Mathematical modeling of crude oil combustion at low reynolds number

The use of oxy-fuel combustion of crude oil is regarded as one of the major options for heat and power generation, due to its high density. In this work, we developed a kinetic model to evaluate the potential of heat generation from crude oil combustion in a combustor. Particular emphasis was placed on the influence of excess oxygen ratio (EOR) and reaction time on released greenhouse gas emissions and reaction temperature. Results showed that the reaction time is a key parameter on reaction temperature due to a considerable increase in the rate of reactions. It is also found that the EOR improves the char conversion and reaction temperature simultaneously.     

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。     

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。     

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。     

加氢裂化反应工艺参数对喷气燃料馏分收率和性质的影响规律研究

为通过调整加氢裂化装置反应条件来控制喷气馏分燃料收率和质量,以中间基蜡油为原料在双剂串联一次通过流程下考察了裂化反应温度、氢分压、体积空速和氢油比对喷气燃料馏分收率和性质的影响。结果表明：不同反应条件下蜡油原料中大于350℃馏分的转化率影响喷气燃料馏分收率,蜡油原料中大于350℃馏分转化率越高,喷气燃料馏分收率越高;不同氢分压下,喷气燃料馏分的芳烃加氢饱和程度影响其烟点,其他反应条件参数对烟点的影响均和蜡油原料的转化深度相关。     

Effect of calcite on crude oil combustion characterized by high-pressure differential scanning calorimetry (HP-DSC)

The influence of calcite on crude oil combustion was studied using high-pressure differential scanning calorimetry (HP-DSC). Calcite had a small effect on the low-temperature oxidation (LTO), but it had a strong promotion on fuel deposition (FD) and high-temperature oxidation (HTO). It significantly enhanced the formation of fuel and its combustion with a significant shift of FD and HTO intervals into lower temperature ranges, thus improving the combustion efficiency of crude oil. The promotion of calcite on crude oil combustion was more related to its specific surface area, rather than its catalytic effect on decreasing activation energy.     

含硫油品储罐硫铁化合物自燃氧化倾向性研究

含硫原油中的活性硫(硫化氢、硫、硫醇)与罐内壁反应生成不同形式的硫铁化合物,这些化合物活性很高,与空气中的氧气反应放出大量的热使储罐内温度升高,可导致燃点低的物质发生自燃。在同一氧气流速下考察了制备硫铁化合物时的环境温度和水分对其自燃氧化倾向性的影响。结果表明,环境温度越高、水分越大,硫铁化合物的自燃氧化倾向性越高。     

原油粘度的波动对输油工况的影响

通过分析输油管道进泵原油组分的变化，引起原油运动粘度产生偏离设计值的波动，该波动具有随机性，是无法预测的。原油粘度的波动会影响输油工况的稳定，降低离心泵和电机的效率，降低燃油锅炉的燃烧效率，影响降粘剂的最佳用量和原油的最佳加热温度。     

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。     

聚乙烯胺用于直馏柴油脱酸的实验研究

采用以聚乙烯胺（PVAm）作主剂的脱酸剂对直馏柴油进行了脱酸实验,并考察了柴油脱酸过程中主要因素的影响。结果表明,在脱酸剂中PVAm与原料油中环烷酸的摩尔比为5.0、剂油体积比为0.02、反应温度和相分离温度均为50℃、反应时间20s、相分离时间为60min、萃取级数为3的操作条件下,脱酸剂可将苏丹柴油酸度从102.7 mgKOH/（100mL）降至6.0 mgKOH/（100mL）,脱酸率高达94.2%,精制油收率达到99.6%,精制油质量达到GB 252－2000产品质量指标。脱酸剂经高温水解再生,可以重复使用。此脱酸剂用于直馏柴油脱酸具有脱酸剂用量小、可循环利用、再生能耗低、绿色环保等优点。     

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。     

自蔓燃化学点火火烧油层物理模拟研究

采用电点火火烧油层工艺开采稠油油藏时,存在点火温度高、点火成功率低等问题,为此引入自蔓燃技术,提出了自蔓燃化学点火方式。根据自蔓燃原理,以硝酸铵和柠檬酸为主要原料制备了自蔓燃点火剂,并制备了模拟岩心,然后在模拟试验装置上进行了模拟点火试验,分析了原油黏度、岩心孔隙度、含油饱和度、原油含水率对模拟岩心燃烧的影响。试验结果显示,自蔓燃点火剂的点火温度仅为100~200℃,最低可达98℃;随原油黏度升高,点火剂的点火温度升高;岩心孔隙度不影响点火剂的点火温度,但孔隙度越大,原油的燃烧程度和最高燃烧温度越高;含油饱和度不影响点火剂的点火温度和原油的最高燃烧温度,但含油饱和度越大原油燃烧程度越高;原油含水率对点火剂的点火温度、原油燃烧的最高温度和燃烧程度均有影响,原油含水率越低,点火温度越低,最高燃烧温度越高,燃烧程度越高。研究结果表明,自蔓燃化学点火能够安全可靠地点燃原油并进行火烧油层驱油。      

火烧油层点火温度和稳定燃烧温度的计算方法

应用Arrhenius经验公式和Semenov点火温度定义,经理论推导得出原油点火温度和稳定燃烧温度计算公式。利用前人试验数据,计算出公式中的经验参数,确定了公式的具体表达形式,得出点火温度和稳定燃烧温度值基本上仅与原油性质有关的结论。点火温度计算公式为火烧油层实施工艺设计提供了新方法,稳定燃烧温度计算公式为判断地下原油燃烧情况提供了新依据。     

