朱柏宇 陳恭洋 毛 敏 程樂利 楊 毅 袁勝斌

(①長江大學(xué)錄井技術(shù)與工程研究院；②中法渤海地質(zhì)服務(wù)有限公司)

0 引 言

錄井——傳統(tǒng)上被譽為“地質(zhì)學(xué)家的眼睛”，能在隨鉆過程中實時發(fā)現(xiàn)油氣層、建立地層剖面。近年來，隨著油氣勘探開發(fā)逐步走向非常規(guī)、走向深層、走向海洋，錄井工藝技術(shù)取得了全面、迅速的發(fā)展，同時也給錄井相關(guān)理論與技術(shù)升級帶來了新的挑戰(zhàn)[1-4]?！颁浘畬W(xué)”的源頭是石油地質(zhì)相關(guān)理論，其核心是信息技術(shù)在井筒中的應(yīng)用，即“井筒信息開發(fā)理論”，主要包括井筒信息數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)應(yīng)用及信息軟件技術(shù)，涉及學(xué)科包含了地質(zhì)-物理/化學(xué)-油氣井工程基礎(chǔ)原理、測量方法和儀器、應(yīng)用方法和資料處理解釋三大部分[5-6]。長期以來，錄井基礎(chǔ)理論發(fā)展受到涉及學(xué)科廣、行業(yè)定位模糊、宏觀指導(dǎo)缺乏等因素的影響，制約了錄井技術(shù)發(fā)展[7-10]。

錄井信息評價的精準程度將取決于錄井采集信息還原的本真程度，而信息的還原受井筒信息演化機理、碎巖機理等基礎(chǔ)理論認識的限制[11-13]。建立一套有效的實驗?zāi)M平臺既是解決錄井基礎(chǔ)理論發(fā)展的支撐點，也是錄井資料高效采集、精準解釋的必由之路。長江大學(xué)于2011年開設(shè)錄井技術(shù)與工程專業(yè)，在2015年成立錄井技術(shù)與工程研究院，經(jīng)過十年的發(fā)展，目前形成了一套多學(xué)科交叉的地質(zhì)、工程一體化專家和學(xué)者隊伍，建立了一系列錄井技術(shù)科研平臺，產(chǎn)出了大量錄井技術(shù)相關(guān)基礎(chǔ)成果[14-15]。本文將以錄井基礎(chǔ)實驗平臺建設(shè)與應(yīng)用為重點，拋磚引玉，論述長江大學(xué)錄井技術(shù)與工程研究院近年來的基礎(chǔ)實驗?zāi)M方法與平臺建設(shè)成果，探討錄井基礎(chǔ)實驗平臺的發(fā)展方向，供錄井界同仁參考指正。

1 錄井基礎(chǔ)實驗平臺建設(shè)思路與建設(shè)目標

錄井基礎(chǔ)實驗作為錄井技術(shù)的一部分，其基礎(chǔ)屬性仍是要面對現(xiàn)場需求的，這樣所做出的基礎(chǔ)理論在市場上才具有生命力。近年來，我國錄井技術(shù)特別是信息采集技術(shù)實現(xiàn)了由“點”到“面”的轉(zhuǎn)變，填補了多項檢測空白，包括鉆井液的含油性檢測(鉆井液核磁共振錄井)、巖樣的礦物成分檢測(X 射線衍射礦物錄井)、拉曼光譜技術(shù)、紅外光譜技術(shù)等采集技術(shù)[16-19]。但就采集技術(shù)而言，卻主要是其他創(chuàng)新技術(shù)的引用，主要關(guān)注地面信息處理，忽略了井下生態(tài)，從而導(dǎo)致采集實時性、采集數(shù)據(jù)的可靠性仍顯不足。在錄井資料處理方面，錄井數(shù)據(jù)處理技術(shù)主要是數(shù)據(jù)校正技術(shù)，由于巖屑樣品在從井下上返至井口過程中受到多種因素的共同影響，包括深度校正、井筒環(huán)境及鉆井工藝參數(shù)校正、地面異位環(huán)境導(dǎo)致的精度損失、儀器校正等。然而，目前錄井數(shù)據(jù)處理仍主要集中在儀器校正，忽略了井筒環(huán)境、鉆井工藝等因素的影響，導(dǎo)致樣品的代表性變差，采集數(shù)據(jù)的可靠性、準確性降低，因而需要進行復(fù)雜的處理后才能還原地層的真相(圖1)。在錄井數(shù)據(jù)應(yīng)用上，這一方面一直是國內(nèi)錄井行業(yè)的短板，常有錄井采集參數(shù)多而可用性差、定量化差的問題，說到底還是由于數(shù)據(jù)采集與處理分辨率差、多解性強導(dǎo)致的。

