孙宝江 王雪瑞 孙小辉 李 昊 王志远 高永海 卢义玉

1. 中国石油大学（华东）石油工程学院 2. 重庆大学资源与安全学院

0 引言

我国南海主要盆地的油气资源量为707.8×108t，加大海洋深水油气开发是破解我国能源安全风险难题的必然选择之一[1-2]。随着“深水”战略的逐步实施，我国深水油气勘探开发业务蓬勃发展。

井筒多相流动贯穿于钻完井整个过程，包括钻井、固井、完井、测试等。传统的井筒两相、三相流动理论经过了多年发展，能够准确模拟陆地和浅海钻完井过程中的流动问题[3-4]。基于井筒多相流理论，实现了钻完井过程中井筒内流动状态的动态模拟，为钻完井井筒钻井液动态当量密度及井眼清洁、井壁稳定等问题的水力参数优化提供了理论依据，有效避免了钻完井过程中安全事故的发生。

但是，较之于陆地和浅海，深水钻完井却面临着许多新的工程难题，例如海底低温诱发天然气水合物（以下简称水合物）生成、高温高压环境下存在的酸性气体发生超临界相态变化，以及窄安全密度窗口导致井涌、井漏等复杂事故。上述难题均与井筒多相流动密切相关，若要提高井筒多相流动的计算精度，就需要在理论研究方面取得一定突破，进而对井筒多相流动理论提出了更高的要求。

深水钻完井过程中，井筒内是气相、液相、固相及超临界相四相共存的复杂多相流动过程。其中，气相主要是产出的地层流体中包含的气体，包括各种烃类与酸性气体；液相主要是指井筒内流动的各类钻完井液，包括钻井液、完井液、水泥浆等；固相主要包括钻井过程中产生的岩屑、深水环境下生成的水合物等；超临界相主要是指地层中产出的酸性天然气在高温高压条件下形成的超临界态。流体在井筒中的流动过程受温度、压力变化的影响，将发生气相与超临界相、气相与水合物固相之间的转换。此外，井筒流体由井底向井口的流动过程中，在多相、多组分以及相态变化的综合作用影响下，井筒内多相流存在着气泡流、弹状流、搅动流等多种流型之间的复杂转换。

因此，深水钻完井过程中井筒内流体流动是一个多组分、存在着相变及流型转化的复杂四相流动过程。为了进一步揭示深水钻完井井筒多相流动规律，笔者基于井筒四相流动理论，阐述了其在深水油气钻完井工程领域的应用进展；然后，针对该理论在深水钻完井某些特殊工况下存在的局限性，展望了井筒多相流动理论未来的发展趋势，以期为我国深水钻完井工程的发展提供指导。

1 深水钻完井井筒多相流面临的特殊问题

深水钻完井过程中，井筒流体在深水环境影响下呈现出与陆地钻井不同的特征，从而导致深水钻完井井筒多相流面临特殊的问题。

1.1 深水钻完井井筒交变温度环境

深水钻完井井筒处于海底低温、井底高温的交变温度场环境[5]。通常，深水海底泥线处温度较低，而泥线以下地层温度不断增加。深水特殊的温度、压力环境对钻井过程中井筒内钻井液的流变性影响明显，对固井过程中水泥浆的水化性能影响也显著，从而影响深水钻完井井筒多相流动过程。

1.2 水合物相态变化

深水海床附近处于低温、高压环境，容易导致井筒内烃类气体与水结合生成水合物[6]。钻井过程中，水合物的生成会显著改变井筒内气体组分，从而影响井筒多相流动特征和流动规律。在深水气井测试过程中，水合物的生成、沉积可能会导致井筒堵塞，严重时甚至可能引发憋压、生产停滞等安全事故。

1.3 酸性气体超临界相态变化

我国南海深水钻井过程中，侵入井筒的流体通常高含H2S、CO2等酸性气体[7]。在井底高温高压环境下酸性气体常处于超临界状态。随着气体向上运移，井筒温度、压力逐渐降低，处于超临界态的酸性气体逐渐转化为气态。酸性气体超临界相态变化导致深水油气井井筒多相流动呈现更为复杂的流动规律，充分考虑超临界相态的影响是深水钻完井井筒多相流动精确模拟的前提。

