关于重油原位燃烧特性的深入研究：温度、油-气-水饱和度、焦炭沉积以及提高石油采收率的方法

《Fuel》：In-depth insights into the in-situ combustion characteristics of heavy oil: Temperature, oil-gas-water saturation, coke deposition, and enhanced oil recovery

原位燃烧技术中原油粘度对燃烧前移、焦炭沉积及热效应驱油效率的影响规律研究，基于燃烧管实验构建反应动力学模型并集成CMG STARS模拟软件，系统分析不同粘度原油下温度场演化、相态迁移及热效应对提高采收率贡献度，发现高粘度原油加剧焦炭沉积并形成蒸发带，但存在水封阻效应，同时对比氮气驱、烟气驱与原位燃烧技术，明确热效应贡献率超90%。

　　

赵帅|王世元|宫琦|张继洲|彭晓强|席长峰|齐宗耀|米哈伊尔·A·瓦尔福洛梅耶夫|蒲婉芬|袁成东

中国西南石油大学油气水库地质与开发国家重点实验室，成都610500

摘要

目前，控制原位燃烧（ISC）开发性能的关键因素尚未被完全理解。在本研究中，我们基于燃烧管（CT）实验结果建立了一个反应动力学模型，并通过调整化学计量数、动力学参数和反应焓将其整合到Computer Modeling Group（CMG）的STARS水库模拟软件中，以匹配实验数据。随后进行了系统的数值模拟分析，探讨了原油粘度对ISC过程中温度、油-气-水饱和度、焦炭沉积以及提高采收率（EOR）的影响。此外，还对比分析了氮气 flooding（N₂ flooding）、烟气 flooding和ISC的效果，以阐明烟气在EOR中的作用。结果表明，较高的原油粘度会增强焦炭沉积强度，扩大焦炭沉积区域，并加剧燃烧。然而，水库水引起的冷凝效应抑制了燃烧前沿的传播范围。同时，原油粘度的增加还加剧了油层的堵塞效应，降低了燃烧前沿的传播速度。粘度的升高还通过影响气体覆盖和重力分离作用，改变了油层的垂直分布，使得上部油层的燃烧进展比下部更快。随着原油粘度的增加，水库底部未扫过的油面积也随之扩大。相比之下，低粘度重油形成的油层具有更均匀的垂直分布，其燃烧过程中相变更为剧烈，形成了覆盖范围更广、推进速度更快的蒸发区，从而实现了更早的生产响应和更高的产油率。模拟结果还表明，无论是氮气 flooding还是排除热效应的烟气 flooding，其EOR效果均低于3%。而燃烧产生的热效应对EOR的贡献超过了90%，是ISC过程中主要的驱油机制。本研究为未来评估和决策提供了理论基础。

引言

重油资源在全球石油储量中占据重要地位[1]、[2]、[3]。作为一种有效的重油开采技术，原位燃烧（ISC）近年来在提高采收率（EOR）方面显示出巨大潜力[4]、[5]、[6]、[7]。与蒸汽注入相比，ISC的能量效率高出2-4倍[8]、[9]、[10]。该技术通过将点火器放入注水井或注入化学点火剂，然后连续注入空气或富氧气体来氧化部分原油[11]、[12]、[13]。这一反应产生热量并形成高温燃烧前沿，结合了蒸汽驱动、烟气驱动和混相驱动等多种驱油机制，从而降低原油粘度并驱替原油[14]、[15]、[16]。然而，ISC过程面临诸多挑战，包括多个反应阶段（如低温氧化（LTO）、燃料沉积（FD）和高温氧化（HTO）之间的复杂耦合，以及水库条件和原油性质的影响[17]、[18]、[19]。因此，近年来研究人员系统地研究了影响ISC性能的因素。唐等人[20]使用同时热分析仪和加速率量热仪（ARC）研究了常压和水库压力（7.2 MPa）下水对重油氧化行为的影响。结果表明，水蒸气在常压下促进了重油的氧化反应。但在高水饱和度条件下，水的液相存在会抑制LTO的放热反应。ARC结果还显示，蒸汽 flooding后的水库温度和压力条件不利于实现自燃技术。赵等人[11]通过燃烧管（CT）实验研究了次级水体对ISC过程中燃烧前沿传播的影响。结果表明，当次级水体位于生产端时，燃烧强度和稳定性显著下降；而当次级水体位于注水端时，燃烧前沿传播稳定。李等人[21]进一步证实，即使近井筒区域的水饱和度高达91.7%，仍可实现成功点火和有效驱油。他们还指出，近井筒区域的水分产生了蒸汽驱动效应，加速了燃烧前沿的推进并减少了油层的形成时间。赵等人[22]通过CT实验研究了裂缝对ISC行为的影响。结果表明，燃烧前沿虽然可以穿过单裂缝页岩，但在后期燃烧强度减弱，阻碍了燃烧前沿的稳定推进。Ismail和Hascakir[23]利用热重分析（TG）和差示扫描量热法（DSC）研究了沥青质含量和原油粘度对ISC行为的影响。研究表明，沥青质显著促进了ISC过程中的焦炭形成，而粘土矿物的存在通过扩大燃料沉积的表面积提高了燃烧效率。

