超重质油的燃烧特性及油藏条件对THAI工艺的影响

《Energy》：Combustion characteristics of ultra-heavy oil and the effects of reservoir conditions on the THAI process

　　

• 1.
  基于CT实验结果建立了反应动力学模型。
• 2.
  利用TG-FTIR和ARC研究了超重油的燃烧特征。
• 3.
  分析了THAI过程中的温度场、焦油沉积场和油气水饱和度场。
• 4.
  研究了油藏条件对产油率和累计产油量的影响。

引言

重油作为一种非常规石油资源，在全球石油储量中占有相当大的比例[1]，[2]。原位燃烧（ISC）是一种高效节能的重油油藏开发方法。由于其排放低、驱替性能优越且成本优势明显，ISC通常作为蒸汽热采的后续技术使用，为提高石油采收率提供了显著效益[3]，[4]，[5]。在厚油层中，常规ISC常常面临燃烧锋提前突破和窜流的问题。为应对这些挑战，提出了跟端至趾端空气注入（THAI）工艺，该工艺将水平井引入ISC并采用重力辅助排液以扩大扫举体积[6]。在THAI工艺中，利用一口垂直井进行点火，形成从水平井趾端向跟端推进的燃烧锋。燃烧锋蒸馏出的轻质组分与高温热裂解产生的组分在油藏中与旁路油混合。在重力排液作用下，被驱动的油流入水平井并被采至地面。许多学者对ISC的反应模型进行了广泛研究。普遍认为，ISC过程中原油的氧化可细分为至少三个阶段：低温氧化（LTO）、燃料沉积（FD）和高温氧化（HTO）。LTO阶段一般发生在350 °C以下。Moore等人[7]提出LTO的主要反应为加氧和键断裂。FD阶段通常发生在350 °C至450 °C之间。此阶段形成的焦油主要通过两条反应途径生成：热裂解焦油和氧化焦油。Yoshiki和Phillips[8]研究了Athabasca沥青的热氧化与裂解，发现加热速率通过调节LTO反应的程度显著影响氧化反应进程，从而控制ISC过程中燃料的生成量。这种焦油在后续ISC过程的燃烧反应中起着关键作用[9]，[10]。Cinar等人[11]通过燃烧管实验发现，焦油反应活性过低会导致燃烧锋失稳，引发"熄灭"现象。Hascakir等人[12]表明，在相同的气体注入速率下，疏松堆积的焦油结构容易导致"气窜"。Zhao等人[13]观察到在不同氧化温度下产生的焦油表现出不同的氧化活性和活化能。HTO阶段一般发生在450至550 °C之间。大多数研究人员认为，FD阶段产生的焦油与原油中的部分重质馏分在此阶段发生燃烧，以维持燃烧锋的传播[14]。此外，一些研究表明气相烃类在此阶段也发生燃烧[15]，[16]，[17]。据报道，H₂O₂注入与ISC相结合对于重油采收是可行的，因为过氧化物分解可在没有外部空气供应的情况下有效地引发并维持稳定的燃烧锋，其中KMnO₄作为有效前驱体可形成MnO₂催化剂以实现局部产热[18]。

尽管ISC的反应模型已被广泛研究，但实际的THAI过程不仅涉及复杂的化学反应，还受到原油性质和油藏条件等因素的影响[19]，[20]，[21]，[22]。因此，许多学者采用多因素耦合的物理模拟和数值模拟来研究THAI过程。最早的三维THAI模型由Greaves等人[23]，[24]开发，他们将常规ISC中的垂直生产井替换为水平井。他们发现这种井型配置可提供稳定的燃烧锋推进速度和相对稳定的燃烧过程。Bagci等人[25]，[26]使用三维物理模型研究了COSH（燃烧超覆分采水平井）过程的驱替机理，所采用的井型配置包括一口垂直空气注入井和两口水平生产井：一口位于模型顶部的水平井用于排出燃烧气体，另一口位于底部的水平井用于收集升级后的原油。研究揭示重力辅助排液是COSH过程中的关键驱替机理，且使用水平生产井比垂直生产井提高了25%的石油采收率。Rahnema等人[27]提出了一种同时包含水平注入井和生产井的井型，并分析了注采井间距对THAI过程的影响。结果表明，当间距过小时，过程中产生的焦油可能堵塞生产井，导致过程终止。Ado等人[28]使用CMG油藏模拟软件对THAI过程进行了数值模拟，采用三组分（轻质、中质和重质）直接转化裂解动力学方案，准确预测了产油率和累计产油量。Anbari等人[29]使用CMG建立了包含底水的现场尺度THAI模型，以分析Kerrobert项目中表现最好的THAI先导井（K2）的动态现场数据。研究揭示水平生产井周围的焦油浓度与氧剖面之间存在反比关系；燃烧锋前方的蒸汽区大小随空气注入速率变化；部分被驱替的油沉降到底水层，导致油藏中大量残油滞留。Askarova等人[30]，[31]指出简化动力学模型可能导致预测反应产物不准确，因此通过对CT实验数据系统调节动力学参数建立了可靠的动力学模型，并纳入各种组分的侧相互作用以捕捉全面的燃烧反应。Ado等人[32]研究了底水厚度对THAI过程的影响。他们发现即使存在底水区，燃烧锋仍保持前倾形状而没有氧气旁路现象。然而，底水厚度严重影响了石油采收率，其影响程度与该厚度成正比。

