世界石油工业正在经历从常规油气向非常规油气的跨越式发展，占全球原油探明储量70%的稠油逐渐成为未来最重要的接替能源之一[1]，同时也是高附加值化工产品的主要原料油。稠油黏度高，在地层原始温度下难以流动，开采难度显著高于常规原油，同时，我国稠油老区的蒸汽吞吐和蒸汽驱等常规热力开采项目已经进入开采后期，地下剩余油仍在60%左右，在国内原油产量2亿t的能源安全红线下，转换稠油开发方式迫在眉睫，因此，注空气采油技术逐渐受到重视[2-5]，其技术特征如图 1所示，通过注入空气，在地层内部激发稠油的氧化放热，通过“原位自生热”来加热和改质实现降黏，并在多种机理联合作用下驱替到生产井中[6]。以高温火驱为例，矿场试验表明火烧驱油的采收率超过55%(蒸汽驱和蒸汽吞吐小于30%)，且具有较强的油藏适应性，同时，火驱是绿色低碳的热力开采技术，据新疆油田的数据统计，采出1 t原油所需注入空气的成本仅是常规注蒸汽成本的0.6倍，不消耗水资源和天然气，且排放的二氧化碳量低于注蒸汽技术[6-7]。因此，稠油注空气开发技术逐渐被定位为提高石油采收率、增强能源供应保障、促进稠油绿色低碳开发转型的重大战略技术, 在碳达峰、碳中和战略目标下，该技术更有其战略意义。
火驱技术是复杂系统工程，美国火驱项目分析表明，其火驱项目的技术成功率不足45%，其中，不足20%的火驱项目具有经济效益[8]。我国先后在辽河、新疆和胜利油田，开展稠油注空气开发技术的先导试验，实现了部分关键技术配套，以高温稠油氧化为主导的火驱技术即将进入工业扩大化应用[9]，以中低温稠油氧化为主导的技术逐步从实验室走向现场试验。然而，我国的注空气技术主要面向蒸汽吞吐后期的稠油油藏[10]，稠油性质和地质条件与国外油田存在显著差异。因此，我国“特色”的油藏条件下开展的稠油注空气开发技术，仍存在一些亟待解决的工程技术与基础科学问题。
学科交叉已经成为提高原油采收率技术研究的新常态，稠油注空气开发技术更是典型的油藏工程、工程热物理与化学工程等多学科交叉问题，其物理化学过程与现场工艺技术的复杂性促进了高校、油田开发研究院以及油田矿场“三位一体”，推进“产校研”协作，共同应对该技术所涉及的关键工程技术和科学问题挑战。在“十二五”期间，本课题组开始与中国石油勘探开发研究院合作，开展了稠油注空气开发技术的基础科学问题研究和工程应用探索，具体的研究内容和路线如图 2所示，逐渐在“稠油中低温氧化放热特征与影响因素”“稠油高温氧化燃料(焦炭)的形成和物理化学性质”“稠油氧化的拟组分反应动力学模型”“高温氧化前缘的多物理化学场耦合机制”“井组尺度下油藏中‘热流化’的耦合和传递规律”等研究方向，建设形成了一批有特色的实验方法和装置、数值模型和模拟器，积累了一些实验规律、数值模型、基础理论、现场工艺参数和条件等研究成果。
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| 图 2 研究内容和技术路线 |
1 实验研究 1.1 概述
自2014年起，围绕我国典型稠油样品的放热规律和产物特征，本文研究团队陆续建设了油藏条件下高温高压的反应与渗流一体化测试装置和模拟稠油生焦装置，形成了稠油氧化反应的高压量热(PDSC)和热重(TGA)实验方法，创新了稠油焦炭物理化学性质和沉积规律的表征手段，并以此开展了中国稠油中低温氧化放热特征、新疆某稠油高温氧化结焦规律与焦炭物理化学性质、焦炭沉积对地层多孔介质孔隙结构和输运性质影响规律等实验研究。
1.2 中国稠油中低温氧化放热特征根据氧化温度区间，稠油氧化类型可以划分为低温氧化、中温氧化和高温氧化3种类型，国内外关于稠油氧化反应的研究主要集中在高温区间的焦炭燃烧，少量的中低温区间的原油组分氧化反应的研究也多是关注耗氧量和氧化产物特征[11-13]，对中低温氧化的放热特征仍缺乏系统的实验研究，进而导致中低温氧化能量是否能满足油藏体系的升温需求等问题尚不明朗；另外，油藏压力、地层水、多孔介质及黏土矿物等天然地层条件对我国稠油中温氧化生热的影响有待进一步认识。
自2014年起，本文研究团队围绕“稠油中低温氧化放热特征与影响因素”的科学问题，与清华大学化工系和中国石油勘探开发研究院开展了合作研究：基于高温量热PDSC实验和热重TGA实验，分析了我国多种稠油的中温氧化放热规律，以放热量和失重量为关键判断依据，将我国稠油氧化放热特征总结为3个典型阶段：小于200℃的缓慢的低温氧化放热段，失重质量分数为0~5%；200~350℃的温和的中温氧化放热段，失重质量分数为15%~20%；350~550℃的快速剧烈的高温氧化放热段，失重质量分数为60%~80%[14-17]。进一步探究了中低温氧化的关键影响因素，研究表明：中低温氧化累积放热随氧分压的提高呈近线性增加趋势[18]；地层水的存在使放热速率下降，但是累积放热量没有出现量级的差异[14-16]；实际地层的多孔介质条件显著提高了中低温氧化放热速率，稠油与沙砾掺混后放热速率较原油提高近3倍，岩石中天然黏土矿物催化可使中温放热峰提前[14-16]。该研究充实了我国稠油不同温区氧化规律的认识，积累了大量的量热与失重数据，为后续开展稠油氧化反应模型和数值模拟研究奠定基础。
1.3 新疆稠油热转化成焦规律与焦炭物理化学性质研究焦炭是稠油氧化过程中重要的中间产物和固体燃料，对于以稠油高温氧化为主导的技术，大部分地层热量和氧气消耗来源于焦炭的高温氧化反应。因此，焦炭生成量和物化性质是高温氧化技术的油藏筛选、工程注气参数的设计和经济性评价的重要参数[11, 19]，国外学者研究表明，稠油组分、反应气氛、温度和压力等因素显著影响了焦炭生成量和性质[11, 13, 20-22]，然而，我国稠油性质与其他国家的油藏有显著差异(我国稠油沥青质含量低，胶质含量高，相同相对密度下稠油黏度偏高)，国外的研究结果不能生搬硬套。尽管我国学者在室内一维燃烧管和三维火驱物理模拟以及焦炭的高温氧化动力学开展了较多的研究[23-27]，而针对各反应因素对焦炭形成和生成量的实验研究还十分缺乏。此外，稠油氧化过程存在两种不同类型的焦炭[28]：低温氧化焦炭和热裂解焦炭，尽管两类焦炭的生成过程有显著差异，但是，受限于细颗粒表面微量且不均匀分布的焦炭表征的挑战，针对两类焦炭的物理化学性质的比较分析还基本空白。