1.4 深水地层窄安全密度窗口

将海域深水储层上覆岩层用海水替代，在如此低的上覆岩层压力下考虑地层被压实，导致地层破裂压力较低，孔隙压力与破裂压力之间的窗口较窄，容易诱发井涌、井漏等复杂事故[8]，从而对深水钻完井井筒流动压力精细控制提出了更高要求。

2 井筒四相流动模型

基于传统的井筒两相、三相流动理论，结合深水钻井过程中井筒内多相流动具体特征，孙宝江等[9]、王志远等[10-12]丰富并发展了适应于深水钻完井的井筒气相、液相、固相以及超临界相四相流动模型，建立了连续性方程、动量方程、能量方程及相关辅助方程。

2.1 连续性方程

结合深水钻井期间井筒内流体组分特征，分别建立了超临界相、气相、液相（钻井液、产出水、产出油）和固相（岩屑、水合物）流动过程的连续性方程[9-10]。

2.1.1 超临界相

式中t表示时间，s；A表示井筒环空截面积，m2；ρ表示流体密度，kg/m3；f表示密度函数；p表示压力，MPa；T表示温度，℃；M表示分子量；S表示超临界因子，无因次；s表示沿流动方向坐标，m；v表示流速，m/s；E表示体积分数；q表示产出量，kg/(s·m)；q′表示酸性气体组分的溶解量，kg/(s·m)；下标sc表示超临界相；下标i表示各酸性气体。

2.1.2 气相

式中Rs表示原油溶解油气比，m3/m3；ρgs表示标准状况下气相密度，kg/m3；Bo表示原油体积系数；xg表示水合物中天然气的质量分数，无量纲；rH表示水合物的生成/分解量，kg/(s·m)；下标g表示天然气相；下标o表示油相。

2.1.3 液相

钻井液连续性方程为：

式中下标m表示钻井液相。

产出油连续性方程为：

产出地层水连续性方程为：

式中下标w表示产出水相。

2.1.4 固相

岩屑相连续性方程为：

式中下标c表示岩屑。

水合物相连续性方程为：

式中下标H表示水合物相。

各组分含量需要满足式（8），即

2.2 动量方程

根据井筒多相流动特征，井筒多相流动量守恒方程为[11-12]：

式中v表示流体流速，m/s；g表示重力加速度，m/s2；α表示井斜角，（°）；i取值为1、2、3、4，分别表示酸性气体超临界相、气相、液相及固相；n表示不同相态中的组分数；下标j表示多相流中各组分。

2.3 能量方程

在深水钻完井特殊环境影响下，井筒内流体的流动通常伴随有水合物相变，水合物生成会吸收热量，分解会释放部分热量。因此，构建深水井筒多相流能量方程需要考虑水合物相变焓的影响。此外，深水环境下井筒温度在地层段与海水段具有不同的分布特征，需要分别进行构建[3-4]。

地层段环空多相流能量方程为：

其中

式中C表示流体比热容，J/(kg·℃)；Tei表示环境温度，℃；Ta表示环空流体温度，℃；TDP表示钻杆内温度，℃；ΔHH表示水合物的相变焓，J/mol；MH表示水合物分子量；ke表示地层导热系数，W/(m·℃)；rco、rti分别表示套管外径以及钻杆的内径，m；Ua表示环空流体与地层的总传热系数，W/(m·℃)；TD表示瞬态传热函数；Ut表示钻柱流体与环空的总传热系数，W/(m·℃)。

