稠油高压火驱氧化特性实验研究

稠油氧化特性研究是火驱提高采收率矿场设计的依据和基础,但截至目前,有关压力对稠油高压火驱的研究相对较少。为了明确压力对稠油火驱氧化特性的影响,并有效减少高压火驱的不利影响,以鲁克沁稠油为例,基于热重实验和差示扫描量热实验,研究不同压力下的稠油氧化热失重以及放热等变化特性,首先计算不同压力下的动力学参数,得出各氧化阶段的活化能、反应焓;其次,通过燃烧管实验,评价了不同压力下的火驱燃烧效果及稳定性。研究结果表明：压力升高加快了稠油氧化反应速率,增加了放热量,复杂体系的氧化路径有所改变,反应动力学表征参数需进行高压修正;并且压力升高使火线推进速率加快,燃烧前缘温度较常压火驱升高300 ℃以上,燃烧稳定性变差;10%减氧高压火驱燃烧稳定,有效抑制高压反应速度过快导致的燃烧不稳定性。     

稀油火烧油层物理模拟

注空气开发主要分为稀油注空气低温氧化以及稠油火烧油层2种技术。针对轻质原油火烧油层技术开展研究,采用热重/差示扫描量热同步热分析仪研究稀油高温氧化放热特性和反应动力学参数;在实验压力为5 MPa条件下采用高压燃烧管研究稀油高温火烧前缘传播稳定性以及稀油火烧油层基础参数。研究结果表明:测试稀油高温氧化活化能为148 kJ/mol,与文献中稠油高温燃烧反应活化能相近;人工点火后,稀油可以形成稳定的高温氧化前缘,实现稳定的高温燃烧驱替,前缘温度高达500℃;出口CO₂浓度和燃料的视H/C原子比进一步证明,燃烧前缘处的反应类型为高温氧化反应;稀油火烧油层驱油效率达92%,空气/油比为858 m³/t,具有较高的驱油效率和较低空气/油比。     

火驱高温与低温氧化转换界限研究

火驱存在原油低温氧化和高温氧化2种燃烧状态,针对低温氧化过程不稳定、热效率低、采出程度低等问题,以杜66块火驱为研究对象,开展了室内物理模拟和数值模拟实验,通过耗氧量及不同组分尾气数据的历史拟合,建立了火驱反应动力学模型,构建了基于火驱前缘初始温度、通风强度的高温与低温氧化转换界限图版。研究表明:高温氧化下,杜66块原油视H/C原子比为0.5～2.0,CO/CO₂体积比为0.13～0.40;低温氧化过程燃烧不稳定,易熄灭;杜66块火驱高温与低温氧化的临界前缘初始温度和通风强度分别为280 ℃、1.0 m³/(m²·h),低于或接近临界值将面临转入低温氧化甚至熄火风险;基于杜66块火驱提出了维持最低通风强度、分层火驱等开发对策。该研究为火驱油藏工程设计提供了理论依据。     

新疆重18区超稠油火驱燃烧特性物理模拟研究

超稠油资源量大可以作为稠油开发的接替资源。火驱技术是提高原油采收率的重要方法之一,室内实验证明,其采收率可达到70%~80%,有望作为超稠油开发的接替技术。本文以新疆凤城重18区蒸汽吞吐后的原油为研究对象,进行了一维燃烧管物理模拟实验,求取超稠油火驱燃烧基础参数,并对超稠油燃烧特性和火驱燃烧前缘传播的稳定性进行了分析。实验中求得视H/C原子比为1.27,燃烧过程中高温氧化反应起主导作用;燃料沉积量为26.64 kg/m~3,火驱前缘趋于稳定。火驱实验驱油效率达到91%,空气油比为1 022 m~3/t,具有较高的驱油效率和较低的空气油比。     