在2014—2016年，本文研究团队围绕“稠油高温氧化燃料(焦炭)的形成规律和物理化学性质”的科学问题，以新疆某类“高胶质、低沥青”的稠油为研究对象，通过建立油藏高温高压条件的反应模拟装置，物理模拟油层焦炭的生成过程，研究了在空气和氮气两种气氛下，温度、压力和通风强度对稠油生焦量的影响[29-31]；提出了一种稠油火驱过程中焦炭生成及其性质研究的方法[32]，极大地扩宽了所制备的焦炭可适用的表征手段，包含光电子能谱(EDS)、傅里叶变换衰减全反射红外光谱(ATR-FTIR)、拉曼光谱(Raman)、X射线衍射(XRD)与高倍透射电子显微镜(HRTEM)。如图 3所示，开展了低温氧化焦炭与热解焦炭的元素组成、表面官能团与碳结构等性质分析[33-34]。研究表明：1) 在焦炭的产量上，该新疆原油的低温氧化反应中的氧化桥连，显著促进了焦炭的生成，其焦炭产量(5 MPa条件下，每克稠油最高焦炭生成量为0.375 g)是氮气气氛的热裂解焦炭的2.5倍，其初始生焦温度约225℃，较氮气气氛的热裂解生焦降低约200℃，随压力升高，加剧的低温氧化反应提高了焦炭生成量，但是5 MPa后压力影响不再显著[29-31]；2) 在元素组成和官能团上，低温氧化焦炭的O/C为15.3%~22.3%，较热裂解焦炭低一个数量级，并含有大量的不同类型的C = O、C—O和C—O—C等含氧基团以及脂肪性的甲基—CH3与亚甲基—CH2基团，当低温氧化温度提高至310℃，sp3类型的C—O、C—O—C基团发生选择性气化，降低了焦炭的净质量与焦炭氧化速率[33-34]；3) 在碳结构上，焦炭的平均真实密度约为1.11 g/cm3[35]，在典型油藏热解温度425~550℃范围内，热解焦炭内部的芳烃分子没有发生明显的缩聚反应，低温氧化焦炭和热裂解焦炭呈现相似的高度无序的无定型碳结构，并指出焦炭中含氧基团数量的差异是低温氧化焦炭与热解焦炭氧化速率的差异的主要原因[33-34]。该研究为“高胶质、低沥青”的新疆原油提供了焦炭产量数据，厘清了该稠油的低温氧化焦炭和热裂解焦炭的理化性质的差异，为后续开展稠油高温氧化反应模型研究奠定基础。此外，清华大学宋蔷研究团队深入研究了4种主要黏土矿物(如蒙脱石)对稠油热转焦反应的影响规律和作用机理[36]，以及多种不同黏度的新疆稠油的成焦特性[7]，结合他们的研究，可以更加全面地认识新疆稠油在不同的稠油组分、温度、压力、反应气氛、黏土矿物等实际条件的热转化成焦规律与焦炭物理化学性质研究。
1.4 焦炭沉积对地层多孔介质孔隙结构和输运性质影响规律研究
在稠油高温氧化过程，焦炭在多孔结构中的沉积，改变了多孔结构原始的孔隙特征，进而影响气体的流动扩散过程，局部焦炭的非均匀沉积将加剧油层的非均质性，引起部分空气从焦炭沉积量较小、连通性较好的区域窜流进入燃烧前缘下游的低温油层，触发稠油的低温氧化反应。因此，开展结焦对地层气体渗透率与有效扩散系数影响规律的研究，对描述结焦区域气体的输运，提高火驱或THAI(toe-to-heel-air-injection)火烧的油藏模拟的精度有重要意义；再者，随着非侵入式、高分辨地重构样品三维微观结构的实验方法—X射线显微断层层析成像技术(显微CT)的发展[37-39]，显微CT重构结焦岩心的微观孔隙结构，有利于认识焦炭在地层多孔介质内的沉积规律。然而，现有的研究仍缺乏焦炭沉积对地层多孔介质孔隙结构和输运性质影响规律的认识。
在2015—2017年间，本文研究团队为夯实对“稠油高温氧化燃料(焦炭)的形成规律和物理化学性质”这一科学问题的认识，基于焦炭产量的规律(节1.3)，在岩心管内可控生成不同含焦量的结焦岩心，获得了不同焦炭沉积量下的岩心渗透率损失率，关联了平均焦炭沉积量与渗透率损失率的定量关系，发现焦炭沉积量较多时Kozeny-Carman关系式严重低估了渗透率损伤程度[30]；基于SEM成像，观察到稠油焦炭内部存在丰富的微纳米孔隙；如图 4所示，基于显微CT技术，重建了像素分辨率为500 nm，空间尺度为500 μm×500 μm×500 μm (长×宽×高)的结焦岩心，进一步分析了焦炭沉积率对孔隙率、孔径分布、迂曲度、孔隙收缩率、渗透率和扩散系数的影响规律，发现了焦炭在油湿性孔隙结构内的沉积特点(焦炭优先胶结在颗粒的表面，富集于多孔结构的孔喉区域)，发展了多孔介质孔隙结构参数-渗透率与孔隙结构参数-扩散率的新模型，最终，改善了复杂多孔介质输运系数的预测精度，揭示了焦炭沉积对多孔介质渗透率损伤的关键结构因素是孔隙率与水利有效半径的降低[35, 40-41]。该研究促进了稠油结焦对地层多孔介质结构和输运参数的影响规律认识，为量化结焦后均质储层渗透率和扩散系数损伤提供了模型支持，为后续开展稠油高温氧化的介观和宏观数值模拟奠定基础。但是，本文研究获得的渗透率和扩散系数模型对非均质储层的适用性还有待证实。
2 数值模拟研究 2.1 概述
在掌握了一定的稠油氧化反应的放热特征和产物性质的实验认识后，自2016年起至今，本文研究团队采用了格子Boltzmann数值方法、微观介质模型方法和油藏多相多组分数值模拟方法，研究了稠油氧化反应模型和高温氧化反应耦合机制等基础问题以及中温氧化技术现场试验中的工程应用问题，形成了介观尺度、实验室尺度和现场尺度的数值模型，最终，从多尺度的视角，推动了稠油在油藏复杂条件下的氧化机理的认识与中温稠油氧化技术的现场试验的开展。
2.2 介观尺度：高温氧化前缘的多物理化学场耦合现象和控制机制稠油高温氧化(燃烧)前缘是“流动-传热传质-化学反应-固相演化”的多场耦合过程, 国内外学者[5, 9, 22, 25, 42]围绕矿场实践、室内一维燃烧管和三维物理模型开展了实验和数值模拟研究，表明燃烧现象与孔隙结构、焦炭性质、注气参数和点火温度等关键因素相关。然而，目前研究[5, 22, 25, 42]多停留在产出气/液组分、燃烧前缘温度与移动速率等燃烧现象描述，而不同工程操作条件下燃烧前缘介观的燃烧特征并未系统阐述, 深层次的影响机理和控制机制演变规律仍有待完善，导致高温燃烧前缘调控仍是制约高温火驱技术大规模工业化应用的瓶颈[43]。
