火烧驱油过程中原油氧化与裂解反应机理的基础研究

In-situ combustion (ISC) is one of the most important oil recovery methods. During this process, a series of reactions including low temperature oxidation, fuel pyrolysis, and high temperature oxidation play vital effects on the ignition, flame propagation, extinguish, re-ignition, and enhancing oil recovery. Regarding to this thermophysics scientific issue in oil reservoir engineering, this project grouped the oil fractions according to distillation, and the physical properties, molecular structure, ignition delay，and combustion characteristics of each fraction were investigated in detail, and a surrogate component corresponding to each oil fraction was proposed. After that, pseudo-component of overall crude oil was developed and a convincible, widely proved skeletal chemical kinetic model was constructed. Based on abovementioned researches, focusing on the low temperature reaction of crude oil, revealing the ignition conditions of the in-situ combustion, clarifying the mechanism of negative temperature coefficient (NTC) phenomena, elaborating the migration mechanisms and seeking breakthrough strategy of NTC zone, deeply analysis the oxidation characteristics of the light oil, medium oil, and heavy oil. Based on numerical simulation coupled with skeletal chemical kinetic model, develops the optimum gas injection strategies for different reservoirs, and provides the theoretic protection for enhanced oil recovery. This project will not only provide a new vision for the oil reservoir engineering to understand the in-situ combustion process, but also to enrich and develop the basic theory of combustion section of Engineering Thermophysics.

火烧油层是化石原油的一种主要开采方式。火烧过程中发生的原油低温氧化、裂解与沉积、高温燃烧等系列反应对点火、火焰维持与传播、熄火、再燃以及最终的采收率都具有极其重要的影响。针对油藏工程这一工程热物理问题，本项目创新提出根据原油馏分进行分组，针对每一馏分原油的物理特性、分子结构、着火延迟、以及燃烧特性寻求其替代组分，从而建立全馏分原油的替代假组分并发展其可信的、经过验证的骨架机理。在此基础上，聚焦原油低温氧化反应的本质，揭示火烧油层的着火条件，探明负温度系数（NTC）现象的发生机理，寻求NTC现象的迁移机制和突破策略，深度解析轻质、中质、重质原油氧化特征产生显著差异的根本原因。开展基于骨架机理的数模研究，发展不同类型油藏的最佳注气策略，为提高石油采收率提供理论上的支撑。本项目不仅为油藏工程提供一个全新的视觉来认识火烧过程中的基础科学问题，同时也丰富和发展了工程热物理燃烧学的相关基础理。

火烧过程中发生的原油低温氧化、裂解与沉积、高温燃烧等系列反应对点火、火焰维持与传播、熄火、再燃以及最终的采收率都具有极其重要的影响。本项目研究表明，从原油中蒸馏出轻质馏分与空气形成混合气，在较低的地层温度下极易发生气相燃烧反应，同时轻质馏分的着火也可以促进火驱进程，但目前的火驱动力学模型中很少考虑轻质馏分的着火。为此，研究中对火烧油层动力学机理进一步拓展，将轻质馏分气相燃烧纳入火驱机理中，创新性提出根据原油馏分分组，针对每一馏分原油的物理特性、分子结构、着火延迟、以及燃烧特性寻求其替代组分，建立全馏分原油的替代假组分并发展其可信的、经过验证的骨架机理。在此基础上，聚焦原油低温氧化反应的本质，揭示火烧油层的着火条件，探明负温度系数（NTC）现象的发生机理，寻求NTC现象的迁移机制和突破策略。研究中，采用轻质馏分内部成分正庚烷、环己烷、对二甲苯，构建了一元、二元、三元替代燃料化学反应动力学模型。通过数值模拟方法研究了一元、二元、三元替代燃料在较宽温度范围内的着火特性，反应物和重要中间产物浓度变化历程以及各基元反应对燃料氧化速率的影响。为提高燃料反应速率，研究了在一元、二元、三元替代燃料中加入一定量的活性添加剂过氧化二叔丁基（DTBP），来促进燃料在更低温度下发生着火反应。通过直接关系图法（DRG）和计算奇异摄动法（CSP）对三元替代燃料详细机理进行了框架简化，在误差允许范围内将详细机理物种减少到 258 个。通过与一元、二元、三元替代燃料采用详细机理进行计算的着火延迟时间以及反应物浓度消耗对比验证，认为轻质馏分的框架简化机理能够很好的吻合详细机理模拟数据。通过本研究，不仅为油藏工程提供一个全新的视觉来认识火烧过程中的基础科学问题，同时也丰富和发展了工程热物理燃烧学的相关基础理论。