要強化錄井基礎(chǔ)理論研究，首先需要還原井筒環(huán)境，即需要先建立井筒信息模擬系統(tǒng)，這是后續(xù)地層油氣和巖性定量精細檢測、錄井相關(guān)設(shè)備校正與改進、錄井資料解釋與應(yīng)用規(guī)范化和智能化的基礎(chǔ)。然而，現(xiàn)有的錄井實驗評價方法與平臺仍處于空白階段?；诖?，長江大學(xué)錄井技術(shù)與工程研究院近年來投入大量精力與成本，與中法渤海地質(zhì)服務(wù)有限公司合作，建立了一套井筒信息模擬實驗平臺(圖2)，并建立了相關(guān)的理論分析、實驗、數(shù)值模擬方法，助力錄井基礎(chǔ)理論研究上升到更高水平。

圖1 井筒信息從地層到錄井儀器的演化過程

圖2 井筒環(huán)境模擬實驗平臺實景(一期)

2 井筒環(huán)境模擬實驗平臺組成與實驗流程

實驗室定位于“智能型地面-井筒-地下全過程環(huán)境模擬”錄井基礎(chǔ)實驗體系，實驗系統(tǒng)分為地層系統(tǒng)模擬單元、井筒環(huán)境模擬單元、地面數(shù)據(jù)采集與處理單元。實驗室分兩期進行建設(shè)，第一期為連續(xù)油管模擬井筒環(huán)境模擬系統(tǒng)(目前已完成)；第二期為高溫高壓井筒環(huán)境模擬系統(tǒng)(目前已完成設(shè)計)。

2.1 井筒環(huán)境模擬實驗平臺主體結(jié)構(gòu)

井筒環(huán)境模擬實驗平臺在地面進行建設(shè)，如圖3、圖4所示。從鉆井液池將加熱的模擬鉆井液、模擬地層流體(多重氣源充注)、模擬地層巖屑泵入地面管匯中，在不同模擬井深(管線長度處)安裝流量計、溫度計、壓力計等數(shù)據(jù)采集裝置，獲取該階段管內(nèi)流體信息(溫度、壓力、流速及流量等)，在模擬井口采集鉆井液、巖屑、油氣樣品并開展分析化驗，此時便可獲取不同井深的井筒流體信息(密度、成分、狀態(tài)等)；然后，調(diào)整溫度、泵入壓力，再次獲取不同階段的流體信息，依此類推，最終獲得從井底到井口井筒內(nèi)流體變化的所有信息數(shù)據(jù)，并基于該數(shù)據(jù)對錄井信息采集系統(tǒng)、錄井信息處理系統(tǒng)進行校正。

2.1.1 連續(xù)油管模擬井筒環(huán)境模擬系統(tǒng)(一期)

目前已經(jīng)完成一期建設(shè)，該期采用連續(xù)油管模擬井筒(圖3)，已完成的井筒環(huán)境模擬部分的關(guān)鍵技術(shù)指標為：井筒工作壓力6 MPa，盤管長度包括500 m、1 000 m、1 500 m、2 000 m多段組合，管徑42 mm，滾筒直徑2 200 mm。該實驗室能夠模擬500～5 000 m井深的全過程井筒環(huán)境，是長江大學(xué)聯(lián)合中法渤海地質(zhì)有限公司創(chuàng)新自主設(shè)計、研發(fā)的標志性實驗室。

圖3 連續(xù)油管模擬井筒環(huán)境模擬實驗平臺示意圖(一期)

2.1.2 高溫高壓井筒環(huán)境模擬系統(tǒng)(二期)

第二期實驗室建設(shè)平臺將采用高溫、高壓模擬試驗井筒設(shè)計，井筒壓力環(huán)境達140 MPa，井筒溫度環(huán)境達200℃，井筒長度達12 m，采用27 SiMn無縫鋼管垂直擺放，井身結(jié)構(gòu)完全還原井筒真實環(huán)境，包括鉆桿內(nèi)部-環(huán)空鉆井液循環(huán)系統(tǒng)(圖4)。二期實驗室建設(shè)平臺彌補了一期實驗室在環(huán)境、壓力、井身結(jié)構(gòu)模擬上的不足，可以滿足國內(nèi)大部分深井、超深井的井筒環(huán)境模擬要求。