自2017年起，本文研究团队围绕“稠油高温氧化前缘的多物理化学场耦合机制”的科学问题，以稠油高温燃烧前缘的多物理化学场耦合问题为研究对象，抓住结焦岩心的如图 5所示的跨孔隙结构特点，构建了如式(1)—(8)所示的多场耦合问题的跨孔隙尺度数理模型——微观介质模型，描述疏松多孔的焦炭在岩石多孔介质内部的燃烧过程，实现现有孔隙尺度模拟[3, 44]升级为跨孔隙尺度模拟，并通过引入焦炭内表面积的随机孔模型(random pore model)，提高了焦炭反应速率的计算精度[45]；基于OpenFOAM开源CFD算法库，开发了数值模拟器，并优化了多场耦合计算稳定性和性能，进而能够将跨孔隙尺度直接数值模拟的计算能力从现有网格规模O(104)~O(105)、时间规模O(1) s [44]提高到网格规模>O(106)、时间规模>O(102) s[45]。本研究针对节1.4的X射线显微成像重构的结焦模型岩心(二维切片)开展了高温燃烧前缘的介观尺度模拟，获得了不同初始燃烧温度和注空气速率条件的控制机制图，如图 6所示，指出了现场实验(通风强度~O(1) sm3(air)/(m2·h))和室内燃烧管实验(通风强度~O(10) sm3(air)/(m2·h))的注空气速率的差异，会引起燃烧的控制机制从扩散控制(现场实验)转变为对流控制(室内实验)，并导致室内实验会高估稳定燃烧温度。此外，本研究发现高通风强度(O(102) sm3(air)/(m2·h))的燃烧会呈现燃烧指进现象，燃烧指进会引起氧气的过早突破和燃烧温度飞升(升温速率超过200 K/s)，并可能诱发燃烧从非均相的阴燃向气相燃烧转戾。最后，稠油采出过程以及焦炭燃烧过程，伴随着岩石孔隙结构演变，在较大的时空尺度，这种结构变化影响着热质传递与化学反应，通过本研究的燃烧机制认识，可以进一步认识到：1) 在可形成高温燃烧前缘的工况下，化学反应速率是由传质速率决定，相对于“本征”反应速率(含比表面积影响)，准确描述孔隙结构演变对传质速率的影响更具意义；2) 现场尺度下的燃烧是由扩散控制，这意味着燃烧前缘处渗流引起的氧气输运对焦炭燃烧影响较小(该结论与中国石油大学朱舟元研究团队的Darcy尺度数值模拟结果一致[46])，因此，孔隙结构的演变对多组分条件下的氧气扩散速率的影响，相对于渗透率损失更加重要。综上，该研究弥补了室内条件和现场条件下高温氧化反应的控制机制的认识不足，推动了稠油高温燃烧前缘的介尺度机制和尺度升级研究。
| $ \begin{gathered} \frac{1}{\varepsilon_{\mathrm{f}}}\left(\frac{\partial \rho_{\mathrm{f}} \bar{U}}{\partial t}+\left(\frac{\rho_{\mathrm{f}}}{\varepsilon_{\mathrm{f}}} \bar{U} \bar{U}\right)\right)= \\ -\nabla \bar{p}_{\mathrm{f}}+\rho_{\mathrm{f}} g+\frac{\mu_{\mathrm{f}}}{\varepsilon_{\mathrm{f}}} \nabla^{2} \bar{U}-\mu_{\mathrm{f}} k^{-1} \bar{U}, \\ k^{-1}=K_{0}^{-1} \frac{\left(1-\varepsilon_{\mathrm{f}}\right)^{2}}{\varepsilon_{\mathrm{f}}^{3}}, \end{gathered} $ | (1) |
| $ \frac{\partial \rho_{\mathrm{f}} \varepsilon_{\mathrm{f}}}{\partial t}+\nabla \cdot\left(\rho_{\mathrm{f}} \bar{U}\right)=-\dot{m}_{\mathrm{coke}}, $ | (2) |
| $ \frac{\partial \rho_{\mathrm{coke}} \varepsilon_{\mathrm{coke}}}{\partial t}=\dot{m}_{\text {coke }}, $ | (3) |
| $ \nabla \cdot\left(\varepsilon_{\mathrm{f}} \rho_{\mathrm{f}} \hat{D}_{i, \text { eff }} \nabla \bar{\omega}_{\mathrm{f}, i}\right)+\dot{m}_{i}, i=\mathrm{O}_{2}, \mathrm{CO}_{2}, $ | (4) |
| $ \begin{gathered} \frac{\partial \varepsilon_{\mathrm{s}} \rho_{\mathrm{s}} h_{\mathrm{s}}}{\partial t}+\frac{\partial \varepsilon_{\mathrm{f}} \rho_{\mathrm{f}} h_{\mathrm{f}}}{\partial t}+\nabla \cdot\left(\rho_{\mathrm{f}} \bar{U} h_{\mathrm{f}}\right)+\frac{\partial \rho_{\mathrm{f}} K}{\partial t}+ \\ \nabla \cdot\left(\rho_{\mathrm{f}} \bar{U} K\right)=\frac{\partial \bar{\rho}_{\mathrm{f}}}{\partial t}+\nabla \cdot\left(\lambda_{\text {eff }} \nabla T\right)+\rho_{\mathrm{f}} \bar{U} \cdot g+\dot{q}_{\mathrm{r}}, \end{gathered} $ | (5) |
| $ \varepsilon_{\mathrm{f}}+\varepsilon_{\text {coke }}+\varepsilon_{\text {rock }}=1, $ | (6) |
| $ \mathrm{C}+\mathrm{O}_{2} \longrightarrow \mathrm{CO}_{2}+h_{\mathrm{r}}, $ | (7) |
