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(lái)越多的鉆井作業(yè)實(shí)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(hù)儲(chǔ)層等方面有重要作用[2]。而目前在對(duì)鉆井液性能進(jìn)行評(píng)價(jià)的過(guò)程中，大多數(shù)鉆井液評(píng)價(jià)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(duì)鉆井液性能的影響。在實(shí)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(dòng)，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(jìn)而對(duì)鉆井工作產(chǎn)生影響[3]。鉆井液動(dòng)態(tài)模擬裝置可以將油田現(xiàn)場(chǎng)的井況在實(shí)驗(yàn)室里模擬出來(lái)，將現(xiàn)場(chǎng)“搬進(jìn)”實(shí)驗(yàn)室，消除了對(duì)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(duì)油田化學(xué)新技術(shù)的開(kāi)發(fā)有很大價(jià)值[4]。在實(shí)驗(yàn)室中使用同樣組分的鉆井液在模擬地下真實(shí)情況的動(dòng)態(tài)循環(huán)模擬裝置中進(jìn)行試驗(yàn)，對(duì)于獲得鉆井液的各項(xiàng)性能指標(biāo)，優(yōu)選出性能優(yōu)良的鉆井液體系以及實(shí)現(xiàn)安全、高效的鉆井起到十分重要的作用。

1 模擬實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)理論

實(shí)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(duì)工程中的水力學(xué)問(wèn)題進(jìn)行求解存在許多困難，必須通過(guò)理論分析、數(shù)值計(jì)算與模擬實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法加以解決。由于實(shí)物的尺寸較大，在實(shí)物上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)會(huì)耗費(fèi)大量的人力和物力，所以要把所需研究的對(duì)象制作成各種比尺（一般是縮小）的模型，利用模型進(jìn)行試驗(yàn)研究重演與原型相似的現(xiàn)象。相似原理則是模型試驗(yàn)的理論依據(jù)，也是分析水力學(xué)問(wèn)題的有效方法，因此必須對(duì)模型試驗(yàn)的原理和方法有全面的認(rèn)識(shí)。

1.1 相似性

為使模型流動(dòng)能表現(xiàn)出原型流動(dòng)的主要現(xiàn)象和特性，并從模型流動(dòng)上預(yù)測(cè)出原型流動(dòng)的結(jié)果，就必須使兩者在流動(dòng)上相似。根據(jù)相似原理，兩相似流動(dòng)應(yīng)滿足幾何相似、運(yùn)動(dòng)相似、動(dòng)力相似?！皫缀蜗嗨啤敝性团c模型中對(duì)應(yīng)的幾何線形尺寸成比例，對(duì)應(yīng)的幾何角度相等；“運(yùn)動(dòng)相似”中原型與模型中對(duì)應(yīng)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)如速度、加速度方向一致，大小成比例[5]。“動(dòng)力相似”是原型與模型中對(duì)應(yīng)點(diǎn)處受力方向相同，大小成比例[6]。幾何相似是運(yùn)動(dòng)相似和動(dòng)力相似的前提和依據(jù)，動(dòng)力相似是決定兩流動(dòng)相似的主導(dǎo)因素，運(yùn)動(dòng)相似則是幾何相似和動(dòng)力相似的表象。

以Fn表示原型中某點(diǎn)上的力，以Fm表示模型中對(duì)應(yīng)點(diǎn)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(duì)象的密度，ln、lm分別為原型與模型中研究對(duì)象的長(zhǎng)度，vn、vm分別為原型與模型中研究對(duì)象的速度。

