CN104196518A - 井筒环空中气液固三相间滑脱测量设备及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是井筒环空中气液固三相间滑脱测量设备及方法，该设备由环空井筒、改进的PIV系统、定电流法装置、高速摄像机、搅拌池、杂质泵、空气压缩机、压力传感器、流量计、管路和阀门组成；本发明首次将PIV系统、激光诱导技术、折射率匹配技术、定电流法、高速摄像机记录技术相结合，利用透明钻井液和透明岩屑，系统研究了井筒环空中气液固三相流动中滑脱特性；本发明通过研究不同钻井液粘稠度、钻井液流量、岩屑浓度和截面含气率因素的试验，得到岩屑和气体在井筒环空气液固三相流动中滑脱方式的规律和滑脱速度的具体表达式，为钻井的工艺设计和井控安全提供有效的技术支持。

Description

井筒环空中气液固三相间滑脱测量设备及方法

技术领域

本发明涉及的是一种油气井领域探测技术，具体地说是井筒环空中气液固三相间滑脱测量设备及方法。

背景技术

钻井时井筒环空中普遍存在岩屑、气体和钻井液的三相流动，三相流动相间的滑脱方式和滑脱速度直接决定三相流动的流动状态以及井筒的压力分布，由于气液固三相流动中相间性质差别巨大，相间流型变化频繁，相间存在互相遮挡，固体颗粒与气体难以识别，针对气液固三相流动的研究大多集中在宏观的压强分布上面，而对微观相间滑脱特性研究难以展开。

目前，德国Lavision公司生产的TOMO型PIV系统，PIV系统包括氩离子激光器、4台相机和PIV分析系统，广泛的应用于低浓度固液两相流动和低浓度气液两相流动滑脱特性的研究，但是PIV系统难以应用于高浓度固液两相流动、高浓度气液两相流动和气液固三相流动滑脱特性的研究，这是由于PIV系统难以识别出气液固三相流动中的岩屑颗粒；同时，当气液固三相流动中产生气泡时，气泡会反射氩离子激光器产生的强光，从而烧坏相机的镜头。

另外，在井筒环空气液固三相流动中由于高浓度岩屑颗粒之间的相互遮挡，使用常规试验方法难以进行岩屑和气体流型的观察，难以进行不同形状岩屑的滑脱特性分析。

因此，在目前的实际应用中，还没有发现一种有效的针对井筒环空中气液固三相间滑脱测量的设备及方法。

发明内容

本发明的目的是为解决上述不足，提供井筒环空中气液固三相间滑脱测量设备及方法，以解决现有技术中缺少针对井筒环空中气液固三相间滑脱测量设备及方法的问题。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

提供了井筒环空中气液固三相间滑脱测量设备，由环空井筒、改进的PIV系统、定电流法装置、高速摄像机、搅拌池、杂质泵、空气压缩机、压力传感器、流量计、管路和阀门组成；环空井筒顶端设有出口，顶端出口通过管路与搅拌池连通，环空井筒底端设有入口，入口上安装有三通接头，搅拌池通过管路与杂质泵连通，杂质泵通过管路与三通接头连通，杂质泵与三通接头之间的管路上安装有阀门、液体压力传感器和液体流量计；空气压缩机通过管路与三通接头连通，空气压缩机与三通接头之间的管路上安装有阀门、气体压力传感器和气体流量计；环空井筒中间设有试验区域，试验区域的一侧放置改进的PIV系统的氩离子激光器，试验区域的另一侧放置高速摄像机和改进的PIV系统的相机；环空井筒上设有6个钻孔，环空井筒顶端和底端分别设有1个钻孔，试验区域的上截面和下截面处的环空井筒上分别设有2个钻孔，液体压力传感器安装在试验区域下截面的1个钻孔上，气体压力传感器安装在试验区域上截面的1个钻孔上；恒流电源通过导线与安装在环空井筒顶端和底端钻孔上的监测铜环连接，数据采集仪通过导线与安装在试验区域上截面和下截面处的2个监测铜环连接，计算机通过数据线与数据采集仪连接。

其中，所述的环空井筒分为外井筒和内井筒，外井筒和内井筒均由石英玻璃制成，内井筒两端封闭，内井筒通过细钢条固定于外井筒的正中心，内井筒与外井筒组成环空井筒；环空井筒为三相流动提供试验区域，试验区域位于环空井筒的中心位置，外井筒的顶端、底端和试验区域的上下两个截面处设有钻孔；外井筒的底端设有入口，入口上安装有三通接头，外井筒的顶端设有出口；