低渗透油藏空气驱原油氧化机理实验

为深入探究低渗透油藏空气驱开发过程中原油的氧化特征及其影响因素,评价其驱油效果,以新疆油田低渗透油藏为研究对象,开展原油组分分析、原油氧化特征、空气驱及空气泡沫驱等实验,系统研究了不同条件下原油氧化特征及规律。实验结果表明:相同条件下,油砂比纯油样静态氧化反应速率大,反应充分,且反应速率与反应压力、温度、作用时间呈正相关;油藏温度下,原油经历氧化反应后轻重比减小,主峰碳增加;反应温度对空气驱原油动态氧化特征有较大影响,温度越高耗氧量越大,反应越充分;空气驱具有较好驱油效果,但易发生气窜;泡沫驱可有效封堵气窜通道,扩大空气波及体积,改善空气驱效果。研究成果对空气驱理论研究及应用具有借鉴意义。     

稠油火驱产出流体色谱指纹特征燃烧状态判识方法

为认清稠油火驱过程中原油与尾气物理化学性质的变化规律,采用室内三维物理模型开展了稠油火驱实验,并对火驱高温氧化后的原油与尾气开展了饱和烃、芳香烃、烯烃、尾气组分等方面的色谱指纹特征研究。研究表明:稠油火驱后原油物性变好,族组分中饱和烃、芳香烃含量升高;饱和烃色谱指纹图中正构烷烃含量明显增加,轻重比增大;原油中新生成了烯烃化合物,与同碳数饱和烃成对出现且同碳数烯烃与饱和烃比值始终小于0.5;芳香烃色谱指纹图中菲系列化合物发生了明显的甲基转移与脱甲基作用;尾气多维气相色谱图中可见烯烃、氢气、一氧化碳等火驱高温氧化的特征组分。该研究可作为火驱过程中指示燃烧状态的有效技术手段,为稠油火驱燃烧状态的判识提供了支持。     

High energy and low emissions from catalytic combustion of crude oil

Combustion technology has been investigated to effectively and economically heat and power generation. A kinetic model of crude oil combustion in presence of CaO as a catalyst was developed. Effects of CaO mass yield (ppm) on three main parameters including combustion carbon conversion efficiency, reaction temperature, and combustion efficiency were investigated. Results showed that the CaO has a significant effect on the decrease of CO₂, which is the most important greenhouse gas. It also found that the carbon conversion efficiency decreases as the CaO increases, although it is not considerable.     

油田油泥热解焦掺混微藻渣燃烧实验研究

热解能够实现油泥资源化利用,热解后的热解焦可以通过焚烧实现能量的梯级利用。利用热分析仪研究不同掺混比(φ)及不同升温速率(β)下的油泥热解焦与微藻渣混合燃烧实验,TG和DTG曲线表明,混合燃烧过程分为结晶水挥发、挥发分析出和燃烧、固定碳燃烧和矿物质燃烧分解。采用KAS和OFW等转化率法进行动力学参数求解。结果表明,添加微藻渣提高了混合燃料燃烧特性;β的增加促使传质阻力增大,质量损失段向高温区移动;活化能(E_a)值增大,燃烧稳定性提高。     

稠油油藏中含内热源多孔介质的传热研究

立足于稠油热采技术,通过研究分析储层中含内热源多孔介质的传热机理,建立相应的传热计算模型,给出稠油油藏多孔介质在内热源作用下的温度分布,从而了解温度对油层中原油(尤其是稠油)性质的影响。文中以火烧油层工艺为例,考虑了由生产井注入空气与油层(即含内热源多孔介质)中原油的燃烧放热反应这一因素。运用了数理方程、渗流力学、采油工程等方面的知识,建立了含内热源多孔介质一维传热模型,并对所建立的一维传热微分方程进行求解,得到油层多孔介质在内热源作用下的温度场分布。研究油层多孔介质内部温度场分布对原油开采有重要指导意义。     

KMK油田稠油热化学采油体系研究

本文结合哈萨克斯坦KMK油田的油藏特征和油品特性,通过室内实验,对热化学反应过程中的两个主要影响因素(引发剂浓度、体系起始温度)进行了针对性的研究,室内评价了药剂对KMK油田原油的降黏效果。研究结果表明,在实验范围内,引发剂浓度越高,体系的反应速度越快,温度的增幅越高;体系起始温度越高,体系的反应速度越快,产生气体的体积越大;体系反应放出的热量可使预处理井段中的原油黏度降低和有机物溶解,改善了原油流动性,提高了原油采收率。室内模拟评价实验结果表明,稠油热化学开采技术在KMK油田现场应用将取得显著增产效果。图3表2参6     

用动界面张力方法研究原油/盐水界面的性质Ⅱ.起始界面吸附速率和表观扩散系数的测定

定量地计算了原油天然表面活性剂和破乳剂在原油 /盐水界面形成初始阶段时的吸附速率。结果表明 ,破乳剂的起始界面吸附速率远远高于原油天然表面活性剂的相应值 ;水相盐度、体系温度和破乳剂的浓度对原油 /盐水起始界面吸附速率有明显的影响。另外计算了破乳剂在油相中的表观扩散系数 ,并分析了其影响因素。