1.2 相似準(zhǔn)則

動(dòng)力相似可以用相似準(zhǔn)數(shù)表示，若原型和模型流動(dòng)動(dòng)力相似，則各同名相似準(zhǔn)數(shù)均相等。要達(dá)到主要?jiǎng)恿ο嗨凭蛻?yīng)該根據(jù)所研究或所需解決的原型流動(dòng)的性質(zhì)來(lái)決定，根據(jù)流動(dòng)的性質(zhì)來(lái)選取決定性相似準(zhǔn)數(shù)。以決定性相似準(zhǔn)數(shù)來(lái)判斷是否滿足了主要?jiǎng)恿ο嗨?，只要滿足了決定性相似準(zhǔn)數(shù)相等，就滿足了主要?jiǎng)恿ο嗨?，抓住了解決問(wèn)題的實(shí)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(gè)特例，其物理意義為慣性力和黏性力的比。要保證動(dòng)力相似，則原型和模型上對(duì)應(yīng)點(diǎn)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(méi)在流體中或完全封閉的流動(dòng)（如鉆井管路鉆井液流動(dòng)，僅需計(jì)入慣性力和黏性力）。

1.2.2 歐拉數(shù)相似

對(duì)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(duì)部分井段的模擬，是因?yàn)闅W拉數(shù)的計(jì)算是基于實(shí)際工況中某段井身結(jié)構(gòu)得出來(lái)的。同時(shí)，歐拉數(shù)相等也是牛頓數(shù)相等的一個(gè)特例，其物理意義為壓力與慣性力之比。要保證動(dòng)力相似，則原型和模型對(duì)應(yīng)點(diǎn)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(méi)在流體中的物體表面上的壓力或壓強(qiáng)分布時(shí)，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(gè)特例，其表示慣性力和重力之比，反映了流體流動(dòng)中重力所起的影響程度[8]。要保證 動(dòng)力相似，則原型和模型對(duì)應(yīng)點(diǎn)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(dòng)的各種流動(dòng)（重力起主要作用的流動(dòng)）。

2 鉆井液常規(guī)模擬實(shí)驗(yàn)裝置

隨著鉆井液在鉆井作業(yè)和油氣層保護(hù)中起到越來(lái)越重要的作用，研究人員越來(lái)越重視鉆井液模擬裝置的研究，并針對(duì)鉆井作業(yè)過(guò)程中鉆井液的流變性能、潤(rùn)滑性能、攜巖性能、井壁穩(wěn)定等問(wèn)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(cè)定儀僅可以測(cè)量出一定條件下鉆井液的靜濾失量及所形成濾餅的厚度?？紤]到鉆井液流速和流態(tài)的影響，動(dòng)濾失量對(duì)現(xiàn)場(chǎng)鉆井作業(yè)過(guò)程具有更大的參考價(jià)值[9]。國(guó)外較早地對(duì)動(dòng)態(tài)濾失模擬實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行了研究[10]，利用錐形裝置對(duì)濾餅表面進(jìn)行剪切作用從而模擬鉆井液流動(dòng)狀態(tài)，測(cè)量不同剪切速率下鉆井液的動(dòng)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(duì)井壁的剪切作用的高溫高壓鉆井液動(dòng)濾失模擬裝置[11]。該模擬裝置的壓差由建立在巖芯座或?yàn)V紙座兩端的壓力差實(shí)現(xiàn)，最大壓差為8MPa；溫度模擬由加熱套實(shí)現(xiàn)，控溫范圍為室溫至180℃；通過(guò)電機(jī)帶動(dòng)錐形轉(zhuǎn)子實(shí)現(xiàn)剪速模擬，來(lái)模擬鉆井液對(duì)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(duì)泥漿動(dòng)濾失性能的影響，研究發(fā)現(xiàn)鉆井液的動(dòng)濾失與靜濾失不同，動(dòng)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(jì)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(shí)現(xiàn)了模擬現(xiàn)場(chǎng)濾失的壓力、溫度及地層情況，使得試驗(yàn)數(shù)據(jù)更加逼近真實(shí)，分析處理結(jié)果也具有更高的參考價(jià)值。