海水段环空多相流能量方程与式（10）相同，但由于井筒周围与海水发生热量交换，A'的表达式不同，有

钻杆内多相流能量方程为：

式中下标DP表示钻杆。

2.4 辅助方程

2.4.1 水合物相平衡条件

水合物相平衡条件可根据热力学平衡理论获得[13]，即

其中

若加入抑制剂，则有

式中Δμ0表示水在完全空的水合物晶格与参考状态下纯水之间的化学位差，J/mol；R表示气体常数，取值为8.314 J/(mol·K)；TH表示水合物生成温度，K；T0表示标准状况下的温度，取值为273.15 K；ΔH0表示水在完全空的水合物晶格与纯水相之间的摩尔比焓差，J/kg；ΔCK表示水在完全空的水合物晶格与纯水相之间的比热容差，J/(kg·K)；pH表示水合物生成压力，Pa；p0标准状况下的压力，Pa；ΔV表示水在完全空的水合物晶格与纯水相之间的摩尔体积差，m3/kg；fw表示溶液中水的逸度，Pa；fwr表示参考状态（TH，pH）下水的逸度，Pa；l表示水合物种类数量；Mk表示k型空穴数与水合物相中水分子数的比值；L表示气体种类数量；θkm表示k型空穴被m类气体分子占据的概率；xw表示水的摩尔浓度，无量纲；yw表示溶液中水的活度系数，无量纲。

2.4.2 酸性气体溶解度方程

借助气液相平衡可以获取气体在液体中的溶解度，根据状态方程可以得到相平衡方程[14-15]，即

3 井筒四相流动理论在深水油气钻完井工程领域的应用进展

深水钻完井面临着水合物生成、酸性气体超临界相变等工程难题采用深水钻完井井筒四相流动模型能够解决深水钻完井工程计算精度要求高的难题。基于井筒四相流动理论模型，利用自主研发的深水钻井井筒水力学动态模拟软件，分别围绕深水钻完井井筒温度/压力、深水精细控压钻井、深水压井、深水气井测试等领域开展数值模拟，揭示了深水钻完井在不同工况下的井筒流动特征，为深水钻完井工程提供理论依据。

3.1 深水钻完井井筒温度、压力精确预测技术

为了预防井涌、井漏风险的产生，井筒温度/压力的精确计算是水力参数优化设计的前提条件。早期研究一直将井筒温度、压力作为两个独立的参数分别进行预测，发展出了Ramey[16]、Willihite[17]、Hasan等[3-4]经典预测模型。但是，在深水钻井过程中，井筒内钻井液流变性受大温差、压差环境的影响明显。因此，精确预测深水钻井过程中井筒内温度、压力，应该充分考虑钻井液流变性沿井筒的变化，需要将井筒温度、压力的计算耦合起来。基于井筒钻井液流变性研究，已逐渐形成了完善的深水钻完井井筒温度、压力耦合预测模型[18]。图1为深水钻井井筒内温度、压力剖面，根据模拟结果，井筒深部具有较高的温度，而井筒浅部在海水低温环境影响下温度较低；相比于陆地钻井，由于受到海水段静液柱压力的作用，该井筒压力明显较高。该模拟井所处水深为1 260 m，井深为4 360 m，排量为60 L/s，钻井液密度为1.40 g/cm3，地温梯度为4 ℃/100 m。温压流变性对井筒压力精确预测的影响不可忽略。

图1 深水钻井井筒温度、压力剖面图

精确预测固井井筒温度压力场是固井工艺及水泥浆性能优化设计的前提条件。当前工业界最常用的预测固井井筒温度场的方法是美国石油学会（API）提出的半经验方法[19]，但该方法是基于邻井资料的一种估算方法，相对误差较大。Davies等[20]、Bittleston[21]、Guillot等[22]分别建立了热传导物理模型来提高固井井筒温度预测的精度。针对固井井筒压力场的研究，Carter等[23]首先发现了候凝期间压力降低的现象；在此基础上，国内外学者通过实验研究，形成了相关理论及压力预测公式[24-26]。

