摘 要：研究火烧油层化学机理，是为了改善火烧油层燃烧性能参数，而认识火烧油层技术最直接、最有效的研究手段之一是物理模拟实验，所以，借助火烧油层物理模拟实验来开展火烧油层化学机理及其改善方法研究是行之有效的。火烧油层复杂的化学机理使得火驱工艺过程的复杂性大大增加，对火烧油层化学反应的定性及定量分析是完善和发展火驱采油技术的基本途径。
关 键 词：火烧油层；化学机理；模拟实验；改善
中图分类号：TE 122 文献标识码： A 文章编号： 1671-0460（2015）07-1583-03
Research on In-situ Combustion Chemistry Mechanism
HAN Guan-yong， LIU Yong-jan， GENG Zhi-gang
（Northeast Petroleum University， Heilongjiang Daqing 163318， China）
Abstract： In-situ combustion chemistry mechanism was studied in order to improve the combustion performance parameters of fire flooding. One of the most direct and effective research methods to understand the technology of fire flooding technology is the physical simulation experiment. The complex chemical mechanism of in-situ combustion makes the complexity of fire flooding process greatly increase. The basic way to improve and develop the technology of the fire flooding oil recovery is the qualitative and quantitative analysis of in-situ combustion chemical reaction.
Key words： In-situ combustion； Chemical mechanism； Simulation experiment； Improvement
火烧油层[1-3]过程开始的标志是将空气注入到注气井。当空气进入油层并将其加热到适当温度时，燃烧现象就能在油层中开始发生，燃烧温度取决于着火原油的氧化特性。燃烧前缘在注入气的推动下不断向生产井移动。燃烧前缘中的原油在发生氧化反应之后，轻质组分分离出来并且被驱走，而焦炭物质沉积下来形成主要的燃料，为燃烧过程提供动力。当这些燃料燃烧完全以后，燃烧前缘才会向前移动，这样才能在油层中进行连续的燃烧过程。
1 火烧油层过程中的化学反应
在火烧油层过程中，当油层温度在100 ℃以下时，油层内主要发生物理反应。当温度高于100 ℃以后，油层中发生了一系列化学反应，概括说火烧油层过程中存在着三种类型的反应：
原油的低温氧化反应：当温度处于100～300 ℃时，原油主要进行低温氧化反应，该过程有少量热产生。
油的热裂解反应：根据温度的高低，热裂解后会生成不同性质的产物。如果温度超过350 ℃，原油中的一大部分可能变为焦炭。
第三种反应称为热裂解产物的燃烧，也可以称之为焦炭的燃烧：这里说的热裂解产物主要是指沉积于油层多孔介质孔隙体积中的物质，即人们常说的燃料。焦炭燃烧或高温氧化过程的反应式可用下式描述
（1）
式（1）中略去了燃料中硫、氮等的含量。x是单位碳原子的平均氢原子数，称之为H/X原子比； 是CO与（CO+CO2）的摩尔比。
如果令 和 分别表示产出气体中的氧气和氮气的浓度，则根据物料平衡关系，可得燃烧的氧气浓度 为：
O2c= 0.2682N2-O2P （2）
有人假设油层内的矿物质和水是不起化学反应的，但实际并非如此。Poettma等[4]指出，地下黄铁矿的存在增加了火烧油层的空气需要量。在蒸汽吞吐和蒸汽驱中产出气体的分析表明，这两种采油技术的产出物中存在碳的氧化物、硫化氢和氢气，这就说明蒸汽和原油之间能够起反应[5]。
综合以上分析，由于低温氧化反应、矿物质的反应及水/有机燃料的反应均没有考虑在式（1）中，所以，可以认为前面的式（1）只能是近似地反映包括氧、碳和氢的反应，但即使如此，通常还是将式（1）当作估算燃料消耗量的H/C比的理论基础。
2 火驱燃料氧化反应理论模型研究
为了深入分析在油藏多孔介质中发生的氧化反应，研究颗粒表面积对反应的影响，今采用简化模型进行研究，即变球形状燃料几何模型，如图1所示。假设燃料是均匀地堆积在球状的砂粒表面上。随着温度的升高，蒸发掉了水和轻烃，留下了重油馏分，由于氧气过剩，残渣经过低温氧化，形成氧化了的燃料。
在高温氧化中，燃料经过氧化形成碳氧化合物和水，燃料质量及其球形颗粒半径逐渐减小，直到燃料被完全氧化。
t =0 t =t0 t =tc t =te
图1 几何模型图
Fig.1 The geometry model diagram