所述的定电流法装置由恒流电源、数据采集仪、计算机、监测铜环和导线组成，恒流电源为6655A型恒流电源；数据采集仪为INV306型智能信号采集处理分析系统；

所述的高速摄像机为V310型高速摄像机；

所述的搅拌池为1m³的池子；

所述的杂质泵为100KF-32型不锈钢杂质泵；

所述的空气压缩机为W3.0型活塞式空气压缩机；

所述的压力传感器分为气体压力传感器和液体压力传感器，气体传感器为PG1300Y型气体压力传感器；液体压力传感器为PT500-700型液体压力传感器；

所述的流量计分为气体流量计和液体流量计，气体流量计为MH6120型气体流量计；液体流量计为LZNDB型液体流量计；

所述的管路为阻燃尼龙软管；

所述的阀门为调节阀。

其中，所述的改进的PIV系统相机镜头前放置蓝色滤光片。

井筒环空中气液固三相间滑脱测量方法，包括如下步骤：岩屑分组步骤、制备钻井液步骤、岩屑形状修正因子试验步骤、设备安装及调试步骤、三相流动中相间滑脱特性试验步骤、图像分析和数据处理步骤。

其中，所述的岩屑分组步骤，岩屑为两部分，第一部分岩屑用于岩屑沉降形状修正因子试验步骤，由体积不同的球体玻璃岩屑和体积不同的圆片体玻璃岩屑混合而成；第二部分岩屑用于三相流动中相间滑脱特性试验步骤，由玻璃珠组成的玻璃岩屑，玻璃珠直径为0.9mm，比重为2.5，透光率为86％，将1‰的玻璃岩屑表面涂上二苯乙烯荧光涂料，作为荧光示踪粒子。

其中，所述的制备钻井液步骤，制备4组钻井液，在4组清水中分别加入2％的降滤失剂和分别加入1‰、2‰、3‰、4‰的增粘剂，钻井液制备完成后分别测量4组钻井液的密度、粘稠度和折射率，并记录。

其中，所述的岩屑形状修正因子试验步骤，将制备的4组钻井液静止放置，将第一部分岩屑放置在1组钻井液中，分别测量球体玻璃岩屑和圆片体玻璃岩屑的沉降速度，绘制圆片体玻璃岩屑的沉降速度与圆片体玻璃岩屑的等效直径和宽厚比的关系图，通过对比圆球体岩屑与圆片体岩屑的沉降速度，计算岩屑形状修正因子；使用其它3组钻井液，重复以上步骤。

其中，所述的设备安装及调试步骤，设备安装，环空井筒顶端的出口通过管路与搅拌池连通，搅拌池通过管路与杂质泵连通，环空井筒底端入口上安装的三通接头通过管路与杂质泵连通，杂质泵与三通接头之间的管路上安装有阀门、液体压力传感器和液体流量计，空气压缩机通过管路与三通接头连通，空气压缩机与三通接头之间的管路上安装有阀门、气体压力传感器和气体流量计，在环空井筒的试验区域一侧放置改进的PIV系统的氩离子激光器，试验区域的另一侧放置高速摄像机和改进的PIV系统的相机，液体压力传感器安装在试验区域下截面的1个钻孔上，气体压力传感器安装在试验区域上截面的1个钻孔上，恒流电源通过导线与安装在环空井筒顶端和底端钻孔上的监测铜环连接，数据采集仪通过导线与安装在试验区域上截面和下截面处的2个监测铜环连接，计算机通过数据线与数据采集仪连接；设备调试，开启各个设备后，钻井液依次按照10L/s，20L/s，30L/s，40L/s的流量输送，每种输送的钻井液流量中岩屑浓度依次按照0，1％，2％，3％，4％，5％，6％改变，在每种情况下进行系统调试，使设备正常运行、连接处无渗漏和采集图像清晰可见。

其中，所述的三相流动中相间滑脱特性试验步骤：在搅拌池中将第二部分岩屑与钻井液混合，开启步调试好的试验设备进行试验，首先选用1组钻井液，在搅拌池中配置好体积浓度为0.5％的钻井液，第二部分岩屑中1‰岩屑表面涂上二苯乙烯类荧光涂料；开启杂质泵，使钻井液排量为10L/s，然后开启空气压缩机，利用定电流法装置监测试验区域上下两个截面的含气率，当平均截面含气率为5％时，开启氩离子激光器、改进的PIV系统和高速摄像机，记录试验区域内岩屑和气体在钻井液中的流动状态，同时记录环空井筒入口气体的压力和流量，以及此时截面含气率脉动曲线，逐步增大气体流量，直到截面含气率为90％，在每一个设定的截面含气率下记录以上数据，然后再改变钻井液的组次、流量和岩屑浓度，重复以上步骤。