| $ \dot{r}=a_{v} A \exp \left(-\frac{E}{R \bar{T}}\right) \frac{\rho_{\mathrm{f}} \bar{\omega}_{\mathrm{f}, \mathrm{O}_{2}}}{M_{\mathrm{O}_{2}}}. $ | (8) |
其中：εf为孔隙率，ρf为流体密度，
地层多孔介质和高温高压等复杂环境下的稠油氧化反应模型是认识稠油氧化放热机理、开展稠油氧化放热的数值模拟、准确预测稠油氧化技术的生产规律的基础，国外学者针对稠油氧化数值模拟进行了大量工作，提出了不同类型的基于低温、中温、高温氧化反应区间的反应模型[4, 48-50]，但是，过去的研究常常采用单类实验方法和少数的实验数据来拟合大量的动力学参数，会导致数学上的过拟合，进而失去反应模型的泛化能力。此外，我国新疆油田的稠油具有“低沥青、高胶质”的特点，与国外稠油的物理化学性质有显著的差异，国外学者提出的稠油氧化的反应模型及动力学参数不再适用，而针对新疆稠油氧化反应模型的研究目前还十分缺乏。
在2016—2018年间，如图 7所示，为了开展“井组尺度下油藏中‘热流化’的耦合和传递规律”这一科学问题研究，本研究基于拟组分的物性测量实验、零维的高压量热(pressure differential scanning calorimeter, PDSC) 实验(节1.2)和准二维的室内线性升温氧化反应(ramped temperature oxidation, RTO) 实验数据，并结合稠油物性的热力学计算、数值模拟和历史拟合研究，基于分而治之、逐层递进的思路，建立了稠油氧化放热的拟组分反应模型的构建流程[18]。以PDSC实验和模拟为例说明该构建流程的思想，本研究考虑到毫克级样品在低温温度区间的PSDC实验具有操作简便、条件可控与可重复性强的优点，基于零维系统的低温氧化总包反应模型的构建和优化，可以减少多相渗流、传热传质和高温氧化的影响；利用PDSC的量热数据，可以校准获得的置信度较高的反应动力学参数和反应热[51]。本研究进一步结合RTO稠油氧化放热实验，获得RTO实验温度数据及产出气组分实验数据，拓展不同温度区间的反应机理[18]。由此，以新疆某类稠油为例，构建形成了低温氧化、热裂解、中温氧化和高温氧化的拟组分反应模型(表 1)和动力学参数(表 2)[18, 51]。如图 8所示，该反应模型成功预测了PDSC的低温氧化放热和RTO的温度历史与出口组分浓度的实验规律[18, 51]，低-中-高温氧化反应活化能的变化与分布式活化能分析方法的结论基本符合(低于300℃的中低温氧化反应的活化能约为100 kJ/mol，中低温区的氧化活化能是相近的，但进入到高温氧化阶段，活化能会显著增加[16, 52])，证明了本研究提出的反应模型构建流程的有效性与所形成的拟组分反应模型的准确性。该研究弥补了过去基于单种实验构造稠油氧化反应模型的不足，为后续开展现场尺度的稠油氧化数值模拟奠定了基础，未来，将进一步引入高压失重实验(PTGA)和一维燃烧管实验，进一步优化反应模型。
| 反应类型 | 拟组分反应式 |
| 低温氧化 | Oil+15.5O20.2Oxide+10.0CO2+2.5CO+10.0H2O |
| 热裂解 | Oxide119.0Coke+3.6Lightoil |
| 中温氧化 | Lightoil+20.75O211.0CO2+2.5CO+13.5H2O |
| 高温氧化 | Coke+0.9O20.75CO2+0.25CO+0.05H2O |
| 反应 | 活化能/(J·mol-1) | 指数因子 | 反应热/(J·mol-1) | 反应物级数 | 氧气级数 |
| 低温氧化 | 9.8×104 | 3.3×105 | 1.02×107 | 1.1 | 0.9 |
| 热裂解 | 9.1×104 | 4.4×105 | 0 | 0.75 | 0 |
| 中温氧化 | 10.0×104 | 3.6×105 | 1.51×107 | 0.87 | 0.9 |
| 高温氧化 | 12.1×104 | 7.7×105 | 5.01×105 | 1.3 | 0.9 |
2.4 现场尺度：新疆某油田中低温氧化吞吐技术的可行性与关键参数敏感性分析
在2019—2020年间，为了对新疆某油田氧化吞吐的现场生产试验提供理论指导和技术方案，如图 9所示，本研究围绕“井组尺度下油藏中‘热流化’的耦合和传递规律”的科学问题，开展了稠油中温氧化吞吐技术的可行性、增产效果和关键操作参数的优化开展了油藏现场单井和井组尺度的数值模拟。本研究采用了新疆油田某井区实际地质模型(非均匀结构)，现场井中的注入井是“定注气速率和井底压力”，生产井是“定产液量”的边界条件。首先，开展了该油藏蒸汽吞吐阶段的历史拟合，校准岩石比热容、导热系数与束缚水饱和度等关键地质参数和渗流参数。其次，结合表 1和2所示的稠油氧化放热的反应模型和网格敏感性分析结果，建立了稠油氧化吞吐技术的现场尺度数值模拟，并针对某井组蒸汽吞吐后期的油藏条件，开展了稠油氧化吞吐的数值计算。结果表明：多轮次的稠油氧化吞吐可以维持地层温度处于300~350℃(中温区间)，持续扩大地层自生热的范围，有效减缓了地层压力的衰减。与其他稠油热采技术的横向比较分析，进一步表明：中温条件下的稠油氧化吞吐技术的累计产油量，较相同条件下的蒸汽吞吐技术可提高70%~120%；在中温区间，稠油氧化初期处于反应控制区间，并缓慢向传质控制区间发展；进而，与较高温条件下的稠油氧化技术相比，中温区间的氧化吞吐有利于氧气在地层的扩散，扩大反应生热区域，而且原油消耗量较高温技术(>350℃)低2倍。最后，基于某单井的氧化吞吐过程，本研究开展了启动温度、注气速率和单轮次注气时间等关键氧化吞吐操作参数的敏感性分析，提出该油井启动和维持中温区间稠油氧化吞吐的操作条件是启动温度：230~250℃、注气速率：~1 500 m3/d、单轮次注气时间：4~6周；并且，提示现场操作的安全风险：焖井阶段应注意控制地层氧气回流程度，及时监测井底的温度和回流的氧气浓度。该研究有利支撑了新疆某油田氧化吞吐的现场生产试验的设计和落地。
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| 图 9 现场井组尺度的稠油中温氧化吞吐技术可行性分析和增产效果评价 |
3 结论
