎn)速的變化，裝置底座通過鉸接連接在滑輪和起升架上，通過控制起升按鈕，可使整個裝置沿起落軌道實現(xiàn)井斜角 0°～90°范圍內(nèi)變化調(diào)節(jié)，循環(huán)用巖屑是通過連接在上水管線上的特制加砂裝置加入的。

王志中等人利用研制的井筒攜砂實驗裝置[20]，模擬一定砂粒配比下不同井型中的攜砂情況。該井筒攜砂實驗裝置的攜砂管內(nèi)徑為65mm，設(shè)計管體可以傾斜至需要的角度，并可通過節(jié)流閥調(diào)節(jié)流量。謝賓等人研制出水平井井筒連續(xù)油管沉砂攜帶與孔眼分流室內(nèi)模擬實驗裝置[21]，該裝置以可視井筒為核心，井筒內(nèi)具有與現(xiàn)場實際一致的射孔參數(shù)，能模擬水平井井筒內(nèi)替液、沖砂、攜砂以及液體在水平井段孔眼中的分流、排液等方面的研究工作。曹品魯?shù)热嗽O(shè)計了空氣泡沫鉆井模擬試驗裝置[22]，該模擬裝置設(shè)計了與井身結(jié)構(gòu)相似的環(huán)形空間，盡量真實模擬鉆井工況。模擬井筒結(jié)構(gòu)尺寸根據(jù)相似原理進行設(shè)計，由內(nèi)外2層管組成封閉流動系統(tǒng)，內(nèi)筒為不銹鋼鋼管，外筒為透明的有機玻璃管，能夠直接觀察泡沫的流動狀態(tài)。為簡化試驗裝置結(jié)構(gòu)僅進行常溫低壓下的測試，同時該試驗裝置具有良好的功能擴展能力。董長銀等人在考慮地層濾失、井筒傾斜、篩管偏置等特殊情況下，建立水平井及大斜度井管內(nèi)礫石循環(huán)充填試驗?zāi)M裝置[23]。其中主體井筒模擬裝置是該試驗系統(tǒng)的核心，采用透明耐壓材料制成，內(nèi)徑140mm，外徑200mm，長5.5m，耐壓1.2MPa，井筒起升系統(tǒng)用于調(diào)整井筒傾角（0°～30°）。

尤源結(jié)合相似原理和鉆井液水力學(xué)原理，設(shè)計并制作了一套動態(tài)模擬鉆井液循環(huán)流動的實驗裝置用于試驗、教學(xué)和研究[24]。該裝置采用有機玻璃進行制作，可以模擬井筒中巖屑的攜帶和懸浮、地層中鉆井液的濾失造壁、鉆井液固相沉降分離、添加劑連續(xù)加入及混合等。實驗裝置操作范圍：溫度＜50℃，壓力＜0.5MPa，環(huán)空流速0～20cm·s-1，模擬巖屑顆粒粒徑0.25～2mm。孟祥交在原有復(fù)相鉆井液循環(huán)模擬裝置的基礎(chǔ)上，研究了氣液分離條件與氣液分離效能的關(guān)系，同時研制出改進的氣液分離器并新設(shè)計制作了管柱式氣液旋流分離器，研究了復(fù)相鉆井液流體流量、氣流量、流體黏度對改進的氣液分離器和管柱式氣液旋流分離器分離效能的影響[25]。該系列裝置的主要缺點是溫度和壓力不能模擬井下真實情況，鉆井液的流變性與實際情況有很大的差別。

3.2 高溫高壓不可視實驗裝置

高溫高壓不可視實驗裝置一般由耐壓能力較強的鋼化結(jié)構(gòu)作為循環(huán)井筒，同時配制加溫系統(tǒng)，其優(yōu)點是能夠模擬井下溫度和壓力，與井下情況接近，其實驗數(shù)據(jù)較真實可靠。國內(nèi)較典型的是張振華等人根據(jù)以往對氣液兩相流體在鉛直管路中的壓力梯度或壓差及有關(guān)參數(shù)等問題的研究所使用的試驗裝置（有機玻璃管路）多數(shù)耐壓和耐溫能力有限的情況，研制了一套高溫高壓流動試驗裝置，對可循環(huán)微泡沫鉆井液在高溫高壓條件下的流動規(guī)律進行了試驗研究[26]。該可循環(huán)微泡沫鉆井液高溫高壓流動試驗裝置試驗管段是由外徑為14.2mm的內(nèi)管和內(nèi)徑為25mm的外管組成的環(huán)形空間流道，最高試驗壓力為18MPa，最高試驗溫度為245℃。試驗管路的壓力、壓降、溫度等參數(shù)均由壓力壓差變送器和溫度傳感器直接測得。

Tulsa大學(xué)利用“鉆井技術(shù)研究項目”中的鉆井過程模擬設(shè)備[27]，研究了小尺寸巖屑難于攜帶或容易攜帶的原因與條件，以及巖屑尺寸、鉆桿旋轉(zhuǎn)速度、鉆井液的流變性、井斜角等因素對巖屑攜帶的影響程度，同時在水平井套管環(huán)空中模擬井下條件對泡沫輸送巖屑開展了實驗性研究[28]，旨在模擬井下條件對泡沫輸送巖屑進行研究以準確獲取井底壓力和預(yù)測ECD。該系列裝置的缺點是它的不可視性，不利于微觀機理深入研究，其試驗結(jié)果有時不能從微觀上給予詳細解釋。