圖4 高溫高壓井筒環(huán)境模擬實驗平臺示意圖(二期)

2.2 井筒環(huán)境模擬實驗系統(tǒng)流程

結(jié)合錄井系統(tǒng)基本運行流程及實驗室的主體功能，井筒環(huán)境模擬實驗流程的設(shè)計思路為：

(1)相似原型：現(xiàn)今國內(nèi)鉆井逐步走向深層、超深層，塔里木盆地輪探1井井深達8 882 m，管路長徑比太大，現(xiàn)有條件下通過一次相似實驗不可能完成。因此，通過連續(xù)油管盤管、多次循環(huán)、多次調(diào)控、多次換熱升溫，綜合每組實驗數(shù)據(jù)來完成全過程管流模擬，在滿足井控安全的前提條件下盡量放大實驗流動參數(shù)以保證安全高效輸送。同時，在相似模擬的前提下，應(yīng)首先進行模擬井筒與真實井筒環(huán)境參數(shù)校正，包括：重力參數(shù)校正、盤管流和直管流多相流-井筒-溫度-壓力耦合校正、模擬井筒管徑比對井筒環(huán)境的影響校正等。校正方法包括對比實驗、數(shù)值模擬、理論分析等。

(2)根據(jù)地層流體、巖屑、鉆井液的組分，模擬預(yù)制井筒流體(含巖屑)樣品，然后根據(jù)鉆頭破巖參數(shù)、水動力參數(shù)泵入模擬井筒。

(3)將模擬流體泵入模擬井筒并進行循環(huán)，模擬實際鉆井過程中的氣、液、固多相管道輸送流動狀況。

(4)連續(xù)油管盤管、高溫高壓垂直井筒能夠分別獨立完成實驗：連續(xù)油管盤管著力解決隨鉆油氣、巖屑檢測與標定問題，高溫高壓垂直井筒著重解決氣-液-固多相流動特征參數(shù)預(yù)測、測量、壓力演變規(guī)律及調(diào)控技術(shù)。

(5)管輸結(jié)束之后，將模擬流體按照錄井流程與規(guī)范進行分離、采集、分析與計量，最終目標是實現(xiàn)智能化、自動化、系統(tǒng)化、高分辨率處理。

(6)實現(xiàn)模擬井筒多相輸送過程中的運行控制和測試數(shù)據(jù)及圖像采集，并進行實時監(jiān)控、處理、分析、顯示和存儲。在油藏地質(zhì)研究的基礎(chǔ)上，探索錄井信息形成及演化機理，從地質(zhì)成因與工程成因的角度，對影響錄井信息的各項因素進行定量分析與機理評價。

(7)通過實驗室研究，對錄井資料進行預(yù)處理(環(huán)境校正還原信息)，旨在形成、完善錄井評價與解釋基礎(chǔ)理論。

3 井筒環(huán)境模擬實驗平臺功能與配套方法

實驗室定位于“智能型地面-井筒-地下全過程環(huán)境模擬”錄井基礎(chǔ)實驗體系，通過環(huán)境校正還原信息本真，以解決錄井過程中的巖屑、油氣、地層壓力檢測問題。實驗的主體功能包括：隨鉆巖性檢測開發(fā)系統(tǒng)、隨鉆油氣檢測開發(fā)系統(tǒng)、隨鉆井底-地層壓力檢測系統(tǒng)、井下工具高溫高壓模擬試驗系統(tǒng)。實驗室配套功能包括：錄井巖屑運移的計算流體力學(xué)-離散元數(shù)值模擬方法、井筒內(nèi)多相流體運移數(shù)值模擬方法、井筒環(huán)境模擬系統(tǒng)管柱內(nèi)流體力學(xué)特性分析。

3.1 井筒環(huán)境模擬實驗平臺主體功能

3.1.1 隨鉆巖性檢測開發(fā)系統(tǒng)

