超深井超稠油高温高压井筒举升流动规律研究

Recovery of ultra-deep heavy oil is one technical challenge faced by the industry over the world. The key problems are to solve the flow assurance of heavy oil in the wellbore, and reveal the lifting mechanism of heavy oil from the ultra-deep wells. In previous researches, light oils were normally used in the experiments, and low pressure-temperature conditions were normally adopted as the experimental condition. The findings based on the use of light oil and low pressure-temperature conditions cannot be directly applied to the field due to the large discrepancy between the experimental condition and field condition. Little research has been carried out under true high pressure-temperature conditions. Aiming at improving the flow capability of heavy oil from ultra-deep wells, this research will conduct experimental measurements on the flow characteristics of heavy oil (100×104 mPa·s) lifting in 7000-m deep well by using an in-house built apparatus systematically; this apparatus can hold conditions up to 180℃ and 70MPa. First, a research methodology will be developed for conducting the simulated experiments. Secondly, we will systematically investigate the in-situ flow patterns of oil-gas-water mixtures, as well develop improved flow pattern maps and pressure-gradient calculation methods. Thirdly, the inter-face slipping effect and phase transition phenomena of oil-gas-water mixtures will be examined with thermodynamic and mechanical modeling approaches. Finally, we can use 3D simulation techniques to establish comprehensive flow models of oil-gas-water mixtures. The research findings will significantly aid in improving the well deliverability of heavy oil in ultra-deep wells.

超深井超稠油的开采是世界性技术难题，其核心是解决超稠油在井筒举升过程中的流动性问题，明确超稠油井筒举升流动规律是解决超深井超稠油开采的关键。前人有关井筒流动规律的研究，常采用稀油在常温常压条件下进行，结果与实际生产相差甚远，而有关超深井超稠油在高温高压条件下井筒流动规律的研究甚少。本研究针对超深井超稠油开采难题，拟采用自主研发的高温高压（耐温180℃、耐压70 MPa）井筒流动模拟装置，系统研究井深7000米、粘度100×104 mPa·s超稠油井筒举升流动规律，建立超深井超稠油井筒举升流动规律研究方法；研究油-气-水多相井筒举升过程中的流动型态，建立高温高压条件下流型转化界限及压降计算模型；研究油-气-水在井筒举升过程中相滑移和相转换特性，从动力学和热力学角度揭示超深井超稠油井筒举升流动机理；采用3D仿真模拟技术，建立超深井超稠油高温高压井筒举升流动模型，为超深井超稠油开采提供理论指导。

超深井超稠油的开采是世界性技术难题，其核心是解决超稠油在井筒举升过程中的流动性问题，明确超稠油井筒举升流动规律是解决超深井超稠油开采的关键。本文依据相似性原理，首次建立了高温高压（耐温180 ℃，耐压70 MPa）井筒模拟装置，利用该装置，对超深井超稠油井筒举升流动特征进行了较系统的研究。识别并定义了不同温度、压力、流速和油气水比条件下稠油多相垂直管流流动型态，建立了不同温度、压力、掺表面活性剂及注气条件下的流动型态图版。研究发现，轻油水两相流动型态在入口含水率为30% ~ 50%范围内从油包水流动转变为水包油流动，而重油水两相流动在实验条件范围内未发生相转换，入口含水率高于75%后出现环状流流型，该现象符合表面能方程预测结果。表面活性剂和气体存在条件下，均易使油水界面拉伸变形，且水相在油相中的分散度显著增加。加入表面活性剂后重油水两相流动在含水率70%左右发生相反转；高气液比下，在入口含水率80%左右发生相反转。通过显微探针技术（AFM）和数值分析方法，研究了流速、不同温度压力下流体性质以及界面传质对流动型态的影响机理。高混合速度下，气泡或液滴之间所受水动力斥力较大，难以聚并。界面张力越低、油相黏度越小，油水界面更易发生形变，阻止聚并，小粒径流态更易出现。气泡之间的气体传质是导致大粒径气液流态的重要机理之一。通过研究密度对相间滑移速度和即时相持率的影响，基于漂移流模型和动量守恒理论建立了不同流态下重油水两相持水率预测模型，预测误差率小于20%，并建立了流动型态转变界限方程。针对稠油的非牛顿流体特性，推导了高压条件下非牛顿幂律流体均相流表观黏度模型，模型与本文和文献中压降实验数据拟合度均在0.93以上，优于广泛使用的Metzner-Reed模型（拟合度0.8445）和牛顿近似模型（拟合度0.3523）。建立了不同油气水多相流动型态下的压降计算模型，与实验数据拟合度达到0.97以上，为稠油举升压降精确预测提供了新的思路，且研究发现高分散度的气液泡状流最有利于降低总举升压降。