在深水固井过程中，井筒内水泥浆的水化性能对温度和压力非常敏感，低温低压环境会降低水泥浆的水化速率，进而导致水泥浆水化度、胶凝强度等水化性能随时间、空间发生变化[27-28]。同时，水泥浆水化热的释放会使水泥温度升高，在热膨胀作用下诱发水泥环内热应力增大，进而导致水泥环内微裂缝的形成[29]；水泥浆水化过程的“失重现象”导致水泥环内部压力随时间不断下降，也会诱发固井时气窜风险的产生[30-31]。基于水泥浆水化动力学理论，王雪瑞等[32]充分考虑水泥浆水化反应、温度、压力三者的相互作用，构建了深水固井井筒温度压力耦合预测模型。图2为深水固井井筒内水泥浆瞬态温度、压力剖面，该模拟井所处水深为1 260 m，井深为2 560 m，水泥浆密度为1.80 g/cm3，地温梯度为4℃/100 m，井眼尺寸为660 mm。为了预防固井气窜风险的发生，精确的温度/压力预测是进行水力参数优化设计的前提条件。

3.2 深水钻井井涌动态模拟技术

深水钻井井涌发生后，地层流体侵入到井筒内，此时井筒内流体流动由稳态的液固两相流转化为非稳态的气、液、固、超临界相四相流动。基于井筒四相流动理论，可以对井涌后井筒内多相流动过程进行模拟，并且对井涌过程进行动态预测，为工程师识别井涌特征，进而消除气侵流体提供理论指导[33-34]。

图2 深水固井水泥浆瞬态温度、压力剖面图

3.2.1 水合物相变影响下的井筒气侵特征

当侵入井筒的烃类气体运移到井筒中低温高压位置附近时，烃类气体容易与井筒内水相结合生成固态的水合物。借助井筒四相流动理论，获取井筒温度、压力曲线，再结合水合物相平衡曲线，两者形成的闭合区域所对应的深度范围即为水合物的生成区域（图3-a），在水合物生成区域内，相同深度的水合物相平衡温度与井筒温度的差值即为水合物生成的过冷度，该区域横向宽度越大则过冷度越大，水合物生成速率则越高。通常在海床附近，由于井筒内处于低温高压环境，容易生成水合物。如图3-b所示，水合物生成会耗掉一部分气体，但伴随着流体在环空内继续上移，固相水合物会再次分解生成水和烃类气体，水合物相态变化明显影响着井筒气体体积分数的分布特征[12]。该模拟井所处水深为1 500 m，井深为4 000 m，钻井液密度为1.10 g/cm3，地温梯度为2.7 ℃/100 m，排量为30 L/s，地层压力为45.6 MPa，气相渗透率为550 mD，产层厚度为15 m。

深水钻井井涌过程中，井筒内水合物的生成将改变井筒内的气侵特征，若有大量水合物生成甚至会导致井筒被堵塞，增加了深水钻井井控难度。目前，主要有3种深水钻井井筒水合物控制方法：①基于井筒四相流动模型，精确模拟井筒中流体的流动，明确受水合物相变影响下的井筒气侵特征，进而提高井涌早期检测的准确性；②基于井筒四相流动模型，优化深水钻井排量、钻井液密度等水力参数，使井筒内水合物生成区域范围减小；③向井筒内注入水合物抑制剂，并且基于井筒四相流动模型确定合理的抑制剂注入量，以避免井筒内水合物的生成。

3.2.2 高含酸性气体相变影响下的井筒气侵特征

当侵入井筒的酸性气体处于井底高温高压环境，并且温度、压力大于该酸性气体的临界温度、压力（CO2临界温度为31.05 ℃、临界压力为7.38 MPa；H2S临界温度为100.45 ℃、临界压力为9.00 MPa）时，酸性气体会处于超临界态。借助井筒四相流动理论，获取井筒温度、压力曲线，再结合酸性气体临界温度、压力条件，则可以确定酸性气体超临界相态在井筒内的稳定分布区域。

基于井筒多相流动理论，结合酸性气体溶解度方程，可以获取含酸性气体气侵过程中的井筒内溶解度分布。H2S及CO2溶解度远大于CH4，前两者溶解度分别为CH4溶解度的162倍和11倍。因此，随着混合气体中酸性组分含量的增加，气体溶解度也随之升高。但在井筒浅部，由于温度压力降低，气体溶解度明显降低（图4-a）。