其中，所述的图像分析和数据处理步骤，定电流法装置信号转换，将定电流法装置记录监测铜环间的电压信号，转化为截面含气率信号，是通过公式：

$\mathrm{\α}=\frac{A_0-A_m}{A_0}=1-\frac{R_0}{R_m}=1-\frac{U_0}{U_m}$

式中：α为截面含气率，A₀为环空截面积，A_m为液体所占面积，R₀为单相液体时监测铜环间的电阻，R_m为气液两相时监测铜环间的电阻，U₀为单相液体时监测铜环间的电压，U_m为气液两相时监测铜环间的电压；

量纲分析和多元回归分析，能够确定影响岩屑滑脱速度的主要因素包括：单颗粒岩屑在静止钻井液中沉速ω_C0，岩屑形状影响因子β，平均岩屑体积浓度S_V，平均截面含气率α，流型X，钻井液运移速度V_L，得出岩屑在气液固三相流动中的滑脱速度表达式：

ω_c＝f(ω_C0，β，S_v，α，χ，V_L)

能够确定影响气体滑脱速度的主要因素包括：平均岩屑体积浓度S_V，平均截面含气率α，微小气泡在静止钻井液中的上升速度ω_G0，流型X，钻井液运移速度V_L；得出气体在气液固三相流动中的滑脱速度表达式：

ω_G＝f(ω_G0，β，S_v，α，χ，V_L)

量纲分析和多元回归分析，得出岩屑在气液固三相流动中的滑脱无量纲速度表达式：

$\frac{{\mathrm{\ω}}_C}{{\mathrm{\ω}}_{C0}}=f(\mathrm{\β},S_v,\mathrm{\α},\mathrm{\χ},\frac{V_L}{{\mathrm{\ω}}_{C0}})$

得出气体在气液固三相流动中的滑脱无量纲速度表达式：

$\frac{{\mathrm{\ω}}_G}{{\mathrm{\ω}}_{G0}}=f(S_v,\mathrm{\α},\mathrm{\χ},\frac{V_L}{{\mathrm{\ω}}_{G0}})$

本发明的有益效果：

本发明的井筒环空中气液固三相间滑脱测量设备，首次将PIV系统、激光诱导技术、折射率匹配技术、定电流法、高速摄像机记录技术相结合，利用透明钻井液和透明岩屑，系统研究了井筒环空中气液固三相间滑脱特性；

本发明的井筒环空中气液固三相间滑脱测量方法，通过研究不同钻井液粘稠度、钻井液流量、岩屑浓度和截面含气率因素的试验，得到岩屑和气体在井筒环空气液固三相流动中滑脱方式的规律和滑脱速度的具体表达式，为钻井的工艺设计和井控安全提供有效的技术支持。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例所提供的井筒环空中气液固三相间滑脱测量设备布置示意图；

图2为本发明实施例所提供的定电流法测定截面含气率装置结构示意图；

图3为本发明实施例所提供的井筒环空中气液固三相间滑脱测量方法流程图。

具体实施方式

以下结合具体实施例对上述方案做进一步说明。应理解这些实施例是用于说明本发明而不是限制本发明的范围。实施例中采用的实施条件可以根据具体厂家的条件做进一步调整，未注明的实施条件通常为常规试验中的条件。

请参照图1至图2，图1为本发明实施例所提供的井筒环空中气液固三相间滑脱测量设备布置示意图；图2为本发明实施例所提供的定电流法测定截面含气率装置结构示意图。

在一种具体实施例中，提供了井筒环空中气液固三相间滑脱测量设备，由环空井筒、改进的PIV系统、定电流法装置、高速摄像机、搅拌池、杂质泵、空气压缩机、压力传感器、流量计、管路和阀门组成；环空井筒顶端设有出口，顶端出口通过管路与搅拌池连通，环空井筒底端设有入口，入口上安装有三通接头，搅拌池通过管路与杂质泵连通，杂质泵通过管路与三通接头连通，杂质泵与三通接头之间的管路上安装有阀门、液体压力传感器和液体流量计；空气压缩机通过管路与三通接头连通，空气压缩机与三通接头之间的管路上安装有阀门、气体压力传感器和气体流量计；环空井筒中间设有试验区域，试验区域的一侧放置改进的PIV系统的氩离子激光器，试验区域的另一侧放置高速摄像机和改进的PIV系统的相机；环空井筒上设有6个钻孔，环空井筒顶端和底端分别设有1个钻孔，试验区域的上截面和下截面处的环空井筒上分别设有2个钻孔，液体压力传感器安装在试验区域下截面的1个钻孔上，气体压力传感器安装在试验区域上截面的1个钻孔上；恒流电源通过导线与安装在环空井筒顶端和底端钻孔上的监测铜环连接，数据采集仪通过导线与安装在试验区域上截面和下截面处的2个监测铜环连接，计算机通过数据线与数据采集仪连接。

