井筒四相流動理論在深水鉆完井工程與測試領域的應用與展望

孫寶江 王雪瑞 孫小輝 李 昊 王志遠 高永海 盧義玉

1. 中國石油大學（華東）石油工程學院 2. 重慶大學資源與安全學院

0 引言

我國南海主要盆地的油氣資源量為707.8×108t，加大海洋深水油氣開發是破解我國能源安全風險難題的必然選擇之一[1-2]。隨著“深水”戰略的逐步實施，我國深水油氣勘探開發業務蓬勃發展。

井筒多相流動貫穿于鉆完井整個過程，包括鉆井、固井、完井、測試等。傳統的井筒兩相、三相流動理論經過了多年發展，能夠準確模擬陸地和淺海鉆完井過程中的流動問題[3-4]。基于井筒多相流理論，實現了鉆完井過程中井筒內流動狀態的動態模擬，為鉆完井井筒鉆井液動態當量密度及井眼清潔、井壁穩定等問題的水力參數優化提供了理論依據，有效避免了鉆完井過程中安全事故的發生。

但是，較之于陸地和淺海，深水鉆完井卻面臨著許多新的工程難題，例如海底低溫誘發天然氣水合物（以下簡稱水合物）生成、高溫高壓環境下存在的酸性氣體發生超臨界相態變化，以及窄安全密度窗口導致井涌、井漏等復雜事故。上述難題均與井筒多相流動密切相關，若要提高井筒多相流動的計算精度，就需要在理論研究方面取得一定突破，進而對井筒多相流動理論提出了更高的要求。

深水鉆完井過程中，井筒內是氣相、液相、固相及超臨界相四相共存的復雜多相流動過程。其中，氣相主要是產出的地層流體中包含的氣體，包括各種烴類與酸性氣體；液相主要是指井筒內流動的各類鉆完井液，包括鉆井液、完井液、水泥漿等；固相主要包括鉆井過程中產生的巖屑、深水環境下生成的水合物等；超臨界相主要是指地層中產出的酸性天然氣在高溫高壓條件下形成的超臨界態。流體在井筒中的流動過程受溫度、壓力變化的影響，將發生氣相與超臨界相、氣相與水合物固相之間的轉換。此外，井筒流體由井底向井口的流動過程中，在多相、多組分以及相態變化的綜合作用影響下，井筒內多相流存在著氣泡流、彈狀流、攪動流等多種流型之間的復雜轉換。

因此，深水鉆完井過程中井筒內流體流動是一個多組分、存在著相變及流型轉化的復雜四相流動過程。為了進一步揭示深水鉆完井井筒多相流動規律，筆者基于井筒四相流動理論，闡述了其在深水油氣鉆完井工程領域的應用進展；然后，針對該理論在深水鉆完井某些特殊工況下存在的局限性，展望了井筒多相流動理論未來的發展趨勢，以期為我國深水鉆完井工程的發展提供指導。

1 深水鉆完井井筒多相流面臨的特殊問題

深水鉆完井過程中，井筒流體在深水環境影響下呈現出與陸地鉆井不同的特征，從而導致深水鉆完井井筒多相流面臨特殊的問題。

1.1 深水鉆完井井筒交變溫度環境

深水鉆完井井筒處于海底低溫、井底高溫的交變溫度場環境[5]。通常，深水海底泥線處溫度較低，而泥線以下地層溫度不斷增加。深水特殊的溫度、壓力環境對鉆井過程中井筒內鉆井液的流變性影響明顯，對固井過程中水泥漿的水化性能影響也顯著，從而影響深水鉆完井井筒多相流動過程。

1.2 水合物相態變化

深水海床附近處于低溫、高壓環境，容易導致井筒內烴類氣體與水結合生成水合物[6]。鉆井過程中，水合物的生成會顯著改變井筒內氣體組分，從而影響井筒多相流動特征和流動規律。在深水氣井測試過程中，水合物的生成、沉積可能會導致井筒堵塞，嚴重時甚至可能引發憋壓、生產停滯等安全事故。