基于井筒多相流动理论，综合考虑酸性气体超临界特性及酸性气体的溶解，研究高含酸性气体相变影响下的井筒气侵特征。酸性气体在井底为超临界态，密度较高，大量溶解，并且酸性气体含量越高，气体体积分数越小。当酸性气体运移至井口附近时，由于温度、压力的降低，酸性气体发生相变，由超临界态变为气态，气体急剧膨胀，并且酸性气体含量越高，气体膨胀程度越大；同时，在井口附近由于酸性气体溶解度迅速降低使酸性气体大量溢出，酸性气体含量高的气体体积分数明显高于酸性气体含量低的气体体积分数（图4-b），该模拟井所处水深为1 000 m，井深为4 000 m，钻井液密度为1.13 g/cm3，地温梯度为2.7 ℃/100 m，排量为30 L/s，地层压力系数为1.17 MPa/100 m。因此，高含酸性气体相变影响下的井筒气侵具有隐蔽性强的特征[9]，从而对深水钻完井安全会造成严重的威胁。

图3 水合物相变影响下的井筒气侵特征曲线图

图4 高含酸性气体相变影响下的井筒气侵特征曲线图

由于高含酸性气体相变影响下的井筒气侵隐蔽性强，增加了深水钻井井控难度。目前，应对高含酸性气体相变影响下的井筒气侵难题主要有3种方法：①基于井筒四相流动模型，精确模拟井筒中流体的流动，明确受高含酸性气体相变影响下的井筒气侵特征，进而提高井涌早期检测的准确性；②基于井筒四相流动模型，优化深水钻井水力参数，抑制酸性气体在井筒内的膨胀，如通过增加井口回压，来防止酸性气体在井口快速膨胀；③向井筒内注入酸性气体抑制剂，基于井筒四相流动模型来确定抑制剂合理注入量，如图5所示，随着抑制剂注入量的增加，酸性气体被不断消耗，使泥浆池增量降低。

图5 不同抑制剂浓度下泥浆池增量变化曲线图

3.3 压井优化设计技术

井涌、气侵发生后，需要借助压井来排出侵入井筒的流体，进而重新建立井筒内压力平衡以防止溢流的进一步发生[35-36]。在压井液的驱动下，侵入井筒的流体从井底运移到井口再排出井筒，井筒内为一个组分复杂的四相流动过程，同时还会发生复杂的多相流型转化。借助井筒四相流动理论，通过模拟压井过程中井筒内流动过程，为压井水力参数设计提供支撑。

压井井筒内的多相流动模拟需要考虑多种因素的影响，包括不同气体在钻井液内的溶解度、在温度/压力作用下气体沿井筒的膨胀过程、超临界流体的相态变化、井筒内不同流型间的相互转化等。此外，由于在压井过程中逐渐采用加重钻井液来替换原钻井液，使得压井井筒内多相流动呈现复杂的瞬态变化过程。基于井筒四相流动理论，动态模拟压井过程中井筒内的压力瞬态变化，进而为压井时压井液密度、压井排量、立压、套压等水力参数设计提供支撑。图6展示了压井过程中立压、套压的模拟曲线，该模拟井所处水深为600 m，井深为3 000 m，原钻井液密度为1.15 g/cm3，加重钻井液密度为1.42 g/cm3，地温梯度为3.3 ℃/100 m，压井排量为30 L/s，地层压力为39.6 MPa，产出气速率为100 L/s。

