深水钻井中,深水的低温条件会影响钻井液密度与流变性;气侵后进入井筒的天然气在高压低温条件下会形成水合物,造成节流管线阻塞;低温下井筒中还存在蜡质的沉积等。这些问题都与井筒中的温度密切相关,其核心科学问题是深水低温环境下的井筒气液两相流传热问题。深水钻井中,泥线以上海水同隔水管之间的传热方式与泥线以下不同,需要专门进行研究。虽然深水井筒温度计算的研究已经取得了一些进展,但目前的深水井筒温度场计算模型均未考虑流型的影响,所使用的传热关联式也只是仅适用于常温条件。采用试验方法研究其传热规律对修正理论模型和深水油气钻探开发工艺参数设计等具有重要意义。考虑气液两相流各流型的流动特点,以及气液两相的分布情况,通过理论分析,建立了不同流型条件下垂直井筒内气液两相流的传热模型。根据流动特征,给出了泰勒气泡区、稳定区和过渡区的结构,重点研究了过渡区空隙率的径向上的分布规律及过渡区的特殊形状而引起的长度在径向上的变化。利用模拟深水条件的气液两相流传热系统进行了传热实验研究,结果表明:在泡状流下,管内传热系数随液体流量增加而线性增加,液体流量是影响管内传热的主要因素,平均空隙率的影响次之;在段塞流下,传热系数随液体流量增加迅速增加,而气体流量对于传热的影响很小,随着平均空隙率增加传热系数逐渐减小;由于搅拌流气体核心和近壁液膜区的自身特性,气液流量及平均空隙率对传热的影响都很小;在环状流下,管内传热系数随着液体流量的增加非线性增大,随着气体流量的增加非线性减小,随着平均空隙率的增加迅速减小。通过模拟深水条件下井筒单相流流动的传热实验,得到:模拟深水低温条件下,紊流时,流速对于传热的影响规律与常温下相差不大,层流时流速对于传热的影响非常明显。根据注气法双梯度钻井工艺的特点,考虑海水温度分布、地层温度分布、各流型传热特点、海流低温传热特性及海流速度分布等参数的影响,建立了双梯度钻井中正常钻进条件下的井筒多相流动控制方程组,方程组主要由各相连续性方程、压降计算方程、能量方程、深水海流传热关系、海流流速分布方程及其他辅助方程组成。并给出相应的解法。编制了深水条件下注气法双梯度钻井井筒温度场计算软件,软件考虑了深水的低温特征,突出各流型下传热模型及传热规律。利用该软件,对深水条件下注气法双梯度钻井正常钻进时井筒温度分布进行了模拟计算,通过改变水深、井深、液体(泥浆)流量、气体流量、地温梯度、泥浆注入温度以及保温层等参数,计算井筒内的温度分布,从而研究这些参数对井筒内温度以及流型的影响规律,结果表明:环空内温度主要受水深影响,而井深主要对海床以下井段温度产生影响;液相流量对环空温度均产生较大影响,液相流量增加环空内温度与井深关系的曲线更加平缓,而气相流量改变对环空温度影响较小。泥浆注入温度增加环空内温度增加;地温梯度主要影响海床以下井段温度。隔水管外加保温层后,隔水管环空内的温度变化幅度明显减小。