1.3 酸性氣體超臨界相態變化

我國南海深水鉆井過程中，侵入井筒的流體通常高含H2S、CO2等酸性氣體[7]。在井底高溫高壓環境下酸性氣體常處于超臨界狀態。隨著氣體向上運移，井筒溫度、壓力逐漸降低，處于超臨界態的酸性氣體逐漸轉化為氣態。酸性氣體超臨界相態變化導致深水油氣井井筒多相流動呈現更為復雜的流動規律，充分考慮超臨界相態的影響是深水鉆完井井筒多相流動精確模擬的前提。

1.4 深水地層窄安全密度窗口

將海域深水儲層上覆巖層用海水替代，在如此低的上覆巖層壓力下考慮地層被壓實，導致地層破裂壓力較低，孔隙壓力與破裂壓力之間的窗口較窄，容易誘發井涌、井漏等復雜事故[8]，從而對深水鉆完井井筒流動壓力精細控制提出了更高要求。

2 井筒四相流動模型

基于傳統的井筒兩相、三相流動理論，結合深水鉆井過程中井筒內多相流動具體特征，孫寶江等[9]、王志遠等[10-12]豐富并發展了適應于深水鉆完井的井筒氣相、液相、固相以及超臨界相四相流動模型，建立了連續性方程、動量方程、能量方程及相關輔助方程。

2.1 連續性方程

結合深水鉆井期間井筒內流體組分特征，分別建立了超臨界相、氣相、液相（鉆井液、產出水、產出油）和固相（巖屑、水合物）流動過程的連續性方程[9-10]。

2.1.1 超臨界相

式中t表示時間，s；A表示井筒環空截面積，m2；ρ表示流體密度，kg/m3；f表示密度函數；p表示壓力，MPa；T表示溫度，℃；M表示分子量；S表示超臨界因子，無因次；s表示沿流動方向坐標，m；v表示流速，m/s；E表示體積分數；q表示產出量，kg/(s·m)；q′表示酸性氣體組分的溶解量，kg/(s·m)；下標sc表示超臨界相；下標i表示各酸性氣體。

2.1.2 氣相

式中Rs表示原油溶解油氣比，m3/m3；ρgs表示標準狀況下氣相密度，kg/m3；Bo表示原油體積系數；xg表示水合物中天然氣的質量分數，無量綱；rH表示水合物的生成/分解量，kg/(s·m)；下標g表示天然氣相；下標o表示油相。

2.1.3 液相

鉆井液連續性方程為：

式中下標m表示鉆井液相。

產出油連續性方程為：

產出地層水連續性方程為：

式中下標w表示產出水相。

2.1.4 固相

巖屑相連續性方程為：

式中下標c表示巖屑。

水合物相連續性方程為：

式中下標H表示水合物相。

各組分含量需要滿足式（8），即

2.2 動量方程

根據井筒多相流動特征，井筒多相流動量守恒方程為[11-12]：

式中v表示流體流速，m/s；g表示重力加速度，m/s2；α表示井斜角，（°）；i取值為1、2、3、4，分別表示酸性氣體超臨界相、氣相、液相及固相；n表示不同相態中的組分數；下標j表示多相流中各組分。

2.3 能量方程

在深水鉆完井特殊環境影響下，井筒內流體的流動通常伴隨有水合物相變，水合物生成會吸收熱量，分解會釋放部分熱量。因此，構建深水井筒多相流能量方程需要考慮水合物相變焓的影響。此外，深水環境下井筒溫度在地層段與海水段具有不同的分布特征，需要分別進行構建[3-4]。

地層段環空多相流能量方程為：

其中

式中C表示流體比熱容，J/(kg·℃)；Tei表示環境溫度，℃；Ta表示環空流體溫度，℃；TDP表示鉆桿內溫度，℃；ΔHH表示水合物的相變焓，J/mol；MH表示水合物分子量；ke表示地層導熱系數，W/(m·℃)；rco、rti分別表示套管外徑以及鉆桿的內徑，m；Ua表示環空流體與地層的總傳熱系數，W/(m·℃)；TD表示瞬態傳熱函數；Ut表示鉆柱流體與環空的總傳熱系數，W/(m·℃)。

