CN115142826B - 稠油燃烧放热量的预测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种稠油燃烧放热量的预测方法。该方法包括：步骤1，在第一压力条件、第一升温速率条件下，通过燃烧池装置对目标稠油进行燃烧，利用气体分析仪得到燃烧产出气体中CO和CO2的总生成量；步骤2，在第二压力条件、第二升温速率条件下，通过燃烧池装置对不同碳数正构烷烃进行燃烧，得到正构烷烃的CO和CO2总生成量的标准曲线；步骤3，将步骤1中得到的目标稠油燃烧产出气体的CO和CO2的总生成量插值到标准曲线中，获取目标稠油燃烧组分的平均碳数；步骤4，通过公式I得到目标稠油燃烧的放热量，进而通过公式II和公式III获得目标稠油燃烧过程静态火线温度值。上述方法适用于稠油火驱过程燃烧量计算及油层温度场预测。
Description
技术领域
本发明涉及稠油火驱技术开采领域，具体而言，涉及一种稠油燃烧放热量的预测方法。
背景技术
火驱技术一直被认为是一种极具潜力的稠油及超稠油开采方法，经过近100年的发展，该技术在多个国家(如美国、罗马尼亚等)进行了矿场应用，并被证明是一种高效的提高稠油采收率方法。与其他提高采收率方法相比，火烧油层技术具有优点如下：
(1)以空气作为注入气体，成本低且收集容易；
(2)参与地下燃烧的原油组分多为无工业价值的重质组分，原油经火驱开采能够实现一定程度的改质；
(3)相比于其他热力采油技术，不会发生因介质散热引起的热量损失及经济损失；
(4)原油驱替效率极高，已燃区内几乎无原油残留，油藏采收率在60％以上；
(5)驱油机理包括热力降粘、蒸汽驱、CO2非混相驱等多种形式，综合驱油效果良好。
通过对稠油的地下燃烧能力及热量贡献进行量化分析，建立火线前缘温度及油层温度场的计算方法，从而能够为火驱效果的预测及火驱方案的优化调整提供依据。
一维燃烧管模型在稠油火驱的室内实验中较为常用，但由于其体积小、无法模拟油层的非均质性及一注多采问题，因而难以对注气方案的设计、剩余油分布以及非均质性等重要参数对火驱效果的影响进行深入的研究。并且无法揭示火线前缘及结焦带外缘的空间展布规律，也无法对饱和度场分布、油墙移动及产出动态等进行研究，局限性较大。目前国内外的矿场试验中，如何设置井网井距、如何调整注气方案以获得更稳定有效的火驱过程等问题仍未有开展***深入的研究。对于空气注入速率、注采井网及井距等重要参数对火驱效果的影响也亟待研究探明。然而这些研究中最基础的内容，即是对稠油地下燃烧过程中总放热量及火线前缘温度的计算方法的研究。因此，开展相关研究的重要性和迫切性不言而喻。
在室内研究时，稠油燃烧前缘位置的温度可以直接由实验测得，也可通过先获得放热量，再结合化学热力学公式，将放热量转化为环境温度。而在现场稠油开采过程中，稠油的地下燃烧过程还必须考虑流动过程，即仅有部分稠油的重组分参与燃烧反应，其余部分受热蒸发、被烟道气驱替并和冷油混合后流入生产井。因此，通过确定稠油燃烧的平均碳数，能够精确地获得稠油地下燃烧过程的放热量，进而获得更接近实际火驱过程的温度计算结果。
由于稠油是复杂的混合物，在实际储层中烧掉哪些组分决定了其放热量和油层的温度。不同的油层条件及注气工艺，使得燃烧掉的组分存在较大差异，因而难以精确计算实际放热量。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种稠油燃烧放热量的预测方法，以解决现有技术中因稠油成分复杂，难以精确计算实际放热量的问题。
为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种稠油燃烧放热量的预测方法，其包括以下步骤：步骤1，在第一压力条件、第一升温速率条件下，通过燃烧池装置对目标稠油进行燃烧，利用气体分析仪得到燃烧产出气体中CO和CO2的总生成量；步骤2，在第二压力条件、第二升温速率条件下，通过燃烧池装置对不同碳数的正构烷烃进行燃烧，得到不同碳数的正构烷烃的CO和CO2总生成量的标准曲线，其中第二压力条件与第一压力条件相同，第二升温速率条件与第一升温速率条件相同，且不同碳数的正构烷烃的重量分别与目标稠油的重量相等；步骤3，将步骤1中得到的目标稠油燃烧产出气体的CO和CO2的总生成量插值到步骤2中得到的标准曲线中，获取目标稠油燃烧组分的平均碳数；步骤4，通过公式I得到目标稠油燃烧的放热量，进而通过公式II和公式III获得目标稠油燃烧过程的静态火线温度值；