如图6所示，司钻法压井过程中井口立压的变化可以划分为3个阶段：在阶段Ⅰ，使用原钻井液驱替井筒内的溢流气体，该阶段立压无明显变化；在阶段Ⅱ，加重钻井液进入钻杆，该阶段立压下降明显；在阶段Ⅲ，加重钻井液充满钻杆后进入环空，立压维持不变。井口套压的变化可以分为4个阶段：在阶段Ⅰ，溢流气体在原钻井液的驱动下向井口运移，由于受到酸性气体膨胀作用的影响，该阶段井口套压不断增加；在阶段Ⅱ，溢流气体运移到井口再逐渐从井口排出，该阶段井口套压逐渐下降；在阶段Ⅲ，环空内气体已经全部排空，该阶段井口套压无明显变化；在阶段Ⅳ，由于加重钻井液进入环空，该阶段井口套压又逐渐下降，然后重新建立井筒内压力平衡。

图6 压井过程中立压、套压模拟曲线图

3.4 深水气井测试流动保障技术

在深水气井测试过程中，水合物的生成可能会导致井筒堵塞，严重时甚至会引发憋压、生产停滞等安全事故[37-38]。当前常用的水合物防治方法是向测试管柱内注入大量热力学抑制剂（甲醇、乙二醇等），从而使整个井筒中无水合物生成区域。该方法虽然能较有效地预防水合物生成，但仍面临诸多问题。如水合物抑制剂的注入量会随着气产量和含水率增大而大幅上升，进而极大增加了水合物预防成本；对于深水高压气井而言，由于水合物抑制剂注入压力显著升高，明显增加了水合物抑制剂注入的难度；当前，对海洋环境保护要求高，而一旦发生水合物抑制剂泄露，很容易引发海洋污染。

随着对井筒多相流动理论的研究逐步深入，针对深水气井测试过程中水合物的防治也形成了新的方法。由于部分水合物颗粒会随气相一起流动，生成的水合物并不都会沉积在管壁上，而且，发生水合物沉积也并不意味着井筒就会被堵塞。如图7-a所示，随着测试时间延长，测试管柱内壁上的水合物沉积层逐渐增厚，并且测试时间越长，水合物沉积层厚度的分布越不均匀，最厚的位置则是发生水合物堵塞风险概率最高的地方。若测试管柱中的最大水合物沉积层厚度超过临界值，就意味着管柱中已存在水合物堵塞风险[39]。在此基础上，提出了一种拓展安全作业窗口的水合物堵塞防治方法[40]。如图7-b所示，在不同的乙二醇浓度条件下，随着测试时间延长，最大无因次厚度逐渐增大。设置临界厚度为0.5，针对不同测试时间则可以进行水合物抑制剂浓度的优选，进而减少水合物抑制剂的大量盲目使用，从而降低深水气井测试期间的水合物防治成本。图6涉及的模拟井水深为1 530 m，井深为3 450 m，地层压力为37.6 MPa，地温梯度为3 ℃/100 m，井底温度为90.5 ℃，测试管柱内径为85.6 mm，天然气产量为45×104m3/d，天然气相对密度为0.631，液体产量为20 m3/d。

图7 井筒中水合物流动障碍演化规律变化曲线图

另外，针对水合物堵塞的防治，还提出了一种合理调整测试制度的方法。该方法通过高测试产量下的温度升高来分解在低测试产量下生成、沉积在管壁上的水合物，进而减轻管柱中水合物的堵塞程度，可以避开水合物抑制剂的使用，对海洋环境保护有明显优势[41]。

4 深水钻井井筒多相流动理论发展趋势展望

目前，井筒多相流动理论已经广泛应用于深水钻完井工程的各个领域，所取得的研究成果为深水钻完井安全高效施工提供了技术支撑。但是，在深水钻完井某些特殊工况下，当前的井筒多相流动理论在应用时还存在一定的局限性。

4.1 井筒与深水特殊地层耦合作用机制

对于一些深水特殊地层，受井筒多相流动的扰动影响显著，易发生恶性漏失。目前，井筒多相流动理论对于该类特殊地层中井筒与地层流体耦合作用机制考虑不足，具体表现在以下3个方面。

4.1.1 缝洞型储层

缝洞型储层孔、洞、裂缝发育，钻遇该类地层则容易发生恶性漏失，如何精确预测恶性漏失对井筒多相流动的影响，并且通过精确控制井筒压力、优化工作液体系，结合其他堵漏技术来处理该类特殊地层钻井的复杂问题，仍有待研究。