海水段環空多相流能量方程與式（10）相同，但由于井筒周圍與海水發生熱量交換，A'的表達式不同，有

鉆桿內多相流能量方程為：

式中下標DP表示鉆桿。

2.4 輔助方程

2.4.1 水合物相平衡條件

水合物相平衡條件可根據熱力學平衡理論獲得[13]，即

其中

若加入抑制劑，則有

式中Δμ0表示水在完全空的水合物晶格與參考狀態下純水之間的化學位差，J/mol；R表示氣體常數，取值為8.314 J/(mol·K)；TH表示水合物生成溫度，K；T0表示標準狀況下的溫度，取值為273.15 K；ΔH0表示水在完全空的水合物晶格與純水相之間的摩爾比焓差，J/kg；ΔCK表示水在完全空的水合物晶格與純水相之間的比熱容差，J/(kg·K)；pH表示水合物生成壓力，Pa；p0標準狀況下的壓力，Pa；ΔV表示水在完全空的水合物晶格與純水相之間的摩爾體積差，m3/kg；fw表示溶液中水的逸度，Pa；fwr表示參考狀態（TH，pH）下水的逸度，Pa；l表示水合物種類數量；Mk表示k型空穴數與水合物相中水分子數的比值；L表示氣體種類數量；θkm表示k型空穴被m類氣體分子占據的概率；xw表示水的摩爾濃度，無量綱；yw表示溶液中水的活度系數，無量綱。

2.4.2 酸性氣體溶解度方程

借助氣液相平衡可以獲取氣體在液體中的溶解度，根據狀態方程可以得到相平衡方程[14-15]，即

3 井筒四相流動理論在深水油氣鉆完井工程領域的應用進展

深水鉆完井面臨著水合物生成、酸性氣體超臨界相變等工程難題采用深水鉆完井井筒四相流動模型能夠解決深水鉆完井工程計算精度要求高的難題。基于井筒四相流動理論模型，利用自主研發的深水鉆井井筒水力學動態模擬軟件，分別圍繞深水鉆完井井筒溫度/壓力、深水精細控壓鉆井、深水壓井、深水氣井測試等領域開展數值模擬，揭示了深水鉆完井在不同工況下的井筒流動特征，為深水鉆完井工程提供理論依據。

3.1 深水鉆完井井筒溫度、壓力精確預測技術

為了預防井涌、井漏風險的產生，井筒溫度/壓力的精確計算是水力參數優化設計的前提條件。早期研究一直將井筒溫度、壓力作為兩個獨立的參數分別進行預測，發展出了Ramey[16]、Willihite[17]、Hasan等[3-4]經典預測模型。但是，在深水鉆井過程中，井筒內鉆井液流變性受大溫差、壓差環境的影響明顯。因此，精確預測深水鉆井過程中井筒內溫度、壓力，應該充分考慮鉆井液流變性沿井筒的變化，需要將井筒溫度、壓力的計算耦合起來。基于井筒鉆井液流變性研究，已逐漸形成了完善的深水鉆完井井筒溫度、壓力耦合預測模型[18]。圖1為深水鉆井井筒內溫度、壓力剖面，根據模擬結果，井筒深部具有較高的溫度，而井筒淺部在海水低溫環境影響下溫度較低；相比于陸地鉆井，由于受到海水段靜液柱壓力的作用，該井筒壓力明顯較高。該模擬井所處水深為1 260 m，井深為4 360 m，排量為60 L/s，鉆井液密度為1.40 g/cm3，地溫梯度為4 ℃/100 m。溫壓流變性對井筒壓力精確預測的影響不可忽略。

圖1 深水鉆井井筒溫度、壓力剖面圖

精確預測固井井筒溫度壓力場是固井工藝及水泥漿性能優化設計的前提條件。當前工業界最常用的預測固井井筒溫度場的方法是美國石油學會（API）提出的半經驗方法[19]，但該方法是基于鄰井資料的一種估算方法，相對誤差較大。Davies等[20]、Bittleston[21]、Guillot等[22]分別建立了熱傳導物理模型來提高固井井筒溫度預測的精度。針對固井井筒壓力場的研究，Carter等[23]首先發現了候凝期間壓力降低的現象；在此基礎上，國內外學者通過實驗研究，形成了相關理論及壓力預測公式[24-26]。

