优化原油原位燃烧气化过程中的焦炭生成与气化机制以提升井内氢气产量

本研究针对传统能源开采中环境负担重、资源利用率低的问题，通过数值模拟探究原油原位燃烧气化(ISCG)过程中氧化剂组分与蒸汽注入速率对焦炭生成、氢气产量及原油采收率(ORF)的影响。结果表明，高氧环境(99.5% O2)可使峰值温度达650°C，氢气产量提升至0.0013 m3，ORF达94.52%；而蒸汽注入速率0.0075 m3/天时氢气产量峰值达0.77 m3。该研究为清洁能源生产与油气田高效开发提供新思路。

　　

随着全球能源需求激增和气候变化加剧，传统化石燃料开采面临环境与效率的双重挑战。重质原油和油砂等非常规资源因高粘度导致开采困难，常规技术往往伴随大量温室气体排放。原位燃烧(ISC)技术虽能通过地下燃烧降粘提采，但会生成阻碍油流的焦炭(coke)和有害气体。如何平衡原油采收率(Oil Recovery Factor, ORF)、焦炭控制与清洁能源氢气(H₂)的联产，成为能源领域亟待解决的难题。

为此，King Fahd University of Petroleum and Minerals的研究团队Mohamed Hamdy和Medhat A. Nemitallah在《International Journal of Hydrogen Energy》发表研究，通过1D燃烧管数值模拟，系统分析氧化剂组分和蒸汽注入对原位燃烧气化(In-Situ Combustion Gasification, ISCG)过程的影响。研究采用CMG软件构建模型，基于加拿大卡尔加里大学Athabasca沥青燃烧管实验数据验证，重点考察不同氧气浓度(21%-99.5% O₂)和蒸汽流量(0.005-0.015 m³/天)下温度场、焦炭体积、H₂产量及ORF的变化规律。

Governing equations
模型通过质量-能量守恒方程耦合化学反应动力学，模拟氧化剂(N₂/O₂混合气)注入引发的燃烧前沿传播、烃类热裂解(cracking)及蒸汽重整(steam reforming)反应。

Results and discussions
高氧环境(99.5% O₂)使8小时内峰值温度达650°C，生成6.50 cm³焦炭和0.0013 m³ H₂，ORF高达94.52%；而空气(21% O₂)仅达430°C，ORF骤降至33.8%。氮气稀释显著抑制燃烧效率。蒸汽注入0.0075 m³/天时H₂产量峰值0.77 m³（对应焦炭62.75 cm³），但过量蒸汽(0.015 m³/天)会稀释反应区，使H₂降至0.65 m³。蒸汽-原油比(SOR)从0.25增至0.53时，需权衡H₂产量与焦炭沉积。

Potential operational challenges
实际应用中需应对高温腐蚀、燃烧前沿控制、CO₂封存等问题，建议采用耐高温合金套管、实时监测及碳捕集技术。

Conclusions
研究表明，ISCG过程中优化氧浓度与蒸汽流量可实现H₂联产与高效采油的协同：高氧环境(>95% O₂)结合中等蒸汽流量(0.0075-0.01 m³/天)能最大化H₂产量(>0.7 m³)并维持ORF>90%。该成果为油气田绿色转型提供技术路径，未来可通过中试验证规模化可行性。