具体的，所述的环空井筒分为外井筒和内井筒，外井筒和内井筒均由石英玻璃制成，由于石英玻璃具有透光性，试验时，能够观察环空井筒内部的气液固三相流动状态；外井筒长为5.0m，内径为14.9cm；内井筒长为4.0m，外径为7.3cm；内井筒两端封闭，内井筒通过细钢条固定于外井筒的正中心组成环空井筒，内井筒两端距外井筒两端各0.5m长；环空井筒为三相流动提供试验区域，试验区域位于环空井筒的中心位置，试验区域的长度为0.4m，试验区域的上下两个截面的外井筒筒壁上设有钻孔，压力传感器和定电流法装置的监测铜环能够固定在钻孔上；外井筒的底端设有入口，入口上安装有三通接头，外井筒的顶端设有出口。

进一步的，所述的改进的PIV系统相机镜头前放置蓝色滤光片，相机通过蓝色滤光片只能够接受荧光示踪粒子激发出的蓝色光，消除气液固三相流动时气泡的影响，使PIV系统的相机能够连续拍摄示踪粒子的图片，确定岩屑的滑脱状态。

进一步的，所述的定电流法装置由恒流电源、数据采集仪、计算机、监测铜环和导线组成，恒流电源为Agilent公司生产的6655A型恒流电源，此型恒流电源能够加快测试速度、减少噪声产生和提高测试精度；数据采集仪为北京东方震动与噪声控制技术研究所生产的INV306型智能信号采集处理分析系统，此型数据采集仪能够为定电流法装置提供信号的智能采集和分析；计算机为通用微机，包括台式、笔记本式或便携式平板等计算机；监测铜环分为4个，2个监测铜环安装在环空井筒顶端和底端的钻孔上，2个监测铜环间安装在试验区域上截面和下截面处，通过安装在试验区域上截面和下截面处2个监测铜环两端的电压值能够判断气液固三相流动截面的含气率。

进一步的，所述的高速摄像机为美国Phantom公司生产的V310型高速摄像机，此型高速摄像机能够用来连续拍摄气泡运动的图像，并以此计算气泡的滑脱速度。

进一步的，所述的搅拌池和杂质泵能够为装置输送岩屑和钻井液，搅拌池为1m³的池子，搅拌池能够用来配置、储存和回收岩屑和钻井液，试验时，搅拌池始终处于搅拌状态，使岩屑和钻井液混合均匀；杂质泵为东莞冠星水泵厂生产的100KF-32型不锈钢杂质泵，此型能够用来输送岩屑和钻井液。

进一步的，所述的空气压缩机能够为装置输送气源，空气压缩机为上海博巨公司生产的W3.0型活塞式空气压缩机，此型空气压缩机能够调节输送气量，以上搅拌池、杂质泵和空气压缩机能够满足本试验要求。

进一步的，所述的压力传感器分为气体压力传感器和液体压力传感器，气体传感器为日本松叶电气生产的PG1300Y型气体压力传感器，共2个；液体压力传感器佛山普量电子生产的PT500-700型液体压力传感器，共2个，能够用来测量钻井液和岩屑混合流体的压力；以上两种压力传感器能够满足本试验的要求。

进一步的，所述的流量计分为气体流量计和液体流量计，气体流量计为MH6120型气体流量计，共2个；液体流量计为LZNDB型液体流量计，共2个，能够用来测量钻井液和岩屑混合流体的流量；以上两种流量计能够满足本试验的要求。

进一步的，所述的管路为阻燃尼龙软管，具有柔韧性好、弯曲性好、承重性好和耐油性好的特点；阀门为调节阀，能够调节气体、岩屑和钻井液的压力和流量；以上管路和阀门组合能够满足本试验的要求。

请参照图3，图3为本发明实施例所提供的井筒环空中气液固三相间滑脱测量方法流程图。

在一种具体实施例中，提供了井筒环空中气液固三相间滑脱测量方法，包括如下步骤：岩屑分组步骤、制备钻井液步骤、岩屑形状修正因子试验步骤、设备安装及调试步骤、三相流动中相间滑脱特性试验步骤、图像分析和数据处理步骤。