井漏是鉆井過(guò)程中普遍存在的問(wèn)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(duì)鉆井工作危害極大。針對(duì)國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的API室內(nèi)靜態(tài)堵漏評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)裝置的漏床和縫板的位置和結(jié)構(gòu)不合理，不能真實(shí)地模擬漏失地層的實(shí)際情況，而且鋼珠漏床試驗(yàn)和縫板試驗(yàn)不能同時(shí)進(jìn)行等問(wèn)題，余維初等研制了新型智能高溫高壓動(dòng)態(tài)堵漏評(píng)價(jià)系統(tǒng)[13]，可有效解決上述問(wèn)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(guò)靜態(tài)狹縫實(shí)驗(yàn)和動(dòng)態(tài)狹縫實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)堵漏材料對(duì)人造裂縫和漏床的堵漏效果，并測(cè)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(duì)地層損害小的堵漏劑。針對(duì)復(fù)雜地質(zhì)條件、超深井鉆井作業(yè)，竇斌等設(shè)計(jì)了一套模擬漏失地層堵漏實(shí)驗(yàn)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(kāi)啟壓力，模擬常規(guī)漏失地層以及真實(shí)漏失地層，用于評(píng)價(jià)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(píng)價(jià)及堵漏工藝設(shè)計(jì)提供了實(shí)驗(yàn)參考。

在鉆井過(guò)程中，鉆井液常常會(huì)對(duì)油氣田儲(chǔ)層造成損害。為了達(dá)到油氣開(kāi)采目的，應(yīng)盡量預(yù)防和減少對(duì)油氣層的損害。目前常規(guī)的室內(nèi)研究方法主要是通過(guò)儲(chǔ)層巖芯或標(biāo)準(zhǔn)巖芯流動(dòng)實(shí)驗(yàn)來(lái)研究巖芯損害的程度和機(jī)理。王永恒等研制了MFC-Ⅰ型高溫高壓多功能組合損害評(píng)價(jià)系統(tǒng)[15]，可用于評(píng)價(jià)水平井鉆井過(guò)程中儲(chǔ)層特性、浸泡時(shí)間和鉆具偏心等條件因素對(duì)儲(chǔ)層損害的影響，優(yōu)點(diǎn)是能夠同時(shí)進(jìn)行多個(gè)巖芯實(shí)驗(yàn)。劉洪亮等研制了高溫高壓動(dòng)態(tài)損害評(píng)價(jià)系統(tǒng)[16]，該系統(tǒng)能夠模擬井下高溫高壓和鉆井液的動(dòng)態(tài)循環(huán)過(guò)程。此外該系統(tǒng)具有微機(jī)跟蹤顯示和自動(dòng)采集數(shù)據(jù)的功能，提高了實(shí)驗(yàn)測(cè)試精度。

3 鉆井液循環(huán)模擬實(shí)驗(yàn)裝置

在石油鉆井試驗(yàn)及研究中，由于現(xiàn)場(chǎng)鉆井井下的隱蔽性和復(fù)雜性，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)并不是完全理想的、經(jīng)濟(jì)的和科學(xué)的試驗(yàn)方法[17]。研究人員研制的鉆井液模擬裝置只能對(duì)鉆井液動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行局部模擬，但是在實(shí)際鉆井作業(yè)過(guò)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(dòng)。針對(duì)上述問(wèn)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(dòng)特性、攜巖特性、濾失性能等性能的機(jī)理與特點(diǎn)，研制了一系列鉆井液循環(huán)模擬實(shí)驗(yàn)裝置。