1) 建立了测量稠油氧化放热规律、产物性质与渗流参数的实验装置和方法，以新疆某油田稠油为主要对象开展实验研究，掌握了不同温度压力等天然地层条件下稠油低-中-高温氧化放热特征和热转化生焦规律，阐释了稠油高温氧化燃料(焦炭)的物理化学性质，探讨了形成低温氧化焦炭和热裂解焦炭的重要化学物理过程，获得了焦炭沉积对地层多孔介质结构与输运参数影响规律。
2) 建立了多尺度的稠油氧化开采技术的数值模拟方法，基于孔隙(介观)尺度，认识了高温氧化(燃烧)前缘的燃烧特征和控制机制；基于实验室尺度，形成了完整温度区间的稠油氧化反应的拟组分反应动力学模型；基于现场尺度，获得了关键注采参数对中温氧化的影响规律和增产效果，提出了新疆某油井的启动和维持中温氧化吞吐的操作条件。
4 展望在未来的工作中，本课题组的研究工作仍需要从工程实际需求出发，紧密追踪油田现场遇到的“卡脖子”的关键条件，并不断提取其中的科学问题，更好地服务于稠油注空气开采技术的工程实践。在目前的科学问题上，将进一步探索稠油中低温氧化放热和改质的化学机制，完善多尺度的稠油氧化“热流化”耦合过程的数值模拟体系。
| [1] |
SANTOS R G, LOH W, BANNWART A C, et al. An overview of heavy oil properties and its recovery and transportation methods[J]. Brazilian Journal of Chemical Engineering, 2014, 31(3): 571-590. DOI:10.1590/0104-6632.20140313s00001853 |
| [2] |
宁奎, 袁士宝, 蒋海岩. 火烧油层理论与实践[M]. 东营: 中国石油大学出版社, 2009. NING K, YUAN S B, JIANG H Y. In-situ combustion theory & practice[M]. Dongying: China University of Petroleum Press, 2009. (in Chinese) |
| [3] |
LEI T M, WANG Z, LUO K H. Study of pore-scale coke combustion in porous media using lattice Boltzmann method[J]. Combustion and Flame, 2021, 225: 104-119. DOI:10.1016/j.combustflame.2020.10.036 |
| [4] |
YANG M, HARDING T G, CHEN Z X. Numerical investigation of the mechanisms in co-injection of steam and enriched air process using combustion tube tests[J]. Fuel, 2019, 242: 638-648. DOI:10.1016/j.fuel.2019.01.041 |
| [5] |
YUAN C D, SADIKOV K, VARFOLOMEEV M, et al. Low-temperature combustion behavior of crude oils in porous media under air flow condition for in-situ combustion (ISC) process[J]. Fuel, 2020, 259: 116293. DOI:10.1016/j.fuel.2019.116293 |
| [6] |
许强辉. 稠油火驱燃烧前缘的焦炭理化特性与反应传递问题研究[D]. 北京: 清华大学, 2017. XU Q H. Chemical-structural properties of the coke and reactive transport of the combustion front during crude oil in-situ combustion[D]. Beijing: Tsinghua University, 2017. (in Chinese) |
| [7] |
刘冬. 稠油火驱过程中的成焦机理与燃烧带推进特性研究[D]. 北京: 清华大学, 2021. LIU D. Research on the coking mechanisms of heavy oil and the combustion zone propagation characteristics during in-situ combustion[D]. Beijing: Tsinghua University, 2021. (in Chinese) |
| [8] |
SARATHI P S. In-situ combustion handbook——principles and practices[R]. Tulsa, OK (US): National Petroleum Technology Office, 1999.
|
| [9] |
张方礼, 户昶昊, 马宏斌, 等. 辽河油田火驱开发技术进展[J]. 特种油气藏, 2020, 27(6): 12-19. ZHANG F L, HU C H, MA H B, et al. Development of fire flooding technology in Liaohe oilfield[J]. Special Oil & Gas Reservoirs, 2020, 27(6): 12-19. DOI:10.3969/j.issn.1006-6535.2020.06.002 (in Chinese) |
| [10] |
XI C F, GUAN W L, HUANG J H. Research and application of fire-flooding technologies in post-steam injected heavy oil reservoir[C]// International Petroleum Technology Conference. Beijing, China: OnePetro, 2013.