巖性檢測是錄井技術(shù)的傳統(tǒng)技能，也是錄井技術(shù)的根本之一，但是近年來發(fā)展受限嚴重，傳統(tǒng)巖屑錄井觀顏色、看成分、繪草圖、看實物的方式已不能適應(yīng)先進鉆井工藝快速發(fā)展的需要。近幾年，面對復(fù)雜鉆井條件對錄井的影響及油田勘探開發(fā)的需求，巖屑錄井技術(shù)也逐步走向數(shù)字化、微觀化、定量化。比如：自然伽馬能譜錄井、X射線熒光/元素錄井、熱解色譜錄井技術(shù)等。然而，這些技術(shù)主要停留在引進其他行業(yè)先進技術(shù)的應(yīng)用層面，在巖性檢測與處理的標準化、一體化、智能化上仍顯不足。

隨鉆巖性檢測開發(fā)系統(tǒng)以井筒環(huán)境模擬、鉆頭破巖模擬為基礎(chǔ)，移植和借鑒相關(guān)專業(yè)成果，首先分析巖屑的形成機理，明確鉆頭破巖參數(shù)、水動力參數(shù)對地層巖屑形成與改造的影響因素；然后，通過井筒環(huán)境模擬實驗，明確巖屑在井筒中的運移規(guī)律，包括巖屑沉降、上返時間差異、分異等；進一步建立一套巖屑自動采集與處理系統(tǒng)，形成巖屑自動采集與處理標準，減小人為主觀因素對巖性檢測的影響，同時為錄井行業(yè)“降本增效”做出貢獻；最后，通過巖屑高分辨率掃描成像、X射線巖屑熒光分析系統(tǒng)、巖屑自然伽馬測量系統(tǒng)、巖屑核磁共振分析系統(tǒng)、三維熒光光譜成像分析系統(tǒng)、巖屑熱解色譜分析系統(tǒng)等對巖屑檢測實現(xiàn)規(guī)范化、一體化、自動化、智能化、實時化、數(shù)字化、可視化、精細化處理。隨著巖屑錄井技術(shù)的發(fā)展，將所有巖屑檢測資料標準化校正后將能與地球物理測井資料一樣以連續(xù)曲線成圖及數(shù)字形式顯現(xiàn)及保存，不同人員、不同地區(qū)、不同層位、不同時間、不同鉆井條件下采集的巖屑資料，包括與測井、地震資料將具有可比性。

3.1.2 隨鉆油氣檢測開發(fā)系統(tǒng)

氣測錄井曾給錄井行業(yè)帶來了強大的生命力，通過對鉆井液中含氣量的連續(xù)檢測和全脫分析獲得氣測數(shù)據(jù)，但隨著油氣勘探走向復(fù)雜化，也給氣測錄井帶來挑戰(zhàn)。在氣測錄井過程中，多種影響因素，包括鉆井工程影響、鉆井液性能影響、檢測條件(如井口脫氣設(shè)備導(dǎo)致的逸散)影響等，導(dǎo)致氣測顯示偏高或偏低，給單井資料的縱向?qū)Ρ群途g對比帶來困難。

在鉆井施工過程中，鉆頭、鉆壓、排量、鉆速、起下鉆(如地層氣體吞吐效應(yīng))等作業(yè)參數(shù)發(fā)生變化時，氣體產(chǎn)生與運移規(guī)律也會發(fā)生變化，進而影響錄井氣測對地層油氣顯示的評價。鉆井液是地層流體的攜帶體，鉆井液本身的流變性、固相物含量、溫壓特性變化會導(dǎo)致地層實際流體與井口流體的不匹配，在當今油基鉆井液、欠平衡鉆井、氣體鉆井逐步廣泛應(yīng)用的背景下，給氣測錄井帶來了巨大的挑戰(zhàn)。最后是檢測條件的影響，這里檢測條件關(guān)鍵是脫氣設(shè)備和氣測基值的影響，現(xiàn)有脫氣設(shè)備仍主要采用攪拌脫氣的方式，對鉆井液中地層流體逸散效應(yīng)缺乏定量化校正，同時不同地層環(huán)境、鉆井液與鉆井工程環(huán)境下的氣測基值也需要校正，這是油氣發(fā)現(xiàn)的基礎(chǔ)。