4.1.2 大段盐膏层

大段盐膏层容易发生蠕变流动和塑性变形，盐膏层的溶解会引起工作液污染、井壁垮塌、沉沙卡钻、结晶堵塞等问题。针对该类特殊地层，需要进一步研究盐膏层溶解对井筒流体流动的影响机制，完善考虑盐膏层溶解影响下的井筒多相流动理论，以及应对该复杂工况的钻井液与固井水泥浆体系。

4.1.3 深水浅层流、浅层气

深水浅层流、浅层气普遍发育在我国南海海域，由于其所处的层位浅、体积小、压力高，预测难度大，一旦发生井涌井喷，危险系数大。针对该类特殊地层，需要完善高压、大气量气侵情况下的井筒多相流动模型，如何及时有效地消除其影响也需要开展深入的研究。

4.2 深海天然气水合物钻井井筒多相流动理论

深海天然气水合物是重要的海洋能源之一，其储量大、埋藏浅、能量密度高并且分布范围广。在水合物的钻采过程中井筒内流体流动对储层会产生明显扰动，导致水合物层发生相态变化，进而破坏其稳定性。目前，针对深海天然气水合物的开发，还有很多工作仍处于探索阶段，其中水合物层钻井井筒多相流动理论尚需要进一步发展。

4.2.1 水合物层钻井对储层扰动机理研究

在深海天然气水合物层钻井过程中，由于受到井筒内钻井液流动的影响，井筒与水合物层之间发生热量交换，从而打破水合物相平衡，导致近井地带水合物层过早分解，从而降低水合物层正式开采后的天然气采出量。为此，有必要开展水合物层钻井过程中井筒多相流与储层的相互作用机制。

4.2.2 水合物层钻井井壁稳定性研究

水合物层钻井对储层的扰动作用会导致井筒周边水合物层分解，弱化储层力学性质，进而在井筒流体流动作用下容易诱发井壁失稳、坍塌等事故发生。因此，有必要考虑井筒多相流动、水合物层相平衡及近井地带应力场的综合影响，开展水合物层钻井井壁稳定性的研究。

4.2.3 水合物层固井井筒气窜机理研究

在水合物层固井过程中，水泥浆发生水化反应将释放出大量的热，进而诱发井筒附近水合物分解，导致水泥环与储层交界面力学特性的弱化，极易破坏该交界面的封固完整性，使水合物层分解气和水沿破裂的水泥环与储层交界面发生窜流，严重威胁井筒安全性。因此，有必要开展水合物层固井井筒气窜机理研究。

4.3 支撑深水钻井新技术的井筒多相流动理论

近几年国外出现了许多深水钻井新技术，如深水无隔水管钻井、深水泥浆帽钻井、深水双梯度钻井等。虽然这些新技术还未在我国得到应用，但伴随我国油气勘探开发向深水迈进，这些新技术极有可能应用于我国南海，因而针对这些钻井新技术的具体工艺，还需要进一步完善井筒多相流动理论来支撑。

5 结论

1）基于深水钻完井井筒四相流动理论，能够充分考虑深水井筒中的各种物理化学现象，可以实现井筒瞬态温度、压力的精确刻画，为深水钻完井水力参数优化设计提供坚实的理论基础。

2）深水钻井井涌发生后，在泥线低温高压环境作用下，井筒内气相易发生水合物相变，从而改变井筒气体体积分数的分布特征，基于井筒四相流动理论能够进一步揭示含水合物相变的井涌气侵特征。

3）在井底高温高压作用下，井筒酸性气气体存在超临界相变，导致高含酸性气体的气侵具有“隐蔽性”，基于井筒四相流动理论能够揭示酸性气体气侵机理，为井涌早期监测提供理论依据。

4）深水气井测试过程中，井筒四相流动理论能够准确刻画井筒内水合物沉积、堵塞全过程，为深水气井测试过程中水合物的防治提供理论依据。