钻柱旋转条件下气液两相流流态演变与压降规律的实验研究

针对钻柱旋转对井筒气液两相流压降预测精度不足的问题，研究人员通过231组正交实验，系统分析了偏心率、气液流速、流体流变性和转速对流态演变的影响，提出融合旋转参数的流态识别方法和基于旋转雷诺数(Re)的摩擦因子方程，新模型使水相(20000

　　

在石油钻井工程中，井筒压力预测的准确性直接关系到井控安全和钻井效率。然而，现有井筒流动模型普遍忽视了一个关键因素——钻柱旋转对环空流体的动态影响。这种简化导致气侵工况下的压力预测存在显著偏差，可能引发井喷或井漏等重大事故。更复杂的是，学术界对钻柱旋转究竟会增大还是减小环空压降长期存在争议：早期学者Walker & Al-Ravd (1970)认为旋转会降低压降，而Bode、Marken等学者则得出完全相反的结论。这种矛盾现象暗示着流体性质与旋转效应间存在尚未揭示的耦合机制。

为破解这一难题，中国石油大学（北京）的研究团队设计了一套创新的正交实验方案。他们通过231组系统性实验，首次全面考察了井斜角（0-90°）、表观气速(0-0.762 m/s)、表观液速(0.512-1.277 m/s)、流体粘度以及钻柱转速(5/3-20/3 rad/s)等多参数协同作用下的气液两相流行为。研究采用高速摄像技术捕捉流态演变过程，结合精密压力传感器网络获取压降数据，最终在《Geoenergy Science and Engineering》发表了突破性成果。

关键技术方法包括：1）搭建可模拟实际井筒尺寸（钻杆外径4.44cm/套管內径4.82cm）的旋转环空实验装置；2）采用正交实验设计覆盖全工况参数空间；3）通过六速旋转粘度计精确测定幂律流体流变特性；4）基于图像处理技术建立流态智能识别模型。

【流态演变规律】实验首次发现钻柱旋转会通过周向动量传递诱发泰勒涡流(Taylor vortex)，促使气泡流向弹状流转变。在水平井段，转速超过10/3 rad/s时会出现独特的螺旋状流型，这种流态使局部气相存率波动幅度达22%。

【压降影响因素】研究量化了各参数对摩擦压降的贡献度：当液相为幂律流体时，转速增加使层流区压降降低12-18%（剪切稀化效应主导），却使湍流区压降升高25-33%（离心不稳定性主导）。这种双模式效应完美解释了早期研究的矛盾结论。

【模型创新】基于旋转雷诺数(Re_r)提出的改进摩擦因子方程：f_rot=0.046Re^-0.2+0.0032Re_r^0.15，该模型首次将泰勒数(Ta)引入钻井流体计算，在宽雷诺数范围内展现出卓越的预测精度。

这项研究不仅建立了首个考虑旋转效应的气液两相流计算框架，其提出的"流态-压降"耦合模型更被证实可将控压钻井的井底压力预测误差从行业平均6.8%降至3.2%。特别值得关注的是，研究发现高粘度钻井液在转速超过临界值后会出现"自减阻效应"，这一现象为深井钻柱粘滑振动抑制提供了新思路。正如评审专家指出，该成果标志着钻井流体力学从静态建模向动态耦合分析的重要跨越，为智能井控系统开发奠定了理论基础。