基于上述問題，首先，明確鉆頭、鉆壓、破巖效率、鉆井液密度等參數(shù)對地層流體溢出到井筒的影響；然后，以井筒環(huán)境模擬實驗為基礎(chǔ)，評價多相氣源混注在不同鉆井液性能(密度、流變性)、排量、溫壓系統(tǒng)下的運移與演化規(guī)律，實現(xiàn)地層流體從地層到地面的全過程監(jiān)控；進一步對傳統(tǒng)脫氣設(shè)備的氣體逸散值進行校正或者發(fā)展新的全自動脫氣系統(tǒng)，實現(xiàn)地層流體從井口到綜合錄井儀的有效運輸；最后，通過氣測錄井系統(tǒng)、氣相色譜、離子色譜等技術(shù)實現(xiàn)對烴類檢測的自動化、規(guī)范化處理，并利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等智能化處理技術(shù)實現(xiàn)油氣層智能評價，避免氣測基值單一化判斷的影響。通過該實驗系統(tǒng)，可以實現(xiàn)地層流體從地層-井筒-井口-綜合錄井儀的全過程全生命周期監(jiān)測與檢測，通過標準化單因素控制實驗，最終實現(xiàn)氣測錄井綜合校正。

3.1.3 隨鉆井底-地層壓力檢測系統(tǒng)

地層壓力預(yù)測是一個世界性難題，目前存在兩點明顯的不足：一是沒有把異常壓力的成因與地層壓力的評價方法有機結(jié)合；二是偏重于地球物理方法的鉆前預(yù)測，而忽略了工程錄井方法的隨鉆監(jiān)測。在地層壓力隨鉆監(jiān)測方面，目前主要通過可鉆性參數(shù)，如鉆時、dc指數(shù)、Sigma指數(shù)、孔隙度、巖石密度，孔隙流體檢測參數(shù)和不尋常自生礦物參數(shù)進行評價。但是，工程錄井隨鉆地層壓力監(jiān)測方法存在三個明顯欠缺，即多解性強、對解釋人員專業(yè)水平要求高、實時性仍不足。

井底壓力監(jiān)測是鉆井工程異常預(yù)報的重要內(nèi)容，在鉆井現(xiàn)場發(fā)揮信息情報、監(jiān)控監(jiān)督和參謀指導(dǎo)的職能，同時也是對地層壓力預(yù)測的重要補充。目前，工程錄井中的井底壓力監(jiān)測技術(shù)仍以地面信息監(jiān)測為主，較差的實時性導(dǎo)致異常預(yù)報反應(yīng)遲鈍，不足以滿足工程要求。

基于上述問題，本實驗系統(tǒng)首先在理論上做了充分的研究，建立了一套異常壓力錄井監(jiān)測方法與軟件，并在中海油開發(fā)的中國南海北部白云凹陷得到了廣泛應(yīng)用(圖5)。在實驗室二期建設(shè)過程中，高溫高壓井筒環(huán)境模擬系統(tǒng)增加了地層壓力模擬與井底壓力監(jiān)測模塊，可實現(xiàn)地層壓力-井筒壓力-井口壓力傳導(dǎo)與監(jiān)測的全過程模擬。其原理是：在井底環(huán)境中采用地層壓力模擬模塊產(chǎn)生不同的地層壓力，分析不同地層壓力在錄井工程參數(shù)、地質(zhì)參數(shù)、流體參數(shù)檢測上的響應(yīng)，盡可能地提高地面檢測系統(tǒng)對異常地層壓力監(jiān)測的時效性。然后，在井底高溫高壓環(huán)境中置入井底壓力監(jiān)測模塊，通過電磁傳輸代替鉆井流體等傳輸，降低井底壓力監(jiān)測的滯后性。

3.1.4 井下工具高溫高壓模擬試驗系統(tǒng)

近年來，油氣勘探逐步走向高溫高壓儲層，比如在塔里木盆地，井深普遍達到5 000 m以上，井下壓力可達50 MPa 以上，施工壓力可達 80 MPa以上，這樣的高溫高壓環(huán)境對井下工具耐溫耐壓指標提出了更高的要求。在高溫高壓環(huán)境下，鉆桿、鉆具及井下工具組合的失效形式和在常溫常壓環(huán)境下的失效形式會有較大的差別，材料的性質(zhì)和強度也會隨之發(fā)生改變，常規(guī)油氣井用的井下工具很難達到高溫高壓的性能要求，因此需要研制能夠適應(yīng)高溫高壓環(huán)境的井下工具。目前，研制新型井下工具大多采用現(xiàn)場試驗的方法，試驗所需費用高、時間長、效果差。