总之，此前对THAI过程的研究主要集中在驱替机理、井型设计和燃烧室增长方面，且大多在实验室规模进行。由于时间和长度尺度上的显著差异，实验室规模模型通常使用英寸级网格和分钟级时间步长，而现场规模模型则采用米级网格并运行数年。因此，实验室结果不能直接外推以指导现场尺度油藏模拟和设计。此外，大多数以往的THAI模拟研究针对的是常规重油油藏，缺乏对温度、焦油沉积和油气水饱和度分布的系统研究。关于相行为变化的研究主要集中在挥发性油气藏上，而涉及ISC过程中重油油藏中此类变化的研究很少，有限的文献仅涵盖常规重油。显然，超重油的燃烧行为对THAI过程有显著影响，而此前的研究很少将其与THAI过程的数值模拟相结合。因此，研究超重油的燃烧特征并阐明油藏条件对THAI过程的影响具有重要意义。在本工作中，采用TG-FTIR和ARC测试研究了超重油的燃烧特征，并通过调节动力学参数、反应焓和化学计量数建立了反应动力学模型，以匹配CT数据。此外，使用CMG-STARS进行了系统数值模拟，研究了THAI过程中油藏条件对温度场、焦油沉积场和油气水饱和度场的影响。本工作旨在为THAI工艺在超重油油藏中的应用提供理论参考。

各章节摘要

材料

所用超重油来源于新疆油田。其基本性质见表1。

TG-FTIR实验

采用TG 449 F3 Libra热重分析仪（Netzsch）与Alpha傅里叶变换红外光谱仪（Bruker）联用，研究超重油的氧化特征。将5 ± 0.05 mg样品以10、15和20 °C/min的速率分别从40加热至800 °C，同时通入50 mL/min的氧气。在加热过程中，记录了重量损失随时间的

油藏模型

使用CMG-STARS模拟器建立了超重油油藏THAI过程的机理模型。该模型采用笛卡尔网格系统，包含50 × 50 × 10个网格块，网格尺寸为1 m × 1 m × 1 m。模型的初始参数见表S1，相对渗透率曲线根据燃烧管实验数据进行了标定（图S2）。井型配置包括一口垂直注入井和一口水平生产井

超重油氧化特征分析

根据DTG曲线（图3a），超重油氧化过程中识别出三个反应阶段：LTO、FD和HTO。LTO阶段（40～383 °C）中油主要经历挥发、加氧、键断裂和异构化，占总质量损失的44.6%。120 °C以下没有质量损失，因为样品发生了脱水。随着温度升高，超重油轻质组分中甲基和亚甲基的断裂导致了

结论

在本工作中，采用TG-FTIR和ARC测试研究了超重油的燃烧特征。随后，通过调节动力学参数、反应焓和化学计量数建立了反应动力学模型，以匹配CT数据。在此基础上，使用CMG STARS进行了数值模拟，研究了不同因素对THAI性能的影响。主要结论如下：

• (1)
  在较高加热速率下由超重油产生的焦油

CRediT作者贡献声明

Wanfen Pu（蒲万芬）：论文撰写–审阅与编辑、方法论、正式分析、数据整理、概念构思。Jizhou Zhang（张忌洲）：资源、项目管理、方法论、资金获取、正式分析、数据整理。Xiaoqiang Peng（彭小强）：资源、项目管理、方法论、资金获取、正式分析、数据整理、概念构思。Haolong He（何海龙）：论文撰写–审阅与编辑、论文撰写–初稿、可视化、验证、软件、方法论、调查研究、正式

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的与本文所报告的工作有潜在冲突的经济利益或个人关系。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金委员会（项目编号：52574049和52204049）的资助。我们也感谢CMG为喀山联邦大学提供模拟器。

赵帅|沈浩东|何海龙|彭小强|张忌洲|蒲万芬|Mikhail A. Varfolomeev|Vladislav Sudakov|袁承东