Q＝650n+200 公式I
Qcrudeoil＝c·m·ΔT 公式II
T火线＝T原始地层+ΔT 公式III
其中，Q代表目标稠油燃烧的放热量，单位为kJ；n为目标稠油燃烧组分的平均碳数；Qcrudeoil代表稠油燃烧组分的总放热量，单位为kJ；c代表储层岩石的比热容，单位为J/(kg·℃)；m代表所加热的岩石体积，单位为m3；ΔT代表.燃烧前后储层环境的最高温差，单位为℃；T火线代表目标稠油燃烧过程的静态火线温度值；T原始地层代表火驱前储层初始温度，来自于目标区块的生产井测试结果；
进一步地，步骤1包括：选用40～60目的石英砂，将石英砂与目标稠油按质量比10:0.5搅拌混合，并按底部5g石英砂、中间10.5g石英砂与目标稠油的混拌油砂、顶部10g石英砂的次序依次装填燃烧池装置；先以2L/min的速率向燃烧池装置中注入氮气，然后以2L/min的速率向燃烧池装置中注入空气；启动燃烧池装置的加热炉，按第一升温速率条件将其线性升温至600℃，期间空气的注入速率始终不变；通过气体分析仪得到燃烧池中生成气体中的CO和CO2的浓度曲线，进而得到目标稠油燃烧产出气体中CO和CO2的总生成量。
进一步地，步骤2中通过燃烧池装置对不同碳数的正构烷烃进行燃烧的过程中，采用的工艺条件与步骤S1相同。
进一步地，不同碳数的正构烷烃选自正十二烷、正十六烷、正二十二烷、正二十八烷、正三十四烷和正四十烷。
进一步地，CO和CO2的总生成量的步骤包括：通过气体分析仪测量稠油或不同碳数的正构烷烃的燃烧产出气体中CO和CO2的浓度变化曲线；利用浓度变化曲线，依据以下公式Ⅳ计算得到CO和CO2的总生成量：
其中代表CO和CO2的总生成量，q代表燃烧过程中空气的注入速率，/>代表CO和CO2瞬时浓度值。
进一步地，在得到稠油燃烧产出气体中CO和CO2的总生成量之后，步骤1还包括依据公式Ⅴ计算燃料利用率的步骤：
FA代表燃料利用率，g为2。
本发明适用于稠油火驱过程中燃烧量计算及油层温度场的预测方法，利用一定升温速率和一定压力条件下燃烧池实验得到的正构烷烃标准燃烧曲线(即燃烧放出的COx总量与碳数之间的关系)，通过插值可以得到相应稠油燃烧组分的平均碳数，进而对稠油燃烧过程中总的放热量进行计算，利用比热容公式将计算得到的总热值转化为环境上升的最高温度，为研究火线推进过程中前缘温度及结焦带的动态变化以及温度场分布提供依据。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1示出了根据本发明实施例1中采用的燃烧池装置结构示意图；
图2示出了根据本发明实施例1中燃烧池中装料方式示意图；
图3示出了根据本发明实施例1中稠油燃烧产出气体中CO+CO2的浓度曲线；
图4示出了根据本发明实施例1中不同碳数的正构烷烃中碳数和CO+CO2总生成量对应的标准曲线；
图5示出了根据本发明实施例1中步骤5高分辨技术表征稠油中不同碳数的分布图；
图6示出了根据本发明实施例1中步骤6采用的一维燃烧管结构示意图；
图7示出了根据本发明实施例1中步骤6一维燃烧管实验结果。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
正如背景技术部分所描述的，由于稠油是复杂的混合物，在实际储层中烧掉哪些组分决定了其放热量和油层的温度。不同的油层条件及注气工艺，使得燃烧掉的组分存在较大差异，因而难以精确计算实际放热量。
