稠油油藏火烧油层过程中焦炭沉积机理及燃烧特征研究

The In-situ combustion technique is an important enhanced oil recovery technique for the production of heavy oil. It is mainly based on injecting large amount air into reservoir and igniting to achieve the purpose of in-situ combustion. Then the heat generated by the combustion of generated coke is able to active high viscosity oil in reservoir condition. When the air reaches the crude oil in the reservoir, there are various reactions between crude oil and air causing the formation of coke. The property of coke is crucial to the success of in-situ combustion technique. But until now, the deposition mechanism and combustion characteristic of coke are not quite clear. In this program, multiple experimental methods are applied to investigate the deposition mechanism of heavy oil and the combustion characteristic of coke. First the various experimental methods are applied to the reaction and kinetic characteristic of different compounds of heavy oil under different temperature and pressure condition and establish the reaction model of heavy oil. Then by the high pressure constant temperature oxidation experiment, investigate the mechanism of depositing coke and the main controlling factor of coke deposition. Then through the combustion tube experiment, analyze the reaction mechanism of coke combustion, establish the combustion model, identify the formation condition combustion front and its influence factors. Investigate the deposition mechanism and combustion characteristic of coke under the reservoir condition is helpful and meaningful for the application of in-situ combustion technique.

火烧油层是稠油开发过程中一种重要手段。它是将大量的空气注入地层并通过点火的方式实现层内燃烧，从而将地层中的稠油活化并从注入井推向生产井。当空气与原油进行接触会发生反应生成焦炭，而沉积焦炭的性质直接关系着点火的成功率以及稳定燃烧前缘的形成。但目前对火烧油层过程中焦炭生成的机理研究并不深入。因此本项目首先通过考察在不同温度压力条件下稠油不同组分的反应特征及动力学特征，建立油藏条件下以各组分反应为基础的稠油反应特征模型，明确油藏条件下稠油成焦界限，再通过不同条件下的氧化管实验，考察不同因素对稠油成焦性质的影响，明确油藏条件下稠油成焦的主控因素。最后通过研究焦炭燃烧过程中的反应特征，明确焦炭燃烧反应过程中的影响因素，揭示火烧油层过程中焦炭性质对燃烧前缘形成的影响规律。研究成果是对火烧油层技术理论体系的丰富和发展，对该技术在稠油油藏中的应用有理论指导意义。

火烧油层是一种重要的稠油开发技术。焦炭是火驱过程中原油热转化产物，具有芳香度高、氢碳比低的特点。生成的焦炭拥有更强的活性和更低的燃点。稠油组分中极性组分所占的比例最高，因此从理论上讲与氧气接触时生成的焦炭量最多，从而发生燃烧的可能性最大。因此研究焦炭的物理化学性质是明确火烧油层驱油机理的关键一环。本项目以新疆塔河油田于奇区块稠油为研究对象，对原油进行不同温度、时间的氧化成焦实验，明确了油藏条件下稠油的成焦界限；建立油藏条件下原油和四组分的动力学反应模型，明确了在不同环境中各组分的反应模式。其中胶质和沥青质由于化学结构的相似，反应模式也相似。两者作为氧化成焦反应的主要原料，在氧化反应中占据重要的地位。两者在低温区间发生加氧反应从而导致大分子发生缩聚反应，最终导致焦炭的形成。对油藏条件下稠油成焦影响因素进行了分析，温度和压力对原油的耗氧速率和程度有明显的影响。温度和压力的升高能够提高加氧反应的速率，降低原油分子的H/C比，形成活化能更低的焦炭。温度和压力对焦炭影响较大。高温高压条件下焦炭沉积速率较快，沉积过程与气体生成过程同时进行，因此形成的焦炭表面呈现出“蜂窝状”的多孔结构，此类结构增加了焦炭与注入空气的接触面积，从而能够在一定程度上降低反应活化能，增加焦炭的可燃性。高温氧化燃烧管实验表明：油藏温度越高，燃烧前缘峰值温度越高，燃烧前缘推进速度加快且推进更加稳定，氧化反应（燃烧）更加剧烈，大量消耗氧气、生成CO2/CO。注入压力、速度、油藏温度和反应时间对火驱过程有着明显的影响。目前我国稠油油藏缺少有效的开发手段，新型提高采收率技术的基础研究和技术储备已经是目前研究的焦点之一，本研究成果对于认清原油反应焦炭沉积过程有着指导意义，为火烧油层技术在稠油油藏的应用提供理论基础。研究成果在国内的稠油藏开发方面具有广阔的应用前景。