|
| [11] |
ALEXANDER J D, MARTIN W L, DEW J N. Factors affecting fuel availability and composition during in situ combustion[J]. Journal of Petroleum Technology, 1962, 14(10): 1154-1164. DOI:10.2118/296-PA |
| [12] |
BOUSAID I S, RAMEY JR H J. Oxidation of crude oil in porous media[J]. Society of Petroleum Engineers Journal, 1968, 8(2): 137-148. DOI:10.2118/1937-PA |
| [13] |
RANJBAR M. Influence of reservoir rock composition on crude oil pyrolysis and combustion[J]. Journal of Analytical and Applied Pyrolysis, 1993, 27(1): 87-95. DOI:10.1016/0165-2370(93)80024-T |
| [14] |
江航. 稠油中温氧化生热降黏基础实验研究[D]. 北京: 中国石油勘探开发研究院, 2016. JIANG H. Experimental studies of heat release and viscosity reduction characteristics during the crude oil moderate temperature oxidation[D]. Beijing: Research Insititute of Pertroleum Exploration & Development, 2016. (in Chinese) |
| [15] |
FAN C, ZAN C, ZHANG Q, et al. Air injection for enhanced oil recovery: In situ monitoring the low-temperature oxidation of oil through thermogravimetry/differential scanning calorimetry and pressure differential scanning calorimetry[J]. Industrial & Engineering Chemistry Research, 2015, 54(26): 6634-6640. |
| [16] |
FAN C, ZAN C, ZHANG Q, et al. The oxidation of heavy oil: Thermogravimetric analysis and non-isothermal kinetics using the distributed activation energy model[J]. Fuel Processing Technology, 2014, 119: 146-150. DOI:10.1016/j.fuproc.2013.10.020 |
| [17] |
韩云超. 稠油中低温氧化生热基础实验与数值模型研究[D]. 北京: 清华大学, 2018. HAN Y C. Basic experimental and numerical model study of low to medium temperature oxidation heating in heavy oil[D]. Beijing: Tsinghua University, 2018. (in Chinese) |
| [18] |
YANG J Y, XU Q H, JIANG H, et al. Reaction model of low asphaltene heavy oil from ramped temperature oxidation experimental analyses and numerical simulations[J]. Energy, 2021, 219: 119669. DOI:10.1016/j.energy.2020.119669 |
| [19] |
MOORE R G, LAURESHEN C J, MEHTA S A, et al. Observations and design considerations for in situ combustion projects[J]. Journal of Canadian Petroleum Technology, 1999, 38(13): 1-9. |
| [20] |
YOSHIKI K S, PHILLIPS C R. Kinetics of the thermo-oxidative and thermal cracking reactions of Athabasca bitumen[J]. Fuel, 1985, 64(11): 1591-1598. DOI:10.1016/0016-2361(85)90377-1 |
| [21] |
DRICI O, VOSSOUGHI S. Study of the surface area effect on crude oil combustion by thermal analysis techniques[J]. Journal of Petroleum Technology, 1985, 37(4): 731-735. DOI:10.2118/13389-PA |
| [22] |
HASCAKIR B, KOVSCEK A R. Analysis of in-situ combustion performance in heterogeneous media[C]//SPE Heavy Oil Conference. Calgary, Alberta, Canada: Society of Petroleum Engineers, 2014.