为了解决这一问题，本发明提供了一种稠油燃烧放热量的预测方法，其包括以下步骤：步骤1，在第一压力条件、第一升温速率条件下，通过燃烧池装置对目标稠油进行燃烧，利用气体分析仪得到燃烧产出气体中CO和CO2的总生成量；步骤2，在第二压力条件、第二升温速率条件下，通过燃烧池装置对不同碳数的正构烷烃进行燃烧，得到不同碳数的正构烷烃的CO和CO2总生成量的标准曲线，其中第二压力条件与第一压力条件相同，第二升温速率条件与第二升温速率条件相同，且不同碳数的正构烷烃的重量分别与目标稠油的重量相等；步骤3，将步骤1中得到的目标稠油燃烧产出气体的CO和CO2的总生成量插值到步骤2中得到的标准曲线中，获取目标稠油燃烧组分的平均碳数；步骤4，通过公式I得到目标稠油燃烧的放热量，进而通过公式II和公式III获得目标稠油燃烧过程的静态火线温度值；
Q＝650n+200 公式I
Qcrudeoil＝c·m·Δt 公式II
T火线＝T原始地层+ΔT 公式III
其中，Q代表目标稠油燃烧的放热量，单位为kJ；n为目标稠油燃烧组分的平均碳数；Qcrudeoil代表稠油燃烧组分的总放热量，单位为kJ；c代表储层岩石的比热容，单位为J/(kg·℃)；m代表所加热的岩石体积，单位为m3；ΔT代表.燃烧前后储层环境的最高温差，单位为℃；T火线代表所述目标稠油燃烧过程的静态火线温度值，单位为℃；T原始地层代表火驱前储层初始温度，单位为℃，来自于目标区块的生产井测试结果。
本发明适用于稠油火驱过程中燃烧量计算及油层温度场的预测方法，利用一定升温速率和一定压力条件下燃烧池实验得到的正构烷烃标准燃烧曲线(即燃烧放出的COx总量与碳数之间的关系)，通过插值可以得到相应稠油燃烧组分的平均碳数，进而对稠油总的放热量进行计算，利用比热容公式将计算得到的总热值转化为环境上升的最高温度，为研究火线推进过程中前缘温度及结焦带的动态变化以及温度场分布提供依据。
为了更好地模拟地层中稠油的燃烧环境，在一种优选的实施方式中，步骤1包括：选用40～60目的石英砂，将石英砂与目标稠油按质量比10:0.5搅拌混合，并按底部5g石英砂、中间10.5g石英砂与目标稠油的混拌油砂、顶部10g石英砂的次序依次装填燃烧池装置；先以2L/min的速率向燃烧池装置中注入氮气，然后以2L/min的速率向燃烧池装置中注入空气；启动燃烧池装置的加热炉，按第一升温速率条件将其线性升温至600℃，期间空气的注入速率始终不变；通过气体分析仪得到燃烧池中生成气体中的CO和CO2的浓度曲线，进而得到目标稠油燃烧产出气体中CO和CO2的总生成量。更优选地，步骤2中通过燃烧池装置对不同碳数的正构烷烃进行燃烧的过程中，采用的工艺条件与步骤S1相同。
本发明采用不同碳数的正构烷烃作为CO和CO2总生成量的标准曲线的测试标准物，能够尽量避免不同分子构型等对放热量规律性的影响，促使标准曲线具有更强的规律性，进一步提高预测方法的准确度。在一种优选的实施方式中，不同碳数的正构烷烃选自正十二烷、正十六烷、正二十二烷、正二十八烷、正三十四烷和正四十烷。选用这几种正构烷烃，除了保证了规律性，也尽量体现了稠油中不同碳数组分，测得的稠油平均碳数更为准确。
优选地，CO和CO2的总生成量的步骤包括：通过气体分析仪测量稠油或不同碳数的正构烷烃的燃烧产出气体中CO和CO2的浓度变化曲线；利用浓度变化曲线，依据以下公式Ⅳ计算得到CO和CO2的总生成量：
其中代表CO和CO2的总生成量，q代表燃烧过程中气体的注入速率，/>代表CO和CO2瞬时浓度值。
在一种优选的实施方式中，在得到稠油燃烧产出气体中CO和CO2的总生成量之后，步骤1还包括依据公式Ⅴ计算燃料利用率的步骤：
FA代表燃料利用率，g为2。
由于燃烧过程的碳摩尔数守恒，原油的燃料利用率FA可由以上公式Ⅴ得到，根据气相色谱分析的结果，n的值接近于2，因此本发明选定n等于2，即燃料利用率FA等于28倍的CO+CO2总生成量。
以下结合具体实施例对本申请作进一步详细描述，这些实施例不能理解为限制本申请所要求保护的范围。
实施例1