3.3 相對高壓可視實驗裝置

相對高壓可視實驗裝置可視且耐一定的壓力，可以真實模擬鉆井液在井下工作狀態(tài)，為鉆井液性能研究提供了新的研究手段。由美國賓夕法尼亞大學(xué)S.B. Supon等人在1991年設(shè)計完成了空氣鉆井模擬裝置[29-31]，該裝置是用來模擬干空氣鉆井作業(yè)，通過用粗砂和細砂兩種不同粒徑的砂粒相混，以模擬旋轉(zhuǎn)鉆井中巖屑進入井筒情況。砂和空氣混合物進入環(huán)空底部，再經(jīng)環(huán)空流動到設(shè)備頂部，由漩流分離器將砂和空氣分離開來，空氣放入大氣，砂粒通過漏斗再次進入循環(huán)系統(tǒng)。該裝置能夠較好地研究干空氣運移鉆屑的規(guī)律以及巖屑在空氣鉆井中運移的微觀機理，其研究成果在指導(dǎo)氣體鉆井作業(yè)中發(fā)揮了作用。

邱正松等人研制了超臨界二氧化碳鉆井流體循環(huán)模擬實驗裝置[32]，該模擬裝置的模擬井筒是整個實驗設(shè)備的關(guān)鍵部位，耐溫90℃，耐壓15MPa，能夠通過井筒上的視窗觀察井筒內(nèi)介質(zhì)流動和運行狀態(tài)，并且模擬井筒井斜角可調(diào)。通過該模擬裝置可以模擬超臨界二氧化碳在鉆井過程中鉆井液的流動特性、攜巖特性、壓力損失以及溫度傳遞等特性，為超臨界二氧化碳鉆井液的研究提供了一種實驗方法和研究手段。為了滿足深水鉆井液性能測定與評價的基本要求，邱正松等人在理論推導(dǎo)并結(jié)合實踐的基礎(chǔ)上研制了深水鉆井液循環(huán)攜巖與井壁穩(wěn)定模擬實驗裝置[33]。該模擬實驗裝置包括模擬井筒、模擬鉆桿、鉆井液輸送裝置和模擬井壁，可模擬深水鉆井液循環(huán)過程，進行低溫流動特性、攜巖特性以及穩(wěn)定井壁性能等特性研究，可滿足不同井況深水鉆井需要。

程榮超等人根據(jù)相似理論和量綱分析結(jié)果，研制了多功能井筒流動模擬實驗架[34]。該模擬實驗架綜合考慮了加工條件和室內(nèi)實驗條件，設(shè)計環(huán)空實驗段外筒內(nèi)徑為 75mm，壁厚 20.5mm，鉆桿外徑為42mm，外管為透明的有機 PVC 管，內(nèi)桿為不銹鋼管，總長為 4.2m，實驗段連接在起吊裝置上，最大傾角可達到 32°(與水平方向)。最大測試壓力為 2.3MPa，最大測試溫度為 78℃。通過對泡沫攜巖實驗方法的研究，形成了一種評價不同工況下泡沫流體或其它氣基流體攜巖能力的實驗新方法，同時為研究其它流體的井筒流動特性提供了一條重要的途徑。該系列裝置不僅能夠模擬地層高溫高壓的環(huán)境，同時可視性好，能觀察筒內(nèi)流體流動狀態(tài)和運行情況。

4 模擬實驗裝置的發(fā)展趨勢

（1）可以真實地模擬井下高溫、高壓的環(huán)境。只有這樣，鉆井流體的流動狀態(tài)和流變參數(shù)才與真實井下情況相類似，其結(jié)果才真實可信[35]。

（2）模擬裝置要能實現(xiàn)可視化?？梢暬沁M行實驗現(xiàn)象觀察，深入探索微觀作用機理的重要途徑，可視化可為實驗人員調(diào)整實驗方案、優(yōu)化實驗數(shù)據(jù)提供幫助，宏觀與微觀模擬實驗研究相結(jié)合[36]。

（3）實驗?zāi)Ｐ偷某叽缦虼笮突l(fā)展。增大實驗?zāi)Ｐ统叽?，不僅可以使研究的問題與實際情況更接近，而且便于所取得的數(shù)據(jù)直接在現(xiàn)場應(yīng)用[37]。根據(jù)相似原理的分析，要保證鉆井液在井筒內(nèi)與模擬井筒內(nèi)的上返速度一致，只有全尺寸的模擬實驗裝置才能符合相似原理。

（4）模擬實驗裝置由單一的功能向多功能應(yīng)用發(fā)展，同時要具有較好的功能擴展能力[37]；理論研究、實驗?zāi)M與數(shù)值模擬相結(jié)合，共同為現(xiàn)場實踐服務(wù)。

（5）實驗?zāi)Ｐ蜏y量的要求更高。盡量采用計算機數(shù)據(jù)自動采集技術(shù)，對測量數(shù)據(jù)，如壓力、溫度、流量等實現(xiàn)實時采集，程序化處理，最大限度地減少人為干擾[38]。

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