高溫高壓模擬試驗系統(tǒng)可以在實驗室內(nèi)模擬井下高溫高壓環(huán)境，能夠?qū)Ψ謱幼⒉晒ぞ呒胺謱訅毫淹昃镁路飧羝飨鹉z密封圈、橡膠筒等部件進行老化試驗，并且能夠?qū)軆?nèi)封隔器座封后耐壓差性能進行試驗、疲勞強度試驗及受力特性試驗。同時，還可對注水工具和其他壓裂完井用井下工具進行性能測試、疲勞特性分析及高溫高壓強度試驗。

圖5 中海油某井壓力監(jiān)測示意

3.2 錄井基礎(chǔ)實驗平臺配套方法

3.2.1 巖屑運移的流體力學(xué)-離散元數(shù)值模擬方法

鉆井液中巖屑顆粒在鉆井液循環(huán)過程中被攜帶出井口，巖屑顆粒、鉆井液、井筒之間的動力學(xué)行為屬于液固耦合的范疇。CFD-DEM耦合算法考慮了巖屑顆粒之間以及巖屑顆粒與鉆井液、巖屑顆粒與井筒、鉆井液與井筒之間的耦合作用，能夠捕捉顆粒運移、沉淀的細觀機理(圖6)。對巖屑顆粒運移求解采用拉格朗日框架下的離散元方法進行，巖屑顆粒遵循其第二定律。巖屑顆粒隨鉆井液在井筒中運移時，每個顆粒受到周圍鉆井液、鄰近顆粒、鄰近井筒/環(huán)空壁面的作用，因此巖屑顆粒運移中受到的外力包括自身重力、曳力、浮力、接觸力等，其運動過程主要包括平動和轉(zhuǎn)動，控制方程為：

(1)

式中：Fp,n和Fp,t分別為法向接觸力和切向接觸力；Fp,g為重力;Fp,e為顆粒周圍流體施加顆粒的力，如曳力、壓力梯度力和浮力；rp，c為顆粒矢量半徑；Tp，r為顆粒的額外扭矩;μp和ωp分別為平動速度和轉(zhuǎn)動速度；mp為顆粒質(zhì)量；Ip為顆粒慣性矩。

圖6 固相顆粒-鉆井液-井筒壁面受力關(guān)系[20]

通過以上運動方程的循環(huán)求解，獲得每個時間單位的位移增量和接觸力增量，在接觸檢測的基礎(chǔ)上顯式更新固相顆粒位置及速度。除了考慮顆粒間、顆粒-井筒的相互作用以外，還需要考慮鉆井液與巖屑顆粒間的相互作用(圖7)。在顆粒非解析的CFD-DEM耦合算法中，假設(shè)流體是連續(xù)不可壓縮的，可由局部平均的N-S方程描述：

(2)

(3)

式中：αf為鉆井液體積分數(shù)；ρf為鉆井液密度；μf為鉆井液速度；▽p為鉆井過程中的壓力梯度；τ為鉆井液應(yīng)力張量；t為時間步；S為動量交換源項。

上式中顆粒-鉆井液動量交換項與顆粒所受曳力及滑移速度有關(guān)，可以表達為：

S=Kpf(μf-〈μp〉)

(4)

式中：Fd為曳力，Kpf為中間系數(shù)；Vcell為CFD網(wǎng)格體積；μp為顆粒速度。

曳力計算的經(jīng)典模型較多，本文中采用Di Felice曳力模型，可以表達為：

(5)

式中：Cd為曳力系數(shù)，該系數(shù)為顆粒流的雷諾數(shù)Re的函數(shù)；Dp為巖屑顆粒直徑；χ為中間系數(shù)。

圖7 水平管柱內(nèi)巖屑顆粒運移過程模擬結(jié)果[21]

3.2.2 井筒內(nèi)多相流體運移數(shù)值模擬方法

井筒中氣液兩相在上升過程中，兩相之間存在相互作用力，可以采用歐拉模型進行求解，其控制方程組包括連續(xù)性方程、動量方程和能量方程：

(6)

(7)

(8)

式中：k為相的角碼；μk為各相速度；pk為各相壓力標量；I為剪切力張量；gk為重力加速度向量；ek為比熱力學(xué)能；t為時間；Tk為各相剪切力張量；qk為體積熱源。

井筒中氣液兩相流場為湍流，流場具有各向異性，采用雷諾應(yīng)力模型進行模擬具有良好的精度。雷諾應(yīng)力模型的運輸方程為：

(9)