利用燃烧池装置(图1，其包括燃烧池1、加热炉2、温度控制器热电偶3、温度保护控制器热电偶4、气体流量计5、温度保护控制器6、室温测量探头7、计算机8、温度控制器9、过滤***10、气体分析仪11、数据记录仪12)对稠油及不同碳数的正构烷烃进行燃烧，根据气体生成量相等的关系，通过在标准曲线上插值得到目标稠油燃烧组分的平均碳数，进而利用经验公式计算燃烧量，并对温度场进行预测，具体包括以下步骤：
步骤1、在燃烧池实验(图2)中，选用40-60目的石英砂，将石英砂与稠油按质量比10:0.5充分搅拌混合，并按“底部5g石英砂A—中间10.5g混拌油砂B—顶部10g石英砂C”的次序依次装填燃烧池。实验阶段，先以2L/min的速率注入氮气以清除杂气，然后以2L/min的速率注入空气。待氧气含量稳定后，设置一定的升温速率并启动加热炉(由25℃线性升温至600℃)，空气注入速率始终保持在2L/min不变。通过气体分析仪可以得到CO+CO2的浓度曲线(图3)，通过公式Ⅳ可以得到CO+CO2的总生成量。
步骤2、在相同的实验条件下，利用燃烧池装置对不同碳数的正构烷烃(表1)进行燃烧反应后，得到不同碳数的烷烃与CO+CO2总生成量对应的标准曲线(图4)。
表1 不同碳数正构烷烃的状态及纯度
| 正构烷烃种类 | 物质状态 | 物质纯度 |
| 正十二烷 | 液态 | 98％ |
| 正十六烷 | 液态 | 99％ |
| 正二十二烷 | 固态粉末 | 98％ |
| 正二十八烷 | 固态粉末 | 99％ |
| 正三十四烷 | 固态结晶 | ＞95％ |
| 正四十烷 | 固态结晶 | ＞97％ |
步骤3、将步骤1中得到的结果插值到步骤2中得到的标准曲线上，可以得到目标稠油燃烧组分的平均碳数33～36。
步骤4、利用公式I和公式Ⅴ得到目标稠油的总放热量(14.8KJ)及燃料利用率FA(12～15％)，进而通过比热容公式II和III计算目标稠油的静态火线前缘温度(该方法仍然能够保证计算温度的相对误差在10％以内)。
预测结果验证：
对于稠油燃烧平均碳数的验证，这里提出利用高分辨技术得到稠油的碳数分布，通过丰度加权的方法得到Cx(某一碳数)～Cmax(检测到的最大碳数)总的质量百分数，该质量百分数与实际燃烧掉的组分所占的百分数刚好相等，则得到基于高分辨质谱分析的平均碳数；将二者的测试结果对比，进行合理性验证。另外，可以通过一维燃烧管实验，验证通过计算得到的理论火线前缘温度与实际的燃烧前缘温度的差异，进而给出方法的误差。具体如下：
步骤5、利用高分辨技术可以表征稠油中不同碳数的分布(图5)，通过丰度加权的办法得到目标稠油的平均碳数。与步骤三中物模实验得到的平均碳数对比，得到相应的误差范围。
步骤6、在一维燃烧管(图6)实验中，首先通过调节背部支架使燃烧管保持一定倾角(用于模拟地层倾角)，并将石英砂、原油及高岭土(模拟地层矿物)按100:12:5的质量比均匀混合，将1000±100g混合物填入管中。装填完毕后，在管壁处包裹玻璃棉进行保温(防止实验过程热量散失过快，影响火驱过程的稳定进行)。
燃烧管的实验阶段包括预热阶段和燃烧阶段。预热阶段首先以2L/min的速率注入氮气，待气体分析仪显示检测气体含量均为0时，启动点火器(点火温度在5min内由25℃升至600℃)，在氮气氛围下保持点火器工作30±10min，之后进入燃烧阶段。燃烧阶段开始时，停止通入氮气，将空气以3L/min的速率注入燃烧管，并保持点火器工作温度为600℃不变(防止由于管壁散热或空气携热导致火驱过程无法稳定进行，并补偿这一部分热量)。
一维燃烧管实验结果如图7所示，保持点火器T1的温度不变的情况下，由于T2到T6热电偶是定点测温，因此其测得的是整个火驱过程中某一位置点的温度变化，本次研究将各温度曲线的最高温度值认为是实测火线温度。与步骤四中得到的静态火线温度进行对比，可得到计算温度与实际温度的相对误差(表2)。
表2 实际火线温度与预测火线温度的相对误差
| 计算的火线温度值 | 实测的火线温度值 | 误差温度值 | 相对误差 | |
| T3温度 | 382.4℃ | 374.9℃ | 7.5℃ | 2.00％ |