预氧化HP40合金表面催化结焦的研究

为研究不同的表面状态对HP40合金表面催化结焦的影响,分别以水蒸气、空气为预氧化气氛,对HP40合金试样进行了不同温度的氧化处理以及氧化后结焦实验。利用XRD,SEM,TEM对氧化层和焦炭的形貌进行了表征,采用元素分析仪和拉曼（Raman）光谱仪对焦炭的碳氢比和结构进行了分析。结果表明：合金试样经水蒸气氧化后,表面形成了针状、富铁氧化物; 经空气氧化后,表面形成颗粒状、致密的富铬氧化物,随氧化温度升高部分试样的氧化层出现了剥落,剥落后的疏松、多孔表面对催化结焦有强烈的促进作用。焦炭主要为典型的催化丝状焦,焦丝的直径约80 nm,还含有少量的热裂解焦;焦炭缩合度较高,由有序状炭和无序状炭共同构成,且石墨化程度低。不同的预氧化气氛对合金表面氧化状态影响较大,但是对后续结焦过程,焦炭的形貌和结构无明显影响。     

基于稠油火驱机理改进的数值模拟方程

为解决火驱数值模拟组分间转换关系复杂、收敛性差、结果精度低等问题,从火驱燃料沉积角度出发,将反应方程改进为稠油裂解和焦炭燃烧反应方程,并建立具有重复性和准确性的燃料沉积量室内实验方法,求取稠油裂解沉积量,拟合得到改进的模拟方程。结果表明:改进模型更加合理,其粗化后与室内实验结果、加密后的经典方程模型温度场、燃烧前缘分布等模拟结果基本一致,可以真实地描述高温氧化过程,且运算时间大幅度降低。该研究成果对火驱方案编制具有一定指导意义。     

稠油火驱过渡金属钴盐催化氧化实验

针对新疆红浅火驱工业化试验区稠油二次点火难的问题,开展过渡金属盐催化氧化稠油实验研究,评价过渡金属盐促进重质油火驱前缘稳定推进的效果.利用一维燃烧管开展火驱物理模拟实验,分析钴盐对稠油火驱前缘峰值温度和前缘推进的影响;采用同步热分析仪(TG-DTA)测定稠油氧化反应过程,建立稠油催化氧化动力学方程,计算稠油燃烧过程中低...     

注空气全温度域原油氧化反应特征及开发方式

通过模拟实验揭示了从30℃到600℃的注空气全温度域原油氧化反应特征,将原油注空气氧化反应划分为溶解膨胀、低温氧化、中温氧化和高温氧化4个温度区间,总结了不同温度区间的氧化反应机理。根据原油氧化特征结合矿场试验成果,提出稀油油藏注空气开发技术划分为减氧空气驱和空气驱,稠油油藏注空气火驱技术划分为中温火驱和高温火驱。稀油油藏温度低于120℃,应选择减氧空气驱,高于120℃,可直接采用空气驱开发;普通稠油油藏燃烧前缘温度低于400℃可选择注空气中温火驱开发,普通稠油油藏和胶质、沥青质含量较高的特/超稠油油藏,燃烧前缘温度高于450℃可选择注空气高温火驱开发。中国石油天然气股份有限公司近10年的攻关和开发试验证实,空气与其他气体驱油介质相比在技术、经济和气源等方面具有明显优势,不仅适用于低/特低渗透稀油油藏、中高渗透稀油油藏,也适用于稠油油藏,是一种很有潜力的新型驱油介质。图6表1参31     

不同油品注空气氧化动力学特征

基于热分析技术确定稀油、普通稠油、特稠油3种油品注空气过程中4个反应阶段的温度区间,阐述不同油品在不同氧化阶段的氧化反应特征,根据动力学模型,采用微分法计算3种油品各反应阶段的氧化动力学参数。结果表明:低温阶段,稀油质量损失率最多,放热峰值最高,随着黏度增加,3种油品初始放热点升高,自燃点降低,高温氧化阶段特稠油放热峰为稀油的4.4倍;稠油相对稀油活化能整体偏高,低温氧化阶段活化能随着原油黏度增加而增加,高温氧化阶段活化能随着稠油黏度增加而减小;不同类型油藏可选择不同的注空气开发方式:轻质油藏低温氧化反应比高温燃烧更明显,推荐采用稀油注空气提高采收率,随着黏度增加,稠油油藏高温下放热峰值增加,更适合火驱开采实现高温氧化。     