在深水固井過程中，井筒內水泥漿的水化性能對溫度和壓力非常敏感，低溫低壓環境會降低水泥漿的水化速率，進而導致水泥漿水化度、膠凝強度等水化性能隨時間、空間發生變化[27-28]。同時，水泥漿水化熱的釋放會使水泥溫度升高，在熱膨脹作用下誘發水泥環內熱應力增大，進而導致水泥環內微裂縫的形成[29]；水泥漿水化過程的“失重現象”導致水泥環內部壓力隨時間不斷下降，也會誘發固井時氣竄風險的產生[30-31]。基于水泥漿水化動力學理論，王雪瑞等[32]充分考慮水泥漿水化反應、溫度、壓力三者的相互作用，構建了深水固井井筒溫度壓力耦合預測模型。圖2為深水固井井筒內水泥漿瞬態溫度、壓力剖面，該模擬井所處水深為1 260 m，井深為2 560 m，水泥漿密度為1.80 g/cm3，地溫梯度為4℃/100 m，井眼尺寸為660 mm。為了預防固井氣竄風險的發生，精確的溫度/壓力預測是進行水力參數優化設計的前提條件。

3.2 深水鉆井井涌動態模擬技術

深水鉆井井涌發生后，地層流體侵入到井筒內，此時井筒內流體流動由穩態的液固兩相流轉化為非穩態的氣、液、固、超臨界相四相流動。基于井筒四相流動理論，可以對井涌后井筒內多相流動過程進行模擬，并且對井涌過程進行動態預測，為工程師識別井涌特征，進而消除氣侵流體提供理論指導[33-34]。

圖2 深水固井水泥漿瞬態溫度、壓力剖面圖

3.2.1 水合物相變影響下的井筒氣侵特征

當侵入井筒的烴類氣體運移到井筒中低溫高壓位置附近時，烴類氣體容易與井筒內水相結合生成固態的水合物。借助井筒四相流動理論，獲取井筒溫度、壓力曲線，再結合水合物相平衡曲線，兩者形成的閉合區域所對應的深度范圍即為水合物的生成區域（圖3-a），在水合物生成區域內，相同深度的水合物相平衡溫度與井筒溫度的差值即為水合物生成的過冷度，該區域橫向寬度越大則過冷度越大，水合物生成速率則越高。通常在海床附近，由于井筒內處于低溫高壓環境，容易生成水合物。如圖3-b所示，水合物生成會耗掉一部分氣體，但伴隨著流體在環空內繼續上移，固相水合物會再次分解生成水和烴類氣體，水合物相態變化明顯影響著井筒氣體體積分數的分布特征[12]。該模擬井所處水深為1 500 m，井深為4 000 m，鉆井液密度為1.10 g/cm3，地溫梯度為2.7 ℃/100 m，排量為30 L/s，地層壓力為45.6 MPa，氣相滲透率為550 mD，產層厚度為15 m。

深水鉆井井涌過程中，井筒內水合物的生成將改變井筒內的氣侵特征，若有大量水合物生成甚至會導致井筒被堵塞，增加了深水鉆井井控難度。目前，主要有3種深水鉆井井筒水合物控制方法：①基于井筒四相流動模型，精確模擬井筒中流體的流動，明確受水合物相變影響下的井筒氣侵特征，進而提高井涌早期檢測的準確性；②基于井筒四相流動模型，優化深水鉆井排量、鉆井液密度等水力參數，使井筒內水合物生成區域范圍減小；③向井筒內注入水合物抑制劑，并且基于井筒四相流動模型確定合理的抑制劑注入量，以避免井筒內水合物的生成。

3.2.2 高含酸性氣體相變影響下的井筒氣侵特征

當侵入井筒的酸性氣體處于井底高溫高壓環境，并且溫度、壓力大于該酸性氣體的臨界溫度、壓力（CO2臨界溫度為31.05 ℃、臨界壓力為7.38 MPa；H2S臨界溫度為100.45 ℃、臨界壓力為9.00 MPa）時，酸性氣體會處于超臨界態。借助井筒四相流動理論，獲取井筒溫度、壓力曲線，再結合酸性氣體臨界溫度、壓力條件，則可以確定酸性氣體超臨界相態在井筒內的穩定分布區域。