ISC的实验室研究方法取得了显著进展。除了TG、DSC、ARC和CT等分析技术外，高压差示扫描量热法、温度梯度氧化测试等多种耦合分析技术也为研究原油氧化行为提供了强大的工具[12]、[24]、[25]、[26]。然而，实际的ISC过程不仅涉及复杂的化学反应，还包括多相流动力学和水库异质性。单独的热分析方法在模拟这些复杂系统时存在局限性，因此研究人员越来越多地采用数值模拟方法来研究ISC机制。杨等人[27]使用CMG水库模拟软件模拟了Du 66区块的ISC过程，评估了生产参数（包括蒸汽刺激周期、空气注入量和空气注入温度）和地质参数（如底水厚度、地层分层、渗透率和地层厚度）对EOR的影响。研究表明，驱替效率与底水厚度呈正相关，与地层异质性呈负相关。油层厚度、蒸汽刺激周期和空气注入量等参数对燃烧性能有显著影响，而空气注入温度的影响则可以忽略不计。孙等人[28]利用COMSOL软件建立了水库的数学模型，研究了注入压力、注入时间和孔隙度对ISC过程中热传递的影响。结果表明，随着注入时间的延长，水库温度逐渐升高。当孔隙度从0.1增加到0.3时，燃烧前沿的传播速率提高了15%；将注入压力从5 MPa提高到8 MPa时，燃烧前沿的传播速率提高了25%。袁等人[29]通过引入蒸汽辅助ISC方法解决了Hongqian-1区块传统ISC效果不佳的问题。模拟结果表明，该方法显著提高了燃烧性能：冷凝区宽度扩大了10米，油和水相的迁移速率提高了33%，油层面积增加了3.3%，累计产油量增加了40%，同时能耗降低了四个数量级。赵等人[4]研究了自燃条件下影响燃烧前沿形成和传播的关键因素。他们的结果表明，水库温度和水饱和度是自燃的主要控制因素。当水库温度超过148°C且水饱和度低于60%时，燃烧前沿形成的概率显著增加。当水库温度达到208°C时，在模拟的前8年内形成了稳定的燃烧前沿，并保持了约400°C的温度。在水饱和度为50%的情况下，6年内可以建立持续稳定的燃烧前沿。

然而，以往关于影响ISC性能的因素的研究主要集中在“外部”参数上，如水库条件和操作参数。实际上，随着燃烧前沿的推进，原油不仅会发生不同程度的提质，还会产生促进油驱替效率的烟气。因此，为了研究这些“内部”因素，本研究根据CT实验结果建立了反应动力学模型，并将其整合到CMG STARS水库模拟软件中，通过调整化学计量数、动力学参数和反应焓来匹配实验数据。随后进行了系统的数值分析，探讨了原油粘度对ISC过程中温度、油-气-水饱和度、焦炭沉积和EOR的影响。同时，还对比分析了氮气 flooding、烟气 flooding和ISC的效果，以进一步明确烟气的作用并量化热效应在EOR中的主导作用。本研究旨在为未来评估和决策提供重要参考。

部分摘录

水库模型

使用CMG-STARS模拟器开发了一个三维的重油ISC模型。该模型采用笛卡尔网格系统，包含50 × 50 × 8个网格块，网格尺寸为1米 × 1米 × 1米。初始水库参数见表1，相对渗透率曲线根据我们之前的燃烧管实验数据进行了校准[11]（图1）。为了优化模型的计算效率，采用了动态网格细化功能

温度场分析

图3和图4展示了原油粘度对ISC过程中温度场的影响。经过一年的模拟，所有粘度条件下的燃烧前沿都稳定形成，温度超过了400°C。值得注意的是，随着原油粘度的增加，水库温度峰值逐渐升高。这是因为原油粘度的增加影响了流体流动速度和油与氧气之间的接触效率，从而影响了

结论

本研究利用燃烧管（CT）实验结果建立了反应动力学模型，并将其整合到CMG STARS水库模拟软件中，通过调整化学计量数、动力学参数和反应焓来匹配实验数据。随后进行了系统的数值模拟分析，探讨了原油粘度对ISC过程中温度、油-气-水饱和度、焦炭沉积以及提高采收率（EOR）的影响。此外，还进行了

作者贡献声明

赵帅：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，方法论，概念化。王世元：方法论，研究。宫琦：软件，研究。张继洲：软件，研究。彭晓强：撰写 – 审稿与编辑。席长峰：撰写 – 审稿与编辑。齐宗耀：研究，概念化。米哈伊尔·A·瓦尔福洛梅耶夫：方法论，研究。蒲婉芬：监督，方法论。袁成东：撰写 – 审稿与编辑。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号52574049）、西南石油大学油气水库地质与开发国家重点实验室的开放基金（PLN2022-33和PLN2025-13）以及中国石油天然气集团有限公司的核心技术项目（项目编号2023ZG18）的支持。同时，感谢CMG为喀山联邦大学提供模拟器。