进一步的，所述的岩屑分组步骤：岩屑为两部分，第一部分岩屑用于岩屑形状修正因子试验，第二部分岩屑用于三相流动中相间滑脱特性试验。

进一步的，所述的第一部分岩屑，由体积不同的球体玻璃岩屑10组和体积不同的圆片体玻璃岩屑40组混合而成，第一部分岩屑用于考察球体岩屑和圆片体岩屑在静止钻井液中沉降速度差异，用于测量球体岩屑和圆片体岩屑的形状修正因子；所述的第二部分岩屑，由总重量为500kg的玻璃珠组成的玻璃岩屑，玻璃珠直径为0.9mm，比重为2.5，透光率为86％，将1‰的玻璃岩屑表面涂上二苯乙烯荧光涂料，作为荧光示踪粒子，玻璃岩屑折射率能够与钻井液折射率匹配，能够避免高岩屑浓度钻井液中岩屑颗粒的相互遮挡效应，试验时，光能够顺利进入到流体内部而在玻璃岩屑接触表面不产生折射。

进一步的，所述的制备钻井液步骤，制备4组钻井液各3m³，在4组清水中分别加入2％的降滤失剂和分别加入1‰、2‰、3‰、4‰的增粘剂，其中加入1‰增粘剂的钻井液为第1组钻井液，其中加入2‰增粘剂的钻井液为第2组钻井液，其中加入3‰增粘剂的钻井液为第3组钻井液，其中加入4‰增粘剂的钻井液为第4组钻井液，钻井液制备完成后分别测量4组钻井液的密度、粘稠度和折射率，并记录；制备不同粘稠度的、透明的钻井液，用于模拟钻井过程中采用的钻井液。

进一步的，所述的岩屑形状修正因子试验步骤：将制备的4组钻井液静止放置，将第一部分岩屑放置在第1组钻井液中，分别测量10组球体玻璃岩屑和40组圆片体玻璃岩屑的沉降速度，绘制圆片体玻璃岩屑的沉降速度与圆片体玻璃岩屑的等效直径和宽厚比的关系图，通过对比圆球体岩屑与圆片体岩屑的沉降速度，计算岩屑形状修正因子，使用其它3组钻井液，重复以上步骤。

进一步的，所述的圆片体岩屑的等效直径，是与圆片体岩屑体积相等的球体岩屑的直径；圆片体岩屑的宽厚比，是圆片体岩屑底面直径与圆片体岩屑厚度的比值。

进一步的，所述的设备安装及调试步骤，设备安装，环空井筒顶端的出口通过管路与搅拌池连通，搅拌池通过管路与杂质泵连通，环空井筒底端入口上安装的三通接头通过管路与杂质泵连通，杂质泵与三通接头之间的管路上安装有阀门、液体压力传感器和液体流量计，空气压缩机通过管路与三通接头连通，空气压缩机与三通接头之间的管路上安装有阀门、气体压力传感器和气体流量计，在环空井筒的试验区域一侧放置改进的PIV系统的氩离子激光器，试验区域的另一侧放置高速摄像机和改进的PIV系统的相机，液体压力传感器安装在试验区域下截面的1个钻孔上，气体压力传感器安装在试验区域上截面的1个钻孔上，恒流电源通过导线与安装在环空井筒顶端和底端钻孔上的监测铜环连接，数据采集仪通过导线与安装在试验区域上截面和下截面处的2个监测铜环连接，计算机通过数据线与数据采集仪连接；设备调试，开启各个设备后，钻井液依次按照10L/s，20L/s，30L/s，40L/s的流量输送，每种输送的钻井液流量中岩屑浓度依次按照0，1％，2％，3％，4％，5％，6％改变，在每种情况下进行系统调试，使设备正常运行、连接处无渗漏和采集图像清晰可见。