基于井筒多相流動理論，結合酸性氣體溶解度方程，可以獲取含酸性氣體氣侵過程中的井筒內溶解度分布。H2S及CO2溶解度遠大于CH4，前兩者溶解度分別為CH4溶解度的162倍和11倍。因此，隨著混合氣體中酸性組分含量的增加，氣體溶解度也隨之升高。但在井筒淺部，由于溫度壓力降低，氣體溶解度明顯降低（圖4-a）。

基于井筒多相流動理論，綜合考慮酸性氣體超臨界特性及酸性氣體的溶解，研究高含酸性氣體相變影響下的井筒氣侵特征。酸性氣體在井底為超臨界態，密度較高，大量溶解，并且酸性氣體含量越高，氣體體積分數越小。當酸性氣體運移至井口附近時，由于溫度、壓力的降低，酸性氣體發生相變，由超臨界態變為氣態，氣體急劇膨脹，并且酸性氣體含量越高，氣體膨脹程度越大；同時，在井口附近由于酸性氣體溶解度迅速降低使酸性氣體大量溢出，酸性氣體含量高的氣體體積分數明顯高于酸性氣體含量低的氣體體積分數（圖4-b），該模擬井所處水深為1 000 m，井深為4 000 m，鉆井液密度為1.13 g/cm3，地溫梯度為2.7 ℃/100 m，排量為30 L/s，地層壓力系數為1.17 MPa/100 m。因此，高含酸性氣體相變影響下的井筒氣侵具有隱蔽性強的特征[9]，從而對深水鉆完井安全會造成嚴重的威脅。

圖3 水合物相變影響下的井筒氣侵特征曲線圖

圖4 高含酸性氣體相變影響下的井筒氣侵特征曲線圖

由于高含酸性氣體相變影響下的井筒氣侵隱蔽性強，增加了深水鉆井井控難度。目前，應對高含酸性氣體相變影響下的井筒氣侵難題主要有3種方法：①基于井筒四相流動模型，精確模擬井筒中流體的流動，明確受高含酸性氣體相變影響下的井筒氣侵特征，進而提高井涌早期檢測的準確性；②基于井筒四相流動模型，優化深水鉆井水力參數，抑制酸性氣體在井筒內的膨脹，如通過增加井口回壓，來防止酸性氣體在井口快速膨脹；③向井筒內注入酸性氣體抑制劑，基于井筒四相流動模型來確定抑制劑合理注入量，如圖5所示，隨著抑制劑注入量的增加，酸性氣體被不斷消耗，使泥漿池增量降低。

圖5 不同抑制劑濃度下泥漿池增量變化曲線圖

3.3 壓井優化設計技術

井涌、氣侵發生后，需要借助壓井來排出侵入井筒的流體，進而重新建立井筒內壓力平衡以防止溢流的進一步發生[35-36]。在壓井液的驅動下，侵入井筒的流體從井底運移到井口再排出井筒，井筒內為一個組分復雜的四相流動過程，同時還會發生復雜的多相流型轉化。借助井筒四相流動理論，通過模擬壓井過程中井筒內流動過程，為壓井水力參數設計提供支撐。

壓井井筒內的多相流動模擬需要考慮多種因素的影響，包括不同氣體在鉆井液內的溶解度、在溫度/壓力作用下氣體沿井筒的膨脹過程、超臨界流體的相態變化、井筒內不同流型間的相互轉化等。此外，由于在壓井過程中逐漸采用加重鉆井液來替換原鉆井液，使得壓井井筒內多相流動呈現復雜的瞬態變化過程。基于井筒四相流動理論，動態模擬壓井過程中井筒內的壓力瞬態變化，進而為壓井時壓井液密度、壓井排量、立壓、套壓等水力參數設計提供支撐。圖6展示了壓井過程中立壓、套壓的模擬曲線，該模擬井所處水深為600 m，井深為3 000 m，原鉆井液密度為1.15 g/cm3，加重鉆井液密度為1.42 g/cm3，地溫梯度為3.3 ℃/100 m，壓井排量為30 L/s，地層壓力為39.6 MPa，產出氣速率為100 L/s。

