含天然气水合物相变的环空多相流流型转化机制的研究,是深水油气及天然气水合物藏钻探过程中,井筒内流体力学计算的关键问题之一。深水钻探时,由于井筒中存在天然气水合物相变问题,使得目前环空多相流动理论无法满足工程需求。此理论的突破,对我国深水油气及水合物资源的开采具有重要的意义。本文通过实验和理论分析,得到了天然气水合物相平衡条件、生成速率以及分解速率的计算方法;深水条件下,井筒中天然气水合物的相变模拟计算表明:水合物的生成速度要远大于其分解速度,天然气一旦进入井筒中水合物生成区域,会在很短的时间内相变为水合物。井筒内温度会对水合物相变产生很大影响。利用自行研制的承压、大直径的“含天然气水合物相变的环空多相流流型转化模拟系统”进行了流型转化实验研究,得到结论如下:随着注气量的增大,流型变化历经泡状流、弹帽泡状流、弹帽沫状流和沫状流四种流型,而没有发现段塞流,并探讨了段塞流未出现的原因。随着混合相雷诺数的增加,泡状流失稳时的临界截面含气率呈现先下降再升高的趋势,因为流动的湍流度对气泡的聚并有正反两方面作用。一方面,它使得气泡的碰撞机率增高,对气泡的聚并有利;另一方面,它使得两气泡相遇的特征时间变小,对气泡的聚并不利。混合相雷诺数较小时,有利气泡聚并的方面起主要作用,而混合相雷诺数超过一定数值后,不利于气泡聚并的方面起主要作用。大直径环空中泡状流失稳时,混合相雷诺数较高,湍流强度较强,脉动较大。由于强湍流作用使气泡聚并难以发生,或由于涡旋的搅动使已经形成的大气泡被打碎,因此大直径环空两相流中因强湍流运动和大尺度涡旋形成,使Taylor泡的形成或气泡群的聚并受到抑制,难以形成段塞流。注气扰动频率与空隙率波的控制频率接近的情况下,空隙率波具有最大增长率;注气扰动使得空隙率波的波动程度增加,使泡状流失稳时的临界截面含气率降低;当环空中流型处于弹帽泡状流时,少量的注气就会引起流型的转化;施加注气扰动,空隙率波的传播速度呈现二次曲线增长的趋势;注气扰动加速了泡状流的失稳。井筒压力的升高,会使得空隙率波的最大增长率降低,波动程度减小,气泡的滑脱速度降低,泡状流失稳时的临界截面含气率升高,井筒压力变大空隙率波传播波变慢,井筒压力对泡状流的失稳起到抑制作用。通过Kolmogorov熵计算表明:气液两相流的空隙率波动存在非线性特性。扰动使得空隙率波的非线性特征充分表现,从而导致空隙率波传播特性的变化。针对含天然气水合物相变的环空多相流动特点,增加天然气水合物相变项,得到质量守恒和动量守恒方程;增加天然气水合物分解热项,得到能量方程。通过理论分析完善了含天然气水合物相变的环空多相流动模型。通过所编制的“含相变的环空多相流动分析及井控模拟软件系统”,模拟计算表明:钻进期间,流量越小、抑制剂浓度越低、泥浆入口温度越低以及水深越大均会使水合物的生成区域变大;停钻期间,水合物的生成区域会随着停钻时间的增长而增大;压井期间,水合物的生成区域会随着节流管线内径的减小而增大。溢流期间,天然气水合物的相变使得环空内的气体体积分数减小,井底压力增加,关井套压降低,泥浆池增量降低,环空内的压力分布发生改变;由于环空气体体积分数和泥浆池增量的减小,增加了深水井涌的早期检测的难度;由于水合物相变,关井套压不能真实反映气侵的严重程度;对于一定精度的泥浆池检测设备,发现井涌时,储层渗透率低时井筒内生成水合物的可能性要大于储层渗透率高的情况。压井期间,气体进入尺寸较小的节流管线后会迅速膨胀,使得井筒内静液压力迅速降低。为了能够使井底有足够的压力,需要快速的调节节流阀,维持一定的节流压力,因此在深水压井时节流压力的调节速度要高于陆地井控。