| T4温度 | 612.5℃ | 581.2℃ | 31.3℃ | 5.39％ |
| T5温度 | 496.3℃ | 485.9℃ | 10.4℃ | 2.14％ |
| T6温度 | 555.4℃ | 522.0℃ | 33.4℃ | 6.40％ |
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种稠油燃烧放热量的预测方法，其特征在于，所述预测方法包括以下步骤：
步骤1，在第一压力条件、第一升温速率条件下，通过燃烧池装置对目标稠油进行燃烧，利用气体分析仪得到燃烧产出气体中CO和CO2的总生成量；
步骤2，在第二压力条件、第二升温速率条件下，通过所述燃烧池装置对不同碳数的正构烷烃进行燃烧，得到不同碳数的所述正构烷烃的CO和CO2总生成量的标准曲线，其中所述第二压力条件与所述第一压力条件相同，所述第二升温速率条件与所述第一升温速率条件相同，且不同碳数的所述正构烷烃的重量分别与所述目标稠油的重量相等；
步骤3，将所述步骤1中得到的所述目标稠油燃烧产出气体的CO和CO2的总生成量插值到所述步骤2中得到的所述标准曲线中，获取所述目标稠油燃烧组分的平均碳数；
步骤4，通过公式I得到所述目标稠油燃烧的放热量，进而通过公式II和公式III获得所述目标稠油燃烧过程的静态火线温度值；
Q＝650n+200 公式I
Qcrudeoil＝c·m·ΔT 公式II
T火线＝T原始地层+ΔT 公式III
其中，Q代表所述目标稠油燃烧的放热量，单位为kJ；n为所述目标稠油燃烧组分的平均碳数；Qcrudeoil代表稠油燃烧组分的总放热量，单位为kJ；c代表储层岩石的比热容，单位为J/(kg·℃)；m代表所加热的岩石体积，单位为m3；ΔT代表.燃烧前后储层环境的最高温差，单位为℃；T火线代表所述目标稠油燃烧过程的静态火线温度值；T原始地层代表火驱前储层初始温度，来自于目标区块的生产井测试结果。
2.根据权利要求1所述的稠油燃烧放热量的预测方法，其特征在于，所述步骤1包括：
选用40～60目的石英砂，将所述石英砂与所述目标稠油按质量比10:0.5搅拌混合，并按底部5g所述石英砂、中间10.5g所述石英砂与所述目标稠油的混拌油砂、顶部10g所述石英砂的次序依次装填所述燃烧池装置；
先以2L/min的速率向所述燃烧池装置中注入氮气，然后以2L/min的速率向所述燃烧池装置中注入空气；
启动所述燃烧池装置的加热炉，按所述第一升温速率条件将其线性升温至600℃，期间所述空气的注入速率始终不变；
通过气体分析仪得到所述燃烧池中生成气体中的CO和CO2的浓度曲线，进而得到所述目标稠油燃烧产出气体中CO和CO2的总生成量。
3.根据权利要求2所述的稠油燃烧放热量的预测方法，其特征在于，所述步骤2中通过所述燃烧池装置对不同碳数的所述正构烷烃进行燃烧的过程中，采用的工艺条件与所述步骤1相同。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的稠油燃烧放热量的预测方法，其特征在于，不同碳数的所述正构烷烃选自正十二烷、正十六烷、正二十二烷、正二十八烷、正三十四烷和正四十烷。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的稠油燃烧放热量的预测方法，其特征在于，CO和CO2的总生成量的步骤包括：
通过气体分析仪测量所述稠油或不同碳数的所述正构烷烃的燃烧产出气体中CO和CO2的浓度变化曲线；
利用所述浓度变化曲线，依据以下公式Ⅳ计算得到CO和CO2的总生成量：
其中代表CO和CO2的总生成量，q代表燃烧过程中空气的注入速率，/>代表CO和CO2瞬时浓度值。
6.根据权利要求5所述的稠油燃烧放热量的预测方法，其特征在于，在得到所述稠油燃烧产出气体中CO和CO2的总生成量之后，所述步骤1还包括依据公式Ⅴ计算燃料利用率的步骤：
FA代表燃料利用率，g为2。
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