如圖6所示，司鉆法壓井過程中井口立壓的變化可以劃分為3個階段：在階段Ⅰ，使用原鉆井液驅替井筒內的溢流氣體，該階段立壓無明顯變化；在階段Ⅱ，加重鉆井液進入鉆桿，該階段立壓下降明顯；在階段Ⅲ，加重鉆井液充滿鉆桿后進入環空，立壓維持不變。井口套壓的變化可以分為4個階段：在階段Ⅰ，溢流氣體在原鉆井液的驅動下向井口運移，由于受到酸性氣體膨脹作用的影響，該階段井口套壓不斷增加；在階段Ⅱ，溢流氣體運移到井口再逐漸從井口排出，該階段井口套壓逐漸下降；在階段Ⅲ，環空內氣體已經全部排空，該階段井口套壓無明顯變化；在階段Ⅳ，由于加重鉆井液進入環空，該階段井口套壓又逐漸下降，然后重新建立井筒內壓力平衡。

圖6 壓井過程中立壓、套壓模擬曲線圖

3.4 深水氣井測試流動保障技術

在深水氣井測試過程中，水合物的生成可能會導致井筒堵塞，嚴重時甚至會引發憋壓、生產停滯等安全事故[37-38]。當前常用的水合物防治方法是向測試管柱內注入大量熱力學抑制劑（甲醇、乙二醇等），從而使整個井筒中無水合物生成區域。該方法雖然能較有效地預防水合物生成，但仍面臨諸多問題。如水合物抑制劑的注入量會隨著氣產量和含水率增大而大幅上升，進而極大增加了水合物預防成本；對于深水高壓氣井而言，由于水合物抑制劑注入壓力顯著升高，明顯增加了水合物抑制劑注入的難度；當前，對海洋環境保護要求高，而一旦發生水合物抑制劑泄露，很容易引發海洋污染。

隨著對井筒多相流動理論的研究逐步深入，針對深水氣井測試過程中水合物的防治也形成了新的方法。由于部分水合物顆粒會隨氣相一起流動，生成的水合物并不都會沉積在管壁上，而且，發生水合物沉積也并不意味著井筒就會被堵塞。如圖7-a所示，隨著測試時間延長，測試管柱內壁上的水合物沉積層逐漸增厚，并且測試時間越長，水合物沉積層厚度的分布越不均勻，最厚的位置則是發生水合物堵塞風險概率最高的地方。若測試管柱中的最大水合物沉積層厚度超過臨界值，就意味著管柱中已存在水合物堵塞風險[39]。在此基礎上，提出了一種拓展安全作業窗口的水合物堵塞防治方法[40]。如圖7-b所示，在不同的乙二醇濃度條件下，隨著測試時間延長，最大無因次厚度逐漸增大。設置臨界厚度為0.5，針對不同測試時間則可以進行水合物抑制劑濃度的優選，進而減少水合物抑制劑的大量盲目使用，從而降低深水氣井測試期間的水合物防治成本。圖6涉及的模擬井水深為1 530 m，井深為3 450 m，地層壓力為37.6 MPa，地溫梯度為3 ℃/100 m，井底溫度為90.5 ℃，測試管柱內徑為85.6 mm，天然氣產量為45×104m3/d，天然氣相對密度為0.631，液體產量為20 m3/d。

圖7 井筒中水合物流動障礙演化規律變化曲線圖

另外，針對水合物堵塞的防治，還提出了一種合理調整測試制度的方法。該方法通過高測試產量下的溫度升高來分解在低測試產量下生成、沉積在管壁上的水合物，進而減輕管柱中水合物的堵塞程度，可以避開水合物抑制劑的使用，對海洋環境保護有明顯優勢[41]。

4 深水鉆井井筒多相流動理論發展趨勢展望

目前，井筒多相流動理論已經廣泛應用于深水鉆完井工程的各個領域，所取得的研究成果為深水鉆完井安全高效施工提供了技術支撐。但是，在深水鉆完井某些特殊工況下，當前的井筒多相流動理論在應用時還存在一定的局限性。

4.1 井筒與深水特殊地層耦合作用機制

對于一些深水特殊地層，受井筒多相流動的擾動影響顯著，易發生惡性漏失。目前，井筒多相流動理論對于該類特殊地層中井筒與地層流體耦合作用機制考慮不足，具體表現在以下3個方面。

4.1.1 縫洞型儲層

縫洞型儲層孔、洞、裂縫發育，鉆遇該類地層則容易發生惡性漏失，如何精確預測惡性漏失對井筒多相流動的影響，并且通過精確控制井筒壓力、優化工作液體系，結合其他堵漏技術來處理該類特殊地層鉆井的復雜問題，仍有待研究。

