稠油油藏作为新世纪开发的重要能源之一,其高效开采技术一直是石油行业探索的难点。我国塔河油田稠油油藏因其超深、超稠、温度高、压力高、黏度高、矿化度高、硫化氢含量高等特点已然成为世界级的开采难题,其稠油开采技术仍在不断革新中。目前塔河油田稠油油井的主要开采模式是采取环空掺稀降黏技术,结合抽稠泵进行稠油举升。但却面临着井口出液异常(段塞状出油)、抽油杆断脱严重、稀油资源严重短缺等难题。为了稳定稠油生产,亟需查明井下稀、稠油混合效果差的根本原因,研究出切实有效的高效混合技术。本文针对上述问题,结合以塔河油田为主的稠油掺稀井的应用现状,建立了联合抽油泵关键结构及环空掺稀管柱的掺稀模型。利用Solidworks软件建立了三维模型,提出了一种基于压力边界、结合动网格和UDF技术以实现抽油泵抽汲运动与流场计算域联立求解的瞬态数值模拟方法,应用CFD软件Fluent对常见的光管环空掺稀工艺、安装有SK型静态混合器的环空掺稀工艺、以及安装有自动旋转动态混合器的环空掺稀工艺进行了相应的数值模拟,得到了不同工艺下的稀、稠油混合效果,通过对比研究发现:(1)模型反映了光管环空掺稀井下稀、稠油的混合结果,揭示了井口出油异常的原因:在稀油持续注入与抽油泵的抽汲作用下,稀-稠油动液面随时变化,而井下稀、稠油又共用一个油管入口,导致稀、稠油无规律地先后流入油管,引起油管内流体混合不均,形成一段较稀、一段较稠的段塞流。(2)对安装有不同叶片数量的SK型静态混合器的环空掺稀工艺进行对比模拟,结果显示出安装SK型静态混合器并不能阻止油管内形成段塞流;在一定范围内,SK型叶片数量越多,越有助于稠油流入油管,但管内压强与速度下降值也会越大;对比文中三种加有SK型叶片的模型,安装中等叶片数量(12片)的混合器降黏效果相对最好。(3)采用6DOF模型对安装有不同叶片倾角的自动旋转动态混合器的环空掺稀工艺进行数值模拟。模拟结果发现,安装自动旋转混合器会加速混合过程,但也会极大地促进稀油流入油管,从而导致稀油被直接泵出油井造成稀油资源的浪费;在自动旋转混合器的旋转作用下,油管由层流状态向紊流状态发展,油管内流体流动呈脉动状态;30°叶片倾角的叶轮引起的紊流相对最为严重,45°叶片倾角的叶轮引起的紊流相对最平稳。(4)基于以上研究认识,本文提出了一种掺稀改进思路,设计出一种新型掺稀工艺(定量掺稀工艺)与装置。通过Fluent模拟验证表明,在抽油泵下部油管上安装定量掺稀阀,实现每冲稀、稠油流入油管流量的定量控制,可以消除现有掺稀工艺出现的段塞流情况,稳定油管内稀、稠混合比,节省稀油资源,大幅度提高稠油掺稀开采效果。