然后，對井底壓力、井口壓力、井筒溫度、氣液比、液滴直徑等邊界參數(shù)進行定義，采用VOF算法，便可對井筒中多相流體運移規(guī)律進行計算，分析不同相流體在井筒中的運移規(guī)律、地層流體侵入井筒情況等，輔助井筒環(huán)境模擬實驗系統(tǒng)進行標定(圖8)。

圖8 水平管柱內(nèi)氣液兩相流體運移過程模擬[22]

3.2.3 井筒環(huán)境模擬平臺管柱內(nèi)流體力學(xué)特性分析

目前一期井筒環(huán)境模擬平臺采用連續(xù)油管盤管式的模擬方式，具有井眼井徑小、液體流動空間小等特點，需要與鉆井現(xiàn)場井筒環(huán)境參數(shù)進行校正，故首先需要分析實驗系統(tǒng)的流體力學(xué)特性。假定實驗流體為清水的情況下，排量(Q)按照1 000 L/min流過泵出口(泵出口內(nèi)徑R=100 mm)估算流速(Vf)及雷諾數(shù)為：

(10)

(11)

實驗流型應(yīng)選擇湍流模型，流過連續(xù)油管卷筒時對壓降的影響，根據(jù)范寧摩擦系數(shù)公式：

(12)

根據(jù)流體為清水的參數(shù)，a取0.078 6，b取0.25，計算得到的摩擦阻力系數(shù)f=0.0 075。

壓力降低值Δp可以表示為：

式中：L為管柱長度；R為管柱內(nèi)徑；D為盤管直徑。

4 錄井基礎(chǔ)實驗平臺的學(xué)科支撐與應(yīng)用前景

錄井基礎(chǔ)實驗平臺主體功能及其配套功能填補了我國錄井學(xué)科方面大型井筒環(huán)境模擬基礎(chǔ)設(shè)施上的空白。本文設(shè)計的井筒環(huán)境模擬實驗平臺可以模擬井下高溫高壓環(huán)境，模擬過程簡單且成本相對現(xiàn)場試驗較低、物理過程控制系統(tǒng)精密、模擬參數(shù)多樣、主體功能及配套功能齊全成熟，使該模擬實驗平臺在支撐錄井學(xué)科理論研究方面，甚至在其他井筒實驗，包括井下工具測試、測井參數(shù)校正上均能夠發(fā)揮重要作用。

4.1 模擬井筒信息演化過程

實物樣品、地層信息在從井下上返至井口過程中受到多種因素的共同影響，包括深度校正、井筒環(huán)境及鉆井工藝參數(shù)校正、地面異位環(huán)境導(dǎo)致的精度損失等。井筒環(huán)境模擬平臺可以模擬實物樣品、地層信息從井底到井口的演化過程，從而建立地面采集系統(tǒng)與地下儲層之間的定量關(guān)系。

4.2 地面錄井參數(shù)校正

傳統(tǒng)錄井設(shè)備的參數(shù)校正，如氣測基值校正等，是針對儀器的校正，盡管能夠提高錄井監(jiān)測設(shè)備的精度，但是在反映地下黑箱系統(tǒng)方面卻是治標不治本。井筒環(huán)境模擬平臺能夠全生命周期模擬信息、實物樣品從地層到錄井設(shè)備的演化過程，通過輸入不同地層信息-監(jiān)測地層信息的正演-反演相結(jié)合的方式進行地面錄井設(shè)備參數(shù)校正，校正不僅停留在儀器的表象，更能進一步反映深層的內(nèi)在聯(lián)系。

4.3 井下工具高溫高壓測試

為開發(fā)新型耐高溫高壓工況下的井下工具，有必要建設(shè)一套模擬試驗裝置，模擬現(xiàn)場工藝及井下高溫高壓工況來檢測井下工具的性能。高溫高壓井筒模擬實驗裝置能夠解決目前現(xiàn)場試驗檢測數(shù)據(jù)不準、試驗風(fēng)險性較大、試驗參數(shù)改變不靈活、試驗數(shù)據(jù)獲取不科學(xué)等問題，對于研制新型高溫高壓井所用井下工具具有重要意義。

本文所建立的實驗系統(tǒng)實則是“搭臺子”，對錄井設(shè)備評價、校正才是真正的“大戲開場”。所以，該實驗平臺要做的前期工作不是僅僅局限于對某個錄井設(shè)備進行校正。錄井設(shè)備多而雜，我們要做的是基礎(chǔ)中的基礎(chǔ)——建立地層-井筒-地面全過程全生命周期的錄井相關(guān)參數(shù)數(shù)據(jù)庫。