进一步的，三相流动中相间滑脱特性试验步骤：所述的三相流动中相间滑脱特性试验步骤：在搅拌池中将第二部分岩屑与钻井液混合，开启步调试好的试验设备进行试验，首先选用第1组钻井液，在搅拌池中配置好体积浓度为0.5％的钻井液，第二部分岩屑中1‰岩屑表面涂上荧光涂料；开启杂质泵，使钻井液排量为10L/s，然后开启空气压缩机，利用定电流法装置监测试验区域上下两个截面的含气率，当平均截面含气率为5％时，开启氩离子激光器、改进的PIV系统和高速摄像机，记录试验区域内岩屑和气体在钻井液中的流动状态，同时记录环空井筒入口气体的压力和流量，以及此时截面含气率脉动曲线，逐步增大气体流量，直到截面含气率为90％，在每一个设定的截面含气率下记录以上数据，然后再改变钻井液的组次、流量和岩屑浓度，重复以上步骤；试验包括钻井液、钻井液流量和岩屑浓度三种因素的组合，制备钻井液步骤中的钻井液4组；每组钻井液按照4种流量试验：分别为10L/s，20L/s，30L/s，40L/s；岩屑浓度为0.5％-6％，间隔0.5％是一个试验组次，共12种岩屑浓度；共进行试验组次4×4×12＝192组；每组试验中，调节环空井筒入口气体的流量，使试验区域内出现19种截面含气率：分别为0-90％，每隔5％是一个试验组次；每组试验中记录数据19次；全部试验记录数据192×19＝3648次。

进一步的，所述的调节气体流量，是用来模拟温度和压力对截面含气率和流型的影响，在每个截面含气率下研究岩屑和气体的滑脱特性，以此达到在试验室模拟真实井筒深埋地下几千米的井段，从而达到在高温高压条件下观测三相流内部的滑脱情况。

岩屑滑脱方式由改进的PIV系统的4台相机连续拍摄示踪粒子的图片确定，在氩离子激光器激发产生的绿光照射环空井筒的试验区时，涂有二苯乙烯荧光涂料玻璃珠受激发产生蓝光，通过安装蓝色滤光片改进的PIV系统的会拍摄到岩屑的流型，从而确定岩屑的滑脱状态。

气体滑脱方式，由高速摄像机拍摄气泡运动情况的图像和定电流法装置测量试验区域截面含气率确定，环空内为泡状流时，通过高速摄像机拍摄试验区域内气泡的运移特性，确定气体的滑脱状态；环空内为段塞流、搅拌流和环状流时，利用定电流法装置记录两组监测铜环间的电压信号，通过将电压信号转化为截面含气率，确定气体的滑脱状态。

进一步的，所述的试验区域压强通过安装在外井筒钻孔上的压力传感器测量。

进一步的，所述的进口气体流量和压强通过安装在连接空气压缩机与环空井筒进口三通管路上的压力传感器和流量计测量；进口岩屑和钻井液流量和压强通过安装在连接杂质泵与环空井筒进口三通管路上的压力传感器和流量计测量。

进一步的，所述的图像分析和数据处理步骤：图像分析，是利用PIV系统的相机连续拍摄岩屑的图片，通过图片观察岩屑颗粒的运动方式和运移速度；是利用高速摄像机连续拍摄气泡的图像，通过图像观察气泡的运动方式和运移速度。

数据处理包括定电流法装置信号转换、量纲分析和多元回归分析。

进一步的，所述的定电流法装置信号转换，将定电流法装置记录监测铜环间的电压信号，转化为截面含气率信号，是通过公式：

$\mathrm{\α}=\frac{A_0-A_m}{A_0}=1-\frac{R_0}{R_m}=1-\frac{U_0}{U_m}$

式中：α-截面含气率，A₀-环空截面积，A_m-液体所占面积，R₀-单相液体时监测铜环间的电阻，R_m-气液两相时监测铜环间的电阻，U₀-单相液体时监测铜环间的电压，U_m-气液两相时监测铜环间的电压。

进一步的，所述的量纲分析和多元回归分析，能够确定影响岩屑滑脱速度的主要因素包括：单颗粒岩屑在静止钻井液中沉速ω_C0，岩屑形状影响因子β，平均岩屑体积浓度S_V，平均截面含气率α，流型X，钻井液运移速度V_L，能够得出岩屑在气液固三相流动中的滑脱速度表达式：

ω_c＝f(ω_C0，β，S_v，α，χ，V_L)

能够确定影响气体滑脱速度的主要因素包括：平均岩屑体积浓度S_V，平均截面含气率α，微小气泡在静止钻井液中的上升速度ω_G0，流型X，钻井液运移速度V_L；能够得出气体在气液固三相流动中的滑脱速度表达式：

ω_G＝f(ω_G0，β，S_v，α，χ，V_L)

进一步的，所述的量纲分析和多元回归分析，能够得出岩屑在气液固三相流动中的滑脱无量纲速度表达式：

$\frac{{\mathrm{\ω}}_C}{{\mathrm{\ω}}_{C0}}=f(\mathrm{\β},S_v,\mathrm{\α},\mathrm{\χ},\frac{V_L}{{\mathrm{\ω}}_{C0}})$