3.1 常溫常壓可視實(shí)驗(yàn)裝置

該系列實(shí)驗(yàn)裝置一般由透明的有機(jī)玻璃制作模擬循環(huán)井筒，其優(yōu)點(diǎn)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(yùn)移方式等，對(duì)研究鉆井液的流動(dòng)特性、攜帶出巖屑的最低上返速度以及巖屑床的形成機(jī)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(shí)驗(yàn)裝置[19]，該試驗(yàn)井筒總長(zhǎng)為10m ，有效測(cè)試長(zhǎng)度可達(dá)6m。主測(cè)試管是由內(nèi)徑為120mm的有機(jī)玻璃外筒和外徑為73mm的金屬內(nèi)管組成，有機(jī)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(guò)軸承與油馬達(dá)及管架聯(lián)結(jié)，通過(guò)調(diào)節(jié)法蘭盤及油馬達(dá)可以實(shí)現(xiàn)內(nèi)管偏心度及轉(zhuǎn)速的變化，裝置底座通過(guò)鉸接連接在滑輪和起升架上，通過(guò)控制起升按鈕，可使整個(gè)裝置沿起落軌道實(shí)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(guò)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)裝置的攜砂管內(nèi)徑為65mm，設(shè)計(jì)管體可以傾斜至需要的角度，并可通過(guò)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(shí)驗(yàn)裝置[21]，該裝置以可視井筒為核心，井筒內(nèi)具有與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)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(jì)了空氣泡沫鉆井模擬試驗(yàn)裝置[22]，該模擬裝置設(shè)計(jì)了與井身結(jié)構(gòu)相似的環(huán)形空間，盡量真實(shí)模擬鉆井工況。模擬井筒結(jié)構(gòu)尺寸根據(jù)相似原理進(jìn)行設(shè)計(jì)，由內(nèi)外2層管組成封閉流動(dòng)系統(tǒng)，內(nèi)筒為不銹鋼鋼管，外筒為透明的有機(jī)玻璃管，能夠直接觀察泡沫的流動(dòng)狀態(tài)。為簡(jiǎn)化試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)僅進(jìn)行常溫低壓下的測(cè)試，同時(shí)該試驗(yàn)裝置具有良好的功能擴(kuò)展能力。董長(zhǎng)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(yàn)?zāi)M裝置[23]。其中主體井筒模擬裝置是該試驗(yàn)系統(tǒng)的核心，采用透明耐壓材料制成，內(nèi)徑140mm，外徑200mm，長(zhǎng)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(jì)并制作了一套動(dòng)態(tài)模擬鉆井液循環(huán)流動(dòng)的實(shí)驗(yàn)裝置用于試驗(yàn)、教學(xué)和研究[24]。該裝置采用有機(jī)玻璃進(jìn)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(shí)驗(yàn)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(shí)研制出改進(jìn)的氣液分離器并新設(shè)計(jì)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(duì)改進(jìn)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(diǎn)是溫度和壓力不能模擬井下真實(shí)情況，鉆井液的流變性與實(shí)際情況有很大的差別。

3.2 高溫高壓不可視實(shí)驗(yàn)裝置

高溫高壓不可視實(shí)驗(yàn)裝置一般由耐壓能力較強(qiáng)的鋼化結(jié)構(gòu)作為循環(huán)井筒，同時(shí)配制加溫系統(tǒng)，其優(yōu)點(diǎn)是能夠模擬井下溫度和壓力，與井下情況接近，其實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)較真實(shí)可靠。國(guó)內(nèi)較典型的是張振華等人根據(jù)以往對(duì)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(wèn)題的研究所使用的試驗(yàn)裝置（有機(jī)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(dòng)試驗(yàn)裝置，對(duì)可循環(huán)微泡沫鉆井液在高溫高壓條件下的流動(dòng)規(guī)律進(jìn)行了試驗(yàn)研究[26]。該可循環(huán)微泡沫鉆井液高溫高壓流動(dòng)試驗(yàn)裝置試驗(yàn)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(yàn)壓力為18MPa，最高試驗(yàn)溫度為245℃。試驗(yàn)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(cè)得。

Tulsa大學(xué)利用“鉆井技術(shù)研究項(xiàng)目”中的鉆井過(guò)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(duì)巖屑攜帶的影響程度，同時(shí)在水平井套管環(huán)空中模擬井下條件對(duì)泡沫輸送巖屑開(kāi)展了實(shí)驗(yàn)性研究[28]，旨在模擬井下條件對(duì)泡沫輸送巖屑進(jìn)行研究以準(zhǔn)確獲取井底壓力和預(yù)測(cè)ECD。該系列裝置的缺點(diǎn)是它的不可視性，不利于微觀機(jī)理深入研究，其試驗(yàn)結(jié)果有時(shí)不能從微觀上給予詳細(xì)解釋。