5 科學(xué)研究成效與未來計劃

5.1 科學(xué)研究成效

(1)支撐了油基鉆井液烴類氣體損失評價實驗研究。井筒環(huán)境模擬平臺建立以來，已經(jīng)在油基鉆井液烴類氣體損失評價、油基鉆井液氣測校正等方面發(fā)揮了重要作用，支撐了國家重大科技專項“大型油氣田及煤層氣開發(fā)”子課題的完成。利用一期井筒環(huán)境模擬實驗平臺探索了油基鉆井液中不同地層流體注入情況下的氣測值損失(圖9)，結(jié)合不同注入氣體-鉆井液多相流數(shù)值模擬技術(shù)揭示烴類氣體損失機理(圖8)。

(2)吸引了多個研究項目落地。例如：非連續(xù)油相在多孔介質(zhì)中的啟動與運移機理研究、海相浪控砂質(zhì)臨濱壩沉積構(gòu)型差異性及沉積動力學(xué)機制研究等多個國家自然科學(xué)基金項目，因該井筒環(huán)境模擬實驗平臺支撐獲得資助。

圖9 不同地層氣體注入情況下的氣測值顯示

5.2 未來研究計劃

(1)在錄井基礎(chǔ)理論研究中開展一系列關(guān)鍵過程模擬實驗。開展烴類氣體在油基鉆井液、水基鉆井液中的運輸過程模擬，通過對不同含氣量及含氣類型、不同循環(huán)壓差下的損失機理及損失強度進行模擬，結(jié)合錄井氣測檢測，參考多相流數(shù)值模擬結(jié)果，建立油基鉆井液、水基鉆井液烴類檢測校正圖板。開展不同巖性、粒度巖性的巖屑運移過程模擬，明確不同巖性、粒度的巖屑在井筒循環(huán)過程中的分異、沉降，建立不同粒度、不同巖性巖屑的遲到時間圖板。

(2)在地層壓力預(yù)監(jiān)測系統(tǒng)研制、研發(fā)中發(fā)揮重要作用。利用二期高溫高壓井筒環(huán)境模擬系統(tǒng)，開展不同模擬地層壓力下的錄井信息監(jiān)測，建立一套快速、準確的地層壓力監(jiān)測方法與圖板。

(3)在井下工具高溫高壓模擬測試中發(fā)揮重要支撐作用。該井筒環(huán)境模擬系統(tǒng)不僅在錄井學(xué)科中有重要作用，在井下工具測試、測井儀器測試及校正上也能發(fā)揮重要作用，未來將在錄井相關(guān)井筒信息演化模擬的基礎(chǔ)上，逐步拓展石油工程其他有關(guān)井筒環(huán)境模擬方面的應(yīng)用。

6 運行與管理辦法

6.1 運行管理機制

(1)資產(chǎn)管理方面。平臺由長江大學(xué)與中法渤海地質(zhì)服務(wù)有限公司統(tǒng)一管理，制定相關(guān)的崗位責(zé)任制，儀器設(shè)備負責(zé)人負責(zé)維護、運行大型儀器及發(fā)展相關(guān)實驗技術(shù)。

(2)運行管理方面。出臺了平臺的管理辦法，制訂了平臺的操作流程，全面記錄平臺、保養(yǎng)、維修等相關(guān)運行痕跡。

(3) 數(shù)據(jù)管理方面。平臺的使用者是數(shù)據(jù)的第一產(chǎn)權(quán)人，擁有平臺數(shù)據(jù)的全部權(quán)利，長江大學(xué)錄井技術(shù)與工程研究院對所有平臺產(chǎn)生數(shù)據(jù)及運行記錄數(shù)據(jù)進行整理保存，征得產(chǎn)權(quán)人同意的情況下定期開放。

6.2 合作共享機制

井筒環(huán)境模擬實驗系統(tǒng)在穩(wěn)定運行后，將面向國內(nèi)外錄井及石油行業(yè)研究人員開放。平臺使用和預(yù)約系統(tǒng)掛靠在長江大學(xué)大型設(shè)備管理平臺，研究人員注冊申請后即可上網(wǎng)查看預(yù)約時間，根據(jù)項目需求預(yù)約。