|
| [23] |
关文龙, 马德胜, 梁金中, 等. 火驱储层区带特征实验研究[J]. 石油学报, 2010, 31(1): 100-104, 109. GUAN W L, MA D S, LIANG J Z, et al. Experimental research on thermodynamic characteristics of in-situ combustion zones in heavy oil reservoir[J]. Acta Petrolei Sinica, 2010, 31(1): 100-104, 109. (in Chinese) |
| [24] |
唐君实, 关文龙, 蒋有伟, 等. 稀油火烧油层物理模拟[J]. 石油学报, 2015, 36(9): 1135-1140. TANG J S, GUAN W L, JIANG Y W, et al. Physical simulation of light oil in-situ combustion[J]. Acta Petrolei Sinica, 2015, 36(9): 1135-1140. (in Chinese) |
| [25] |
梁金中, 关文龙, 蒋有伟, 等. 水平井火驱辅助重力泄油燃烧前缘展布与调控[J]. 石油勘探与开发, 2012, 39(6): 720-727. LIANG J Z, GUAN W L, JIANG Y W, et al. Propagation and control of fire front in the combustion assisted gravity drainage process using horizontal wells[J]. Petroleum Exploration and Development, 2012, 39(6): 720-727. (in Chinese) |
| [26] |
江航, 昝成, 宋新民, 等. 高压近绝热量热法获取原油氧化动力学参数[J]. 石油学报, 2014, 35(4): 745-748. JIANG H, ZAN C, SONG X M, et al. Determination of oxidation kinetics parameters for crude oil using high pressure and near adiabatic calorimetry method[J]. Acta Petrolei Sinica, 2014, 35(4): 745-748. (in Chinese) |
| [27] |
唐君实, 关文龙, 梁金中, 等. 热重分析仪求取稠油高温氧化动力学参数[J]. 石油学报, 2013, 34(4): 775-779. TANG J S, GUAN W L, LIANG J Z, et al. Determination on high-temperature oxidation kinetic parameters of heavy oils with thermogravimetric analyzer[J]. Acta Petrolei Sinica, 2013, 34(4): 775-779. (in Chinese) |
| [28] |
MAHINPEY N, AMBALAE A, ASGHARI K. In situ combustion in enhanced oil recovery (EOR): A review[J]. Chemical Engineering Communications, 2007, 194(8): 995-1021. DOI:10.1080/00986440701242808 |
| [29] |
谭闻濒. 多孔介质中稠油结焦特性及其渗流实验研究[D]. 北京: 清华大学, 2015. TANG W P. Coking properties of heavy oil in porous media and its seepage experiment research[D]. Beijing: Tsinghua University, 2015. (in Chinese) |
| [30] |
XU Q H, JIANG H, ZAN C, et al. Coke formation and coupled effects on pore structure and permeability change during crude oil in situ combustion[J]. Energy & Fuels, 2016, 30(2): 933-942. |
| [31] |
江航, 许强辉, 马德胜, 等. 注空气开采过程中稠油结焦量影响因素[J]. 石油学报, 2016, 37(8): 1030-1036. JIANG H, XU Q H, MA D S, et al. Influence factors of coking amount during recovery of heavy oil by air injection[J]. Acta Petrolei Sinica, 2016, 37(8): 1030-1036. (in Chinese) |
| [32] |
许强辉, 江航, 史琳, 等. 注空气采油过程中焦炭生成及理化性质研究的装置及方法: 105445444A[P]. 2016-03-30. XU Q H, JIANG H, SHI L, et al. Experimental apparatus and method for investigating coke formation and chemical-structural properties during crude oil air injection technique: 105445444A[P]. 2016-03-30. (in Chinese) |
| [33] |
XU Q H, JIANG H, MA D S, et al. Pyrolysis of a low asphaltene crude oil under idealized in situ combustion conditions[J]. Energy & Fuels, 2017, 31(10): 10545-10554. |
| [34] |
XU Q H, LIU Z M, JIANG H, et al. Chemical-structural properties of the coke produced by low temperature oxidation reactions during crude oil in-situ combustion[J]. Fuel, 2017, 207: 179-188. DOI:10.1016/j.fuel.2017.06.026 |
| [35] |
许然. 火烧油层技术中焦炭分布三维精细表征及焦炭性质研究[D]. 北京: 清华大学, 2016. XU R. Advanced characterization of three-dimensional distribution of coke in coking sand and study on properties of coke[D]. Beijing: Tsinghua University, 2015. (in Chinese) |
| [36] |
郑若楠. 稠油在典型黏土矿物作用下的热转化成焦研究[D]. 北京: 清华大学, 2020. ZHENG R N. Research on the coke formation during the thermal conversion of heavy oil under the effect of typical clay minerals[D]. Beijing: Tsinghua University, 2020. (in Chinese) |
| [37] |
