水平井筒固液两相流动中漂移通量模型的应用研究及流型影响分析

为解决水平井筒中固液两相流动的复杂性问题，研究人员基于漂移通量模型（Drift-Flux Model）开展了钻井液与岩屑的流动特性研究。通过实验测量不同流型下固液相表观速度与体积分数，建立了考虑流型效应的统一分布系数模型，并分析了密度、黏度、岩屑尺寸及钻杆旋转等因素的影响。结果表明，该模型能准确预测固相体积分数，为水平井钻井过程中岩屑运移平均速度及岩屑床分布预测提供了理论指导。

　　

在石油与天然气开采领域，水平井筒内的固液两相流动一直是工程实践中的核心难题。钻井过程中，岩屑（cuttings）与钻井液（drilling fluid）的混合流动不仅影响钻井效率，还直接关系到井筒清洁度和安全。然而，由于固液相密度差异大、流型（flow pattern）复杂多变，传统层状模型（layer model）仅适用于稳定床流（stable bed flow）或悬浮流（suspended flow），难以全面描述沙丘流（sand dune flow）、沙波流（sand wave flow）等非均匀流动状态。此外，现有模型需引入多个动量方程，求解过程复杂且界面相互作用不确定性高。为此，中国某高校的研究团队提出了一种基于漂移通量模型（Drift-Flux Model）的简化方法，通过实验与建模相结合，成功建立了适用于水平井筒固液两相流动的通用预测模型，相关成果发表在《Geoenergy Science and Engineering》上。

研究团队利用水平环空多相流模拟实验系统，测量了不同流型下固液相的表观速度（superficial velocity）和体积分数（volume fraction），并基于漂移通量理论，将分布参数（distribution parameter）设定为混合物流量与固相加权平均速度之比，同时假设漂移速度（drift velocity）为零。通过回归分析，建立了考虑流型效应的分布系数模型，并引入密度、黏度、岩屑尺寸及钻杆旋转等修正系数。

实验设置
实验采用内径120 mm、长5.5 m的水平环空模拟井筒，通过控制液相和固相流量，观测了稳定床流、沙波流等流型下的流动特性。

水平环空固液漂移通量关系开发
研究发现，稳定床流和沙波流条件下，分布系数与混合物流量呈线性关系；而悬浮流条件下需引入漂移速度修正。模型通过引入流型参数和物性修正系数，显著提升了预测精度。

结论
该研究提出的漂移通量模型首次实现了对水平井筒多种流型下固相体积分数的统一预测，简化了传统层状模型的求解复杂度。模型通过实验验证表明，其能准确反映钻杆旋转、岩屑尺寸等因素对流动的影响，为优化钻井工艺提供了理论工具。

讨论
研究突破了传统层状模型的局限性，将漂移通量理论拓展至非均匀固液两相流领域。未来可进一步结合三维数值模拟，深化对界面相互作用机制的理解。这一成果不仅推动了石油工程领域的理论发展，也为化工、煤炭等行业的固液流动问题提供了新思路。