火烧油层(干式燃烧)室内实验研究

在现场火驱开发过程中,火烧状态很难判定,为解决这一难题,对火驱采油机理进行了室内模拟研究.使用冷37-45-562井天然油砂,开展一维模型火烧油层物理实验,分析了在火烧过程中产出气体和火烧前后原油组成的变化特征.实验结果表明:CO2、CO浓度变化规律反映了原油从被点燃到形成稳定燃烧区的过程,其浓度变化的第1个峰值对应原油自燃温度.运用色谱、色质、红外等分析手段,结合相关化学反应机理,证实了在火烧过程中原油经历低温氧化、高温裂解和高温氧化的过程.其研究方法和结论可为现场火驱动态监测提供依据.     

注空气开发中地层原油氧化反应特征

通过分析中国不同类型油藏注空气开发的技术优势,依据室内实验和现场试验的研究成果,阐述了轻质油和稠油不同氧化阶段的氧化反应特征。研究认为,不同氧化阶段地层原油的氧化反应特征存在明显差异：在中低温氧化阶段,氧气直接与原油接触,温度越高氧化反应越强;无论轻质油还是稠油,高温氧化阶段氧化反应的主要对象是焦碳而不是原油。进一步提出了划分轻质油和稠油氧化反应4个阶段的温度区间,轻质油比稠油中温氧化反应的起始温度低,放热量大,轻质油比稠油更容易诱发氧化反应;轻质油高温放热峰值（8.06 mW/mg）略高于中温放热峰值（6.42 mW/mg）,而稠油高温放热峰值却是中温放热峰值的5倍,稠油注空气火驱开发应该以实现高温氧化为主要目标。因此,根据油藏温度和油品性质等关键指标可选择空气驱或火驱等注空气开发方式：当油藏温度小于120℃时,由于氧化放热不明显,为了避免注空气开发的爆炸风险,应以减氧空气驱有效补充地层能量的开发方式为主;当油藏温度大于120℃时,在油藏条件下原油就可发生明显的氧化反应,此时可实施不减氧空气驱,充分利用原油氧化反应放热提高采收率;对于油藏温度小于120℃的稠油油藏,可通过电加热器等人工手段实现高温点火,进行高温火驱开发。     

生物质热解油提质及其氧化动力学分析

采用732型阳离子交换树脂为催化剂,通过预处理和催化酯化工艺对生物质热解油提质处理,获得精制生物油,分析比较生物质热解油提质前后的组分、低热值、黏度与pH值等燃料特性参数,并基于热重实验研究提质前后生物质热解油的氧化和燃烧特性。结果表明：对于100 mL粗制生物油,最佳的催化酯化反应条件为油/醇体积比2/1、催化剂用量8 g、反应温度50 ℃。GC MS检测结果表明,经过酯化工艺,粗制生物油的酯类和酮类组分分别增加了824%和310%,而酸类、酚类、大分子醚类等组分分别下降了858%、180%、366%。与生物质热解油相比,精制生物油的pH值升高至57,低热值增加75%,黏度降低101%。在空气氧化氛围热重条件下,与生物质热解油相比,精制生物油的起始质量损失温度滞后61 ℃,但其在高温氧化阶段的平均氧化速率提高65%,因而终了质量损失温度提前53 ℃。依据生物质热解油提质前后的氧化反应动力学特性,将其热重条件下的挥发氧化质量损失分为失水蒸发、慢速分解、快速燃烧和碳化等4个一级反应过程,精制生物油在失水蒸发阶段比生物质热解油挥发所需的活化能略高,但在慢速分解、快速燃烧和碳化阶段比生物质热解油挥发所需的活化能低,综合整个氧化燃烧过程可见精制生物油更易氧化和燃烧。     