3.3 相對(duì)高壓可視實(shí)驗(yàn)裝置

相對(duì)高壓可視實(shí)驗(yàn)裝置可視且耐一定的壓力，可以真實(shí)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(guó)賓夕法尼亞大學(xué)S.B. Supon等人在1991年設(shè)計(jì)完成了空氣鉆井模擬裝置[29-31]，該裝置是用來(lái)模擬干空氣鉆井作業(yè)，通過(guò)用粗砂和細(xì)砂兩種不同粒徑的砂粒相混，以模擬旋轉(zhuǎn)鉆井中巖屑進(jìn)入井筒情況。砂和空氣混合物進(jìn)入環(huán)空底部，再經(jīng)環(huán)空流動(dòng)到設(shè)備頂部，由漩流分離器將砂和空氣分離開(kāi)來(lái)，空氣放入大氣，砂粒通過(guò)漏斗再次進(jìn)入循環(huán)系統(tǒng)。該裝置能夠較好地研究干空氣運(yùn)移鉆屑的規(guī)律以及巖屑在空氣鉆井中運(yùn)移的微觀機(jī)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(shí)驗(yàn)裝置[32]，該模擬裝置的模擬井筒是整個(gè)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的關(guān)鍵部位，耐溫90℃，耐壓15MPa，能夠通過(guò)井筒上的視窗觀察井筒內(nèi)介質(zhì)流動(dòng)和運(yùn)行狀態(tài)，并且模擬井筒井斜角可調(diào)。通過(guò)該模擬裝置可以模擬超臨界二氧化碳在鉆井過(guò)程中鉆井液的流動(dòng)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(shí)驗(yàn)方法和研究手段。為了滿足深水鉆井液性能測(cè)定與評(píng)價(jià)的基本要求，邱正松等人在理論推導(dǎo)并結(jié)合實(shí)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(shí)驗(yàn)裝置[33]。該模擬實(shí)驗(yàn)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(guò)程，進(jìn)行低溫流動(dòng)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(dòng)模擬實(shí)驗(yàn)架[34]。該模擬實(shí)驗(yàn)架綜合考慮了加工條件和室內(nèi)實(shí)驗(yàn)條件，設(shè)計(jì)環(huán)空實(shí)驗(yàn)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(jī) PVC 管，內(nèi)桿為不銹鋼管，總長(zhǎng)為 4.2m，實(shí)驗(yàn)段連接在起吊裝置上，最大傾角可達(dá)到 32°(與水平方向)。最大測(cè)試壓力為 2.3MPa，最大測(cè)試溫度為 78℃。通過(guò)對(duì)泡沫攜巖實(shí)驗(yàn)方法的研究，形成了一種評(píng)價(jià)不同工況下泡沫流體或其它氣基流體攜巖能力的實(shí)驗(yàn)新方法，同時(shí)為研究其它流體的井筒流動(dòng)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(shí)可視性好，能觀察筒內(nèi)流體流動(dòng)狀態(tài)和運(yùn)行情況。

4 模擬實(shí)驗(yàn)裝置的發(fā)展趨勢(shì)

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

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

（3）實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷某叽缦虼笮突l(fā)展。增大實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ统叽?，不僅可以使研究的問(wèn)題與實(shí)際情況更接近，而且便于所取得的數(shù)據(jù)直接在現(xiàn)場(chǎng)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(shí)驗(yàn)裝置才能符合相似原理。

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

（5）實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜏y(cè)量的要求更高。盡量采用計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)自動(dòng)采集技術(shù)，對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)，如壓力、溫度、流量等實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)采集，程序化處理，最大限度地減少人為干擾[38]。

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