能够得出气体在气液固三相流动中的滑脱无量纲速度表达式：

$\frac{{\mathrm{\ω}}_G}{{\mathrm{\ω}}_{G0}}=f(S_v,\mathrm{\α},\mathrm{\χ},\frac{V_L}{{\mathrm{\ω}}_{G0}})$

最后应当说明的是，以上实施例仅用于说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制。尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (10)

1.井筒环空中气液固三相间滑脱测量设备，其特征在于：由环空井筒、改进的PIV系统、定电流法装置、高速摄像机、搅拌池、杂质泵、空气压缩机、压力传感器、流量计、管路和阀门组成；环空井筒顶端设有出口，顶端出口通过管路与搅拌池连通，环空井筒底端设有入口，入口上安装有三通接头，搅拌池通过管路与杂质泵连通，杂质泵通过管路与三通接头连通，杂质泵与三通接头之间的管路上安装有阀门、液体压力传感器和液体流量计；空气压缩机通过管路与三通接头连通，空气压缩机与三通接头之间的管路上安装有阀门、气体压力传感器和气体流量计；环空井筒中间设有试验区域，试验区域的一侧放置改进的PIV系统的氩离子激光器，试验区域的另一侧放置高速摄像机和改进的PIV系统的相机；环空井筒上设有6个钻孔，环空井筒顶端和底端分别设有1个钻孔，试验区域的上截面和下截面处的环空井筒上分别设有2个钻孔，液体压力传感器安装在试验区域下截面的1个钻孔上，气体压力传感器安装在试验区域上截面的1个钻孔上；恒流电源通过导线与安装在环空井筒顶端和底端钻孔上的监测铜环连接，数据采集仪通过导线与安装在试验区域上截面和下截面处的2个监测铜环连接，计算机通过数据线与数据采集仪连接。 

2.如权利要求1所述的井筒环空中气液固三相间滑脱测量设备，其特征在于：所述的环空井筒分为外井筒和内井筒，外井筒和内井筒均由石英玻璃制成，内井筒两端封闭，内井筒通过细钢条固定于外井筒的正中心，内井筒与外井筒组成环空井筒；环空井筒为三相流动提供试验区域，试验区域位于环空井筒的中心位置，外井筒的顶端、底端和试验区域的上下两个截面处设有钻孔；外井筒的底端设有入口，入口上安装有三通接头，外井筒的顶端设有出口； 

所述的定电流法装置由恒流电源、数据采集仪、计算机、监测铜环和导线组成，恒流电源为6655A型恒流电源；数据采集仪为INV306型智能信号采集处理分析系统； 

所述的高速摄像机为V310型高速摄像机； 

所述的搅拌池为1m³的池子； 

所述的杂质泵为100KF-32型不锈钢杂质泵； 

所述的空气压缩机为W3.0型活塞式空气压缩机； 

所述的压力传感器分为气体压力传感器和液体压力传感器，气体传感器为PG1300Y型气体压力传感器；液体压力传感器为PT500-700型液体压力传感器； 

所述的流量计分为气体流量计和液体流量计，气体流量计为MH6120型气体流量计；液体流量计为LZNDB型液体流量计； 

所述的管路为阻燃尼龙软管； 

所述的阀门为调节阀。 

3.如权利要求1所述的井筒环空中气液固三相间滑脱测量设备，其特征在于：所述的改进的PIV系统相机镜头前放置蓝色滤光片。 

4.井筒环空中气液固三相间滑脱测量方法，其特征在于：包括如下步骤：岩屑分组步骤、制备钻井液步骤、岩屑形状修正因子试验步骤、设备安装及调试步骤、三相流中相间滑脱特性试验步骤、图像分析和数据处理步骤。 

5.如权利要求4所述的井筒环空中气液固三相间滑脱测量方法，其特征在于：所述的岩屑分组步骤，岩屑为两部分，第一部分岩屑用于岩屑沉降形状修正因子试验步骤，由体积不同的球体玻璃岩屑和体积不同的圆片体玻璃岩屑混合而成；第二部分岩屑用于三相流中相间滑脱特性试验步骤，由玻璃珠组成的玻璃岩屑，玻璃珠直径为0.9mm，比重为2.5，透光率为86％，将1‰的玻璃岩屑表面涂上二苯乙烯荧光涂料，作为荧光示踪粒子。 

6.如权利要求4所述的井筒环空中气液固三相间滑脱测量方法，其特征在于：所述的制备钻井液步骤，制备4组钻井液，在4组清水中分别加入2％的降滤失剂和分别加入1‰、2‰、3‰、4‰的增粘剂，钻井液制备完成后分别测量4组钻井液的密度、粘稠度和折射率，并记录。 