热重分析仪求取稠油高温氧化动力学参数

采用火烧油层技术开发稠油时,高温氧化反应是火烧前缘的主要反应类型和能量源。采用热重法对稠油高温氧化过程进行研究,评价了样品制备方法(纯油样或混合SiO₂)和动力学参数求取方法(Coats-Redfern积分法、ABSW微分法和FWO等转化率法)对动力学参数测试结果的影响。研究结果表明,油样混合SiO₂后,颗粒间的孔隙可以为氧气扩散提供通道,使样品均匀反应,实现有效动力学实验,克服了纯油样不易均匀燃烧的问题;通过热重曲线求取稠油高温氧化动力学参数时,单一扫描速率法(Coats-Redfern积分法和ABSW微分法)拟合动力学数据存在一定偏差,而FWO等转化率法避免了因简化和假设机理函数所带来的误差,可用于油焦燃烧本征动力学研究,为火烧油层开发稠油、超稠油和特稠油提供准确动力学参数。     

超稠油燃烧基础参数特征研究

针对超稠油油藏开展火烧油层技术可行性研究的需要,利用自行设计研制的火烧油层物理模拟实验装置,分别采用超稠油、特稠油、普通稠油开展了火烧油层燃烧基础参数物理模拟实验。对比了不同类型稠油门槛温度、燃料消耗量等燃烧基础参数,结合产出油组分及温度场发育特征,分析了超稠油燃烧基础参数特征。研究认为,超稠油油藏开展火烧油层试验是可行的,超稠油门槛温度、燃料消耗量等燃烧基础参数值均高于其他类型稠油;稠油火烧油层的驱油效率与黏度相关,黏度越大其燃料消耗量越大,其最终的驱油效率相对较低;火烧后原油性质发生了明显改善。     

Kinetic evaluation and comparison of the heavy oil and its low temperature oxidized products based on thermal analyses

The main focus of this work was to investigate the thermal behavior of heavy oil and its low temperature oxidized products. The distributed activation energy method (DAEM) calculation results indicated that coke as fuel deposited from static low temperature oxidation (LTO) experiments can significantly reduce the activation energy of oxidized oil in high temperature oxidation (HTO) period, which brought the possibility for application of Tahe ISC technique without artificial ignition devices. The activation energy of the samples during the HTO period showed that after the conversion rate attained roughly 0.3, the remaining reactions became much more likely to occur.     

延迟焦化石油焦热重分析及热解动力学

对延迟焦在CO2和Ar两种气氛下,从室温至1 000 ℃进行热重分析,探讨其热解机理。研究表明, 延迟焦热解过程首先经历50~100 ℃的脱水阶段,较明显的失重从400 ℃开始,在620~640 ℃失重速率达到峰值,800 ℃之后快速失重,热失重速率不断增加。以三级化学反应模型模拟热解过程,在433~904 ℃的热解温度范围内,CO2气氛下的平均活化能为29.70~44.81 kJ/mol,Ar气氛下的平均活化能为57.68~69.44 kJ/mol。     

火驱过程中稠油组分变化特征研究

针对火驱过程中稠油组分变化复杂的问题,基于CMG-WinProp模块,研究火驱过程中不同区带间的稠油组分变化特征。研究结果表明:燃烧带主要发生高温氧化反应,重质组分裂解为轻质组分;结焦带轻质组分聚合生焦转变为重质组分;油墙区主要富集燃烧反应后的轻质油。相图变化表现为随着火驱燃烧反应的进行,油藏温度逐渐升高,气液两相区面积逐渐增大,随轻质组分含量的增多相图临界点向左上方移动。研究结果对进一步认识稠油热采过程中的组分变化规律具有十分重要的意义。