4.1.2 大段鹽膏層

大段鹽膏層容易發生蠕變流動和塑性變形，鹽膏層的溶解會引起工作液污染、井壁垮塌、沉沙卡鉆、結晶堵塞等問題。針對該類特殊地層，需要進一步研究鹽膏層溶解對井筒流體流動的影響機制，完善考慮鹽膏層溶解影響下的井筒多相流動理論，以及應對該復雜工況的鉆井液與固井水泥漿體系。

4.1.3 深水淺層流、淺層氣

深水淺層流、淺層氣普遍發育在我國南海海域，由于其所處的層位淺、體積小、壓力高，預測難度大，一旦發生井涌井噴，危險系數大。針對該類特殊地層，需要完善高壓、大氣量氣侵情況下的井筒多相流動模型，如何及時有效地消除其影響也需要開展深入的研究。

4.2 深海天然氣水合物鉆井井筒多相流動理論

深海天然氣水合物是重要的海洋能源之一，其儲量大、埋藏淺、能量密度高并且分布范圍廣。在水合物的鉆采過程中井筒內流體流動對儲層會產生明顯擾動，導致水合物層發生相態變化，進而破壞其穩定性。目前，針對深海天然氣水合物的開發，還有很多工作仍處于探索階段，其中水合物層鉆井井筒多相流動理論尚需要進一步發展。

4.2.1 水合物層鉆井對儲層擾動機理研究

在深海天然氣水合物層鉆井過程中，由于受到井筒內鉆井液流動的影響，井筒與水合物層之間發生熱量交換，從而打破水合物相平衡，導致近井地帶水合物層過早分解，從而降低水合物層正式開采后的天然氣采出量。為此，有必要開展水合物層鉆井過程中井筒多相流與儲層的相互作用機制。

4.2.2 水合物層鉆井井壁穩定性研究

水合物層鉆井對儲層的擾動作用會導致井筒周邊水合物層分解，弱化儲層力學性質，進而在井筒流體流動作用下容易誘發井壁失穩、坍塌等事故發生。因此，有必要考慮井筒多相流動、水合物層相平衡及近井地帶應力場的綜合影響，開展水合物層鉆井井壁穩定性的研究。

4.2.3 水合物層固井井筒氣竄機理研究

在水合物層固井過程中，水泥漿發生水化反應將釋放出大量的熱，進而誘發井筒附近水合物分解，導致水泥環與儲層交界面力學特性的弱化，極易破壞該交界面的封固完整性，使水合物層分解氣和水沿破裂的水泥環與儲層交界面發生竄流，嚴重威脅井筒安全性。因此，有必要開展水合物層固井井筒氣竄機理研究。

4.3 支撐深水鉆井新技術的井筒多相流動理論

近幾年國外出現了許多深水鉆井新技術，如深水無隔水管鉆井、深水泥漿帽鉆井、深水雙梯度鉆井等。雖然這些新技術還未在我國得到應用，但伴隨我國油氣勘探開發向深水邁進，這些新技術極有可能應用于我國南海，因而針對這些鉆井新技術的具體工藝，還需要進一步完善井筒多相流動理論來支撐。

5 結論

1）基于深水鉆完井井筒四相流動理論，能夠充分考慮深水井筒中的各種物理化學現象，可以實現井筒瞬態溫度、壓力的精確刻畫，為深水鉆完井水力參數優化設計提供堅實的理論基礎。

2）深水鉆井井涌發生后，在泥線低溫高壓環境作用下，井筒內氣相易發生水合物相變，從而改變井筒氣體體積分數的分布特征，基于井筒四相流動理論能夠進一步揭示含水合物相變的井涌氣侵特征。

3）在井底高溫高壓作用下，井筒酸性氣氣體存在超臨界相變，導致高含酸性氣體的氣侵具有“隱蔽性”，基于井筒四相流動理論能夠揭示酸性氣體氣侵機理，為井涌早期監測提供理論依據。

4）深水氣井測試過程中，井筒四相流動理論能夠準確刻畫井筒內水合物沉積、堵塞全過程，為深水氣井測試過程中水合物的防治提供理論依據。