如图1所示，变球形状燃料几何模型，燃料由两部分组成，最初燃料覆盖在整个砂粒表面上。由于表面积较大，堆积在砂粒表面上的燃料的氧化速度要比堆积在砂粒连接处的燃料的氧化速度更快。经过一段时间，在tc时刻时，只有砂粒的连接处存有燃料。从此时一直到燃料被完全氧化，砂粒连接处的燃料形状可以看做为一个逐渐收缩的环形接触区。燃料氧化的化学平衡方程，式（3）
（3）
每秒消耗燃料的量 为
（4）
式中的 为排出气体的流量（L/min）。在变球形状燃料几何模型中，燃料形状是随时间变化的（见图1）。最初，燃料堆积在整个砂粒表面。经一段时间后，到达 时刻时，燃料只存在于砂粒间的连接处，燃料的形状接近于环形。
2.1 燃料在环形部分
当 时，在时 刻的环形部分的高度为 ，砂粒中从 到 的球缺体积为
（5）
砂粒间连接处到环形部分表面的垂直距离为
（6）
每颗砂粒在粒间连接处的燃料体积为
（7）
忽略 和高次项。另外因为立方堆积的平均孔隙度为 ，菱形体集结的平均孔隙度为 。
多孔介质中的燃料总体积为 ，有
（8）
当 时，有 ；当 时，有 。
颗粒连接处环形部分的燃料表面积为
（9）
多孔介质中环形部分的燃料总表面积为 ，有 （10）
式（10）成立的必要条件是
与前面处理思路一样，可得和燃料表面积相关的氧化反应速率方程为
（11）
上式中
式（11）也可以用 来表示，即有
（12）
2.2 燃料在非环形部分
当 时，燃料的表面积为S，其包括环形部分的表面积 和直接堆积在砂粒表面的燃料的表面积。表面积S可以认为是随着温度的降低而增加，假设它们之间呈如下指数关系
（13）
式中的 是在 时刻的温度， 是比例系数。式（13）满足必要条件，即当 时， 为环形部分的表面积。有
（14）
其中
式（14）的物理意义可解释为，当 时，在以 为横坐标，以式（14）左侧部分的自然对数为纵坐标的图形中，一条以 为斜率， 为截距的直线。说明表面积越大，活化能将越低。
3 油层内燃烧区带划分
本文的物理模拟实验为燃烧管实验，实验使用的原油粘度为38 670 mPa·s，原油取自辽河油田。通过对现场数据进行分析，绘制出火驱开采过程中地下各个区域带分布特征，如图2所示。
图2 各区带分布情况
Fig.2 The distribution in each zone
已燃区：该区段内充满了空气，区内有机燃料基本消耗完，砂粒具有较高的温度。虽然有大量的空气流经该区段，但燃烧反应热仍然不能全部被带走。
燃烧前缘：即燃烧区。该区段内的温度较高，一般在400 ℃以上，是地层中温度最高的区域。该区段内的岩层砂粒上沉积了大量原油裂解后残余的重质馏分（即焦炭），这部分重质馏分会与空气发生剧烈的氧化反应，反应会放出大量的热，并产生燃烧气体，反应之中生成的水通常以过热蒸汽的形式出现。
结焦带：该区域的含油饱和度经氯仿沥青质含量分析测试为5%～15%，有这些焦炭作为燃料足以推动燃烧前缘不断前进。通过对结焦带的油砂岩心进行分析，发现焦炭是充填在孔喉结构之中，附着在砂粒表面的。因此，开采过程中注气压力上升的一个主要原因就是焦炭沉积降低了孔喉结构的渗流能力。
凝结区：进入该区段的气体可以分成两部分：一部分是由原油蒸馏与裂解产生的气态烃；另一部分是地层原生水与生成水经燃烧产生的过热蒸汽。该区段还可称之为蒸汽平稳段。
油墙：由于该区段聚集了所有从上游驱替下来的原油，所以该区段含油饱和度最高，温度逐渐接近原始地层温度。
原始油区：该区段处于油墙下游，因此，与油墙相比，区段内的含油饱和度基本上没变化。
伴随着燃烧前缘逐渐由注气井向生产井方向移动，原始油区不断缩小，所有产物从生产井采出。该处描绘的火烧油层过程中地下各个区带是假定可以明显地区分开来的，但在实际情况中并非如此，各个区带之间都由过渡带进行连接。不仅可以判断出某一特定区内哪种现象占优势，而且可以看出相邻区带之间的过渡带的变化情况。
4 结 论
（1）分析了火烧油层驱油过程中各个温度区间内发生的化学反应；
（2）建立了可定量分析油层多孔介质中燃料氧化反应速率和耗氧量的理论模型。本文的这些结论为研究火烧油层机理和油藏数值模拟提供了所需的基本控制参数与条件。
（3）通过对含油饱和度数据进行分析，可以把火烧油层地层划分成4个区带：已燃区、燃烧前缘、结焦带、未燃区。描述了火烧油层地层区带分布特征，并对各个区带的特点进行了分析。
参考文献：
[1]刘永建，胡绍彬，闻守斌，等.地质催化稠油水热裂解反应可行性研究[J].2007，14（5）：84-87.
[2]刘永建，钟立国.水热裂解开采稠油技术研究的进展[J].燃料化学学报，2004，32（1）：117-122.
[3]刘喜林.难动用储量开发稠油开采技术[M].北京：石油工业出版社，2005.
[4]Poettma， F. H. ，Schilson， R. E.， Surkalo， H.：“Philosophy and Technology of In-Situ Combuston in light Oil Reservoirs，”[C].Proc.， Seventh World Pet. Cong.， Mexico City 1967-03：487.
[5]赵法军，刘喜林，刘永建.稠油井下改质降粘技术原理与应用[M].北京：石油工业出版社，2009.