CNUDDE V, BOONE M N. High-resolution X-ray computed tomography in geosciences: A review of the current technology and applications[J]. Earth-Science Reviews, 2013, 123: 1-17. DOI:10.1016/j.earscirev.2013.04.003 |
| [38] |
WILDENSCHILD D, SHEPPARD A P. X-ray imaging and analysis techniques for quantifying pore-scale structure and processes in subsurface porous medium systems[J]. Advances in Water Resources, 2013, 51: 217-246. DOI:10.1016/j.advwatres.2012.07.018 |
| [39] |
MORENO-ATANASIO R, WILLIAMS R A, JIA X D. Combining X-ray microtomography with computer simulation for analysis of granular and porous materials[J]. Particuology, 2010, 8(2): 81-99. DOI:10.1016/j.partic.2010.01.001 |
| [40] |
XU Q H, LONG W, JIANG H, et al. Quantification of the microstructure, effective hydraulic radius and effective transport properties changed by the coke deposition during the crude oil in-situ combustion[J]. Chemical Engineering Journal, 2018, 331: 856-869. DOI:10.1016/j.cej.2017.09.002 |
| [41] |
史琳, 许然, 许强辉, 等. 基于显微CT技术的结焦砂3维孔隙结构精细表征[J]. 清华大学学报(自然科学版), 2016, 56(10): 1079-1084. SHI L, XU R, XU Q H, et al. Advanced characterization of three-dimensional pores in coking sand by micro-CT[J]. Journal of Tsinghua University (Science and Technology), 2016, 56(10): 1079-1084. (in Chinese) |
| [42] |
OGUNBANWO O, GERRITSEN M, KOVSCEK A R. Uncertainty analysis on in-situ combustion simulations using experimental design[C]// SPE Western Regional Meeting. Bakersfield, California, USA: Society of Petroleum Engineers, 2012.
|
| [43] |
蒋海岩, 高成国, 袁士宝, 等. 火烧油层过程中稠油氧化反应的启动机理及干预机制[R]. 西安: 西安石油大学, 中国石油天然气股份有限公司新疆油田分公司, 2020. JIANG H Y, GAO C G, YUAN S B, et al. The initiation and intervention mechanism of crude oil oxidation reactions during in-situ combustion[R]. Xi'an: Xi'an Shiyou University, PetroChina Xinjiang Oilfield Company, 2020. (in Chinese) |
| [44] |
XU Q H, LONG W, JIANG H, et al. Pore-scale modelling of the coupled thermal and reactive flow at the combustion front during crude oil in-situ combustion[J]. Chemical Engineering Journal, 2018, 350: 776-790. DOI:10.1016/j.cej.2018.04.114 |
| [45] |
XU Q, DAI X, YANG J, et al. Pore-scale modeling of coke combustion in a multiscale porous medium using the micro- continuum framework[J]. Journal of Fluid Mechanics, 2022, 932: A51. DOI:10.1017/jfm.2021.1039 |
| [46] |
ZHU Z Y, LIU Y N, LIU C H, et al. In-situ combustion frontal stability analysis[J]. SPE Journal, 2021, 26(4): 2271-2286. DOI:10.2118/195318-PA |
| [47] |
SOULAINE C, ROMAN S, KOVSCEK A, et al. Mineral dissolution and wormholing from a pore-scale perspective[J]. Journal of Fluid Mechanics, 2017, 827: 457-483. DOI:10.1017/jfm.2017.499 |
| [48] |
CINAR M, CASTANIER L M, KOVSCEK A R. Combustion kinetics of heavy oils in porous media[J]. Energy & Fuels, 2011, 25(10): 4438-4451. |
| [49] |
SEQUERA B, MOORE R G, MEHTA S A, et al. Numerical simulation of in-situ combustion experiments operated under low temperature conditions[J]. Journal of Canadian Petroleum Technology, 2010, 49(1): 55-64. DOI:10.2118/132486-PA |
| [50] |
YANG M, HARDING T G, CHEN Z X. An improved kinetics model for in situ combustion of pre-steamed oil sands[J]. Energy & Fuels, 2017, 31(4): 3546-3556. |
| [51] |
JIANG H, YANG J Y, HUANG J, et al. Heat release model for the low temperature oxidation of heavy oils from experimental analyses and numerical simulations[J]. Energy & Fuels, 2019, 33(5): 3970-3978. |
| [52] |
CINAR M, CASTANIER L, KOVSCEK A R. Improved analysis of the kinetics of crude-oil in-situ combustion[C]// SPE Western Regional and Pacific Section AAPG Joint Meeting. Bakersfield, California, USA: Society of Petroleum Engineers, 2008.
|