基于燃料沉积演化机制的火烧油层启动与控制

Fuel formation and transformation is the key factors in the ignition and control of in-situ combustion. There are several critical problems need to be solved for field engineering design of in-situ combustion process, including: The control effect of the crude oil composition on the fuel formation, the process of fuel combustion and evolution, and the accurate description of the relationship between fuel deposition and pore space. In this study, first, the oxidation mechanism of single component crude oil will be determined using gravitational thermal analysis and differential thermal analysis, and then the mechanism can be used as a basis for division of oil oxidation stage. Second, analyze the cooperative transformation and cross phase transformation conditions in multicomponent oxidation stage. In-situ combustion kinetic model will be build based on the stage of the oxidation. Then oxidation kinetics characteristics of crude oil can be analyzed using oxidation reactor experiment with different porous properties and oil composition. By exploring formation and occurrence of fuel in porous media, the model of fuel transformation and deposition in the process of in-situ combustion can be established. Finally, analyze the characteristics of fuel combustion under controlled condition. The ignition control method of in-situ combustion will be investigated based on the crude oil oxidation kinetics. Combined with the evolution of the fuel path and heat and mass transfer law, a theory of controllable combustion chamber development can be established. The results can improve the ignition success rate and the control of in-situ combustion in heavy oil fields.

燃料形成与演化是决定火烧油层点火启动和控制成败的关键因素：原油组分构成差异对燃料形成的控制作用、燃料燃烧演化过程以及燃料沉积与孔隙空间的动态关系客观准确地描述，都是火驱矿场工程设计与调控亟需解决的问题。本课题拟采用原油的同步热重/差热分析实验确定单组分原油氧化启动动力学机理，以此为依据划分原油氧化阶段，进而通过实验探究反应阶段内不同组分协同转化规律和跨阶段转化条件，建立基于反应阶段的火烧油层动力学模型；然后利用反应釜实验结合岩心分析手段，考查在不同孔隙性质及原油组分条件下的原油氧化动力学特征，刻画燃料在多孔介质中的形成路径和赋存状态，推导地下多孔介质约束下火驱过程中燃料沉积演化模型；最后利用氧化反应阶段转化条件结合传热、传质理论，探索基于原油氧化动力学性质的火烧油层点火控制方法，建立适应燃料演化规律的燃烧腔可控发育理论体系。其成果能够提高矿场稠油火驱点火成功率，燃烧工况的控制也会更加有效。

燃料形成与演化是决定火烧油层点火启动和控制成败的关键因素：原油组分构成差异对燃料形成的控制作用、燃料燃烧演化过程以及燃料沉积与孔隙空间的动态关系客观准确地描述，都是火驱矿场工程设计与调控亟需解决的问题。.首先，通过TGA实验的失重速率分析可知，原油体系氧化反应可以分为四个连续阶段，这四个阶段主要包括低温氧化反应前段、低温氧化反应后段、燃料沉积段、高温氧化反应阶段，在不同升温速率下各个阶段温度划分。其中燃料沉积阶段既不是高温氧化反应主导也不是低温氧化反应主导，应该独立划分为一段。低温氧化反应阶段以气液相界面反应为主，随着焦炭的不断生成并沉积在砂粒表面，到了高温氧化反应阶段就转化为氧气与焦炭的三维扩散反应，正是由于产物和其性质在不断变化，最终导致各阶段反应机理不同，描述其过程的反应机理函数也需要做相应调整，从而避免在动力学参数计算时出现较大误差。.然后，分析了火驱油藏矿场实例，利用颗粒堆积学对燃料几何模型参数进行合理的筛选，确定了符合实际火驱的燃料氧化的几何模型。建立异径变球型燃料氧化几何模型，确定了合理的假设条件，利用燃料表面的反应速率公式将火驱氧化机理二者结合，促进了从多孔介质角度分析燃料沉积和氧化的新角度。分析了不同氧化阶段的燃料沉积体积和在多孔介质下的燃料表面积，为确定不同氧化阶段的耗氧速率提供详细的几何数据支持。通过作出不同氧化阶段的耗氧速率特征曲线，分析得到各个氧化阶段特征，并对不同粒径下的燃料沉积量进行分析，为火驱氧化油藏筛选提供的重要粒径范围。.进而，基于传统点火器的工作原理，提出一种用于点火的可丢弃的火烧油层固体燃料点火装置，进行了实例计算，结果表明该装置可行性较强；并进一步分析了油层厚度、原油的燃点以及油层的初始温度对点火装置尺寸的影响，更加印证了该点火器是可行的，并推测出点火器的适用条件以及施工上的技巧。.最后，利用氧化反应阶段转化条件结合传热、传质理论，以物质平衡和油水相对渗透率分别推导了火驱气液特征曲线和火驱油水特征曲线。并对曲线形态进行分析，在氧气突破前火驱的累产气—累产液曲线呈现直线关系。斜率Y值主要与原油性质有关。火驱的累产水—累产油的关系曲线可以分为两个部分。上产阶段曲线表现为指数形式，稳产阶段呈现直线关系。曲线的拐点位置与火驱最大波及体积和油墙饱和度有关。