在水平井钻井过程中,受井眼轨迹控制困难、井壁坍塌、地层吸水膨胀等因素影响,水平井段会出现上下起伏、缩径和扩径等不规则形状。如果储层内的气体侵入井筒,会在密度差的作用下聚集在起伏和变径井段的“口袋”中,从而导致井筒多相流动复杂,影响井筒压力控制。模拟水平井水平段上下起伏和扩缩径的工况,设计了可视化非常规水平井筒多相流动模拟实验系统并进行了模拟流动实验,得到有“口袋”的水平井筒中气液两相流动流型演化规律和“口袋”中气体运移规律。通过气液两相流型实验揭示了非常规水平管道中流型的演化规律,在实验数据基础上绘制各管段流型图,建立特殊流型演化模型,并判断演化边界。提出的气体“口袋”向间歇流、冲击流和环状流演化边界经验模型,经验证与流型图较为吻合。起伏管段中流型较为复杂,可观察到泡状流、间歇流、冲击流和环状流,在液相流量较小时存在气体“口袋”;在上倾管段观察不到分层流;起伏管段的管道形状变化处易出现气泡破碎或合并,不同管段气泡形状变化等现象,并且易形成一种特殊的流型即冲击流。变径管段存在泡状流、分层流、波状流、间歇流和环状流,相对于起伏段更容易产生气体聚集并形成“口袋”;在扩径后的管段中,泡状流时小气泡分布更分散,流动较慢,且相对于扩径前的管段更容易产生波状流。通过气体运移实验研究了液相流速、气相流速、液相粘度、管道曲率和管道变径等参数对“口袋”中气体运动规律的影响。分析表明,段塞驱替和液相剪切是控制气体运移的两个重要因素。根据实验结果,对于影响气体运移速度的因素,按敏感程度由大到小依次为液相速度、液相粘度、管道曲率和变径程度。实验和计算结果表明:水平井“口袋”中气体排出时存在临界液相速度,当液相速度小于该速度时,气体将继续聚集在起伏段顶部和管径变化处而不能排出。基于此,提出了气体排出“口袋”的临界液相速度模型以及气体运移速度模型,并利用实验结果进行了验证。实验研究结果和建立的模型可以为有“口袋”水平井筒中气体排出作业参数设计和井筒压力控制工艺确定提供参考。