7.如权利要求4所述的井筒环空中气液固三相间滑脱测量方法，其特征在于：所述的岩 屑形状修正因子试验步骤，将制备的4组钻井液静止放置，将第一部分岩屑放置在1组钻井液中，分别测量球体玻璃岩屑和圆片体玻璃岩屑的沉降速度，绘制圆片体玻璃岩屑的沉降速度与圆片体玻璃岩屑的等效直径和宽厚比的关系图，通过对比圆球体岩屑与圆片体岩屑的沉降速度，计算岩屑形状修正因子；使用其它3组钻井液，重复以上步骤。 

8.如权利要求4所述的井筒环空中气液固三相间滑脱测量方法，其特征在于：所述的设备安装及调试步骤，设备安装，环空井筒顶端的出口通过管路与搅拌池连通，搅拌池通过管路与杂质泵连通，环空井筒底端入口上安装的三通接头通过管路与杂质泵连通，杂质泵与三通接头之间的管路上安装有阀门、液体压力传感器和液体流量计，空气压缩机通过管路与三通接头连通，空气压缩机与三通接头之间的管路上安装有阀门、气体压力传感器和气体流量计，在环空井筒的试验区域一侧放置改进的PIV系统的氩离子激光器，试验区域的另一侧放置高速摄像机和改进的PIV系统的相机，液体压力传感器安装在试验区域下截面的1个钻孔上，气体压力传感器安装在试验区域上截面的1个钻孔上，恒流电源通过导线与安装在环空井筒顶端和底端钻孔上的监测铜环连接，数据采集仪通过导线与安装在试验区域上截面和下截面处的2个监测铜环连接，计算机通过数据线与数据采集仪连接；设备调试，开启各个设备后，钻井液依次按照10L/s，20L/s，30L/s，40L/s的流量输送，每种输送的钻井液流量中岩屑浓度依次按照0，1％，2％，3％，4％，5％，6％改变。 

9.如权利要求4所述的井筒环空中气液固三相间滑脱测量方法，其特征在于：所述的三相流动中相间滑脱特性试验步骤：在搅拌池中将第二部分岩屑与钻井液混合，开启步调试好的试验设备进行试验，首先选用1组钻井液，在搅拌池中配置好体积浓度为0.5％的钻井液，第二部分岩屑中1‰岩屑表面涂上二苯乙烯类荧光涂料；开启杂质泵，使钻井液排量为10L/s，然后开启空气压缩机，利用定电流法装置监测试验区域上下两个截面的含气率，当平均截面含气率为5％时，开启氩离子激光器、改进的PIV系统和高速摄像机，记录试验区域内岩屑和气体在钻井液中的流动状态，同时记录环空井筒入口气体的压力和流量，以及此时截面含 气率脉动曲线，逐步增大气体流量，直到截面含气率为90％，在每一个设定的截面含气率下记录以上数据，然后再改变钻井液的组次、流量和岩屑浓度，重复以上步骤。 

10.如权利要求4所述的井筒环空中气液固三相间滑脱测量方法，其特征在于：所述的图像分析和数据处理步骤，定电流法装置信号转换，将定电流法装置记录监测铜环间的电压信号，转化为截面含气率信号，是通过公式： 

式中：α为截面含气率，A₀为环空截面积，A_m为液体所占面积，R₀为单相液体时监测铜环间的电阻，R_m为气液两相时监测铜环间的电阻，U₀为单相液体时监测铜环间的电压，U_m为气液两相时监测铜环间的电压； 

量纲分析和多元回归分析，能够确定影响岩屑滑脱速度的主要因素包括：单颗粒岩屑在静止钻井液中沉速ω_C0，岩屑形状影响因子β，平均岩屑体积浓度S_V，平均截面含气率α，流型X，钻井液运移速度V_L，得出岩屑在气液固三相流动中的滑脱速度表达式： 

ω_c＝f(ω_C0，β，S_v，α，χ，V_L) 

能够确定影响气体滑脱速度的主要因素包括：平均岩屑体积浓度S_V，平均截面含气率α，微小气泡在静止钻井液中的上升速度ω_G0，流型X，钻井液运移速度V_L；得出气体在气液固三相流动中的滑脱速度表达式： 

ω_G＝f(ω_G0，β，S_v，α，χ，V_L) 

量纲分析和多元回归分析，得出岩屑在气液固三相流动中的滑脱无量纲速度表达式： 

得出气体在气液固三相流动中的滑脱无量纲速度表达式： 

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