【原创】从理论到实践：手把手CMG火烧模拟1

Jetlus

本帖原创，每句话均有据可查，本帖会对CMG中Wizard的三种反应机理进行分析。

所有理论知识均来自于SPE Journal，国外博士论文翻译整理，引用部分百度百科。

1. 火烧油层情况

火烧油藏已经被证实可以在浅油藏（小于1500ft）的重油（10-20 API）和深油藏的轻质油（大于30API）

火烧存在的挑战：

1.      注入空气必须被压缩，对设备功率要求较高。注入空气的速率必须与地层热量流失速率达到一定平衡。

2.      必须提前进行大量实验。

3.      必须进行油田先导实验。

根据火烧前缘方向和注入空气流动的方向，分为向前燃烧和反向燃烧。向前燃烧中，火烧前缘与空气运动前缘一致。在反向燃烧中，上述前缘相反。向前燃烧目前运用最多。向前燃烧又分为干式燃烧和湿式燃烧。在干式燃烧中，只有空气或者富氧空气注入地层。在湿式燃烧中，空气与水同时注入地层。

二. 重油质分离

重质油分离目前使用较多的是四组分分离方法（SARA法），SARA是Saturates（饱和分），Aromatic（芳香分），Resin（胶质），Asphaltene (沥青质)

可溶质（Maltene）：即溶于甲苯(toluene)又溶于正戊烷 (pentane)或者正庚烷（heptane）。

沥青质（Asphaltene）：不溶于正戊烷或者正庚烷而溶于甲笨。

饱和分: 是碳氢化合物下的一种饱和烃，其整体构造大多仅由碳、氢、碳碳单键与碳氢单键所构成，同时也是最简单的一种有机化合物，而其下又可细分出链烷烃与环烷烃。链烷烃是指碳原子之间以单键结合成链状（直链或含支链）的烷烃。环烷烃是指含有脂环结构的烷烃。饱和分的H/C原子比在1.95左右，其中基本不含杂原子


芳香分：通常指分子中含有苯环结构的碳氢化合物。是闭链类的一种。具有苯环基本结构，历史上早期发现的这类化合物多有芳香味道，所以称这些烃类物质为芳香烃，后来发现的不具有芳香味道的烃类也都统一沿用这种叫法。例如苯、萘等。苯的同系物的通式是CnH2n-6（n≥6）。芳香分的H/C原子比在1.5~1.7之间，其中含有相当量的硫及一定量的氮

胶质：是石油中一种油溶的、杂散的、无规则的、相对分子质量和极性较沥青质小的芳杂稠环大分子非烃化合物,外观呈深棕色至深褐色,是极为粘稠不易流动的液体或无定形固体,受热时熔融,密度略小于1.0 g/cm3,是石油中的重要组分。胶质的H/C原子比在1.4~1.5之间，其中硫和氮的含量都较高


在SARA分离方法中，可溶质氧化铝(Alumina)吸附色谱水含量为1 wt%。其中，石油醚(petroleum ether)冲出物为饱和分，笨(benzene)冲出物为芳香分，笨-乙醇(ethanol)冲出物为胶质。
三. 主要反应


主要反应包括热裂解（Thermal Cracking）, LTO(Low Temperature Oxidation)，HTO(High Temperature Oxidation)


热裂解没有氧气参与。


HTO有氧气参与，没有焦炭（Coke）生成


LTO有氧气参与，有焦炭（Coke）生成，LTO通常发生在温度小于150度的情况下，它会改变油藏的性质

重油的有效驱动温度为450到600度，点燃需要借助外部方式，其实除了火烧驱动方式，火烧油层也存在混相驱动，这是因为反应生成的CO2有此作用。

四. 火烧油层主要生产参数定义


Fuel（燃料）：基于CO2与CO的产量消耗的油的量
Fuel Requirement（燃料需求）：当氧化区域驱替一定体积的油藏时消耗的油量。（kg/m3）
Air Requirement (空气需求)：让氧化区域穿越一定体积油藏所需要的注入空气量。（m3(ST)/M3）
Air Flux （空气流量）：流速除以横截面积 (m3(ST)/m2h)
Enriched Air （富氧空气）：氧气比例大于21%

五. 油田火烧案例设计

1. Air Requirement

基本所需空气需要通过实验得到。随着Water/ Air Ratio的增加，Air Requirement呈现先不变后逐渐减小的趋势。

2. Air / Fuel Ratio (AFR)

当然越低越好

3. Volume Burned

Vb= Ia / Ar (Ia为注入空气体积，Ar为空气需求)

4. 可动原油体积Som

Som= Soi-Ar/ (por*density of oil*AFR)

5. 驱替油体积Vo

Vo=Vb*por*Som

六. 干式燃烧

干式燃烧：注入空气后，油层点燃，点火通常借助于井底气体燃烧器、电磁加热器或者注入蒸汽等。有时候会出现自动点火，此刻油藏温度必须大于82.22摄氏度。一旦点燃，火烧前缘通过源源不断的注入空气维持。

理想的干式燃烧区域分为已燃区（Burned Zone），燃烧区（Combustion Zone），结焦与蒸发区（Cracking andVaporization Zone），蒸汽区（Steam Zone），冷凝前缘（CondensationForm）、可移动油带(Alter Saturation Zone)和剩余油区（Native Reservoir）。
已燃区：该区域含油饱和度为0，被空气充满，滞留大量燃烧反应热
燃烧区：温度一般在400C以上，原油重质组分在此区域发生剧烈燃烧反应，燃烧产生的水一记油层内的束缚水一般会以过热蒸汽形式存在。
结焦与蒸发区：假设氧气已经在燃烧区全部耗尽，与燃烧前缘接触的烃发生了热裂解与蒸发。生成的裂解产物-焦炭会作为下一步燃烧反应的原料，生成的轻质油会流到下游与剩余油区油混合。
蒸汽区：束缚水与燃烧生成的水以蒸汽形式存在在高温区域的前缘。
冷凝前缘：蒸汽区域的前缘。
剩余油区：原始油藏。

其实干式燃烧并不是一个真正意义上的热采过程，是因为油移动到油藏较冷的区域。

七. 湿式燃烧

在干式燃烧中，大量的热量储存于燃烧区，未得到有效利用。干空气热传导效率很低，加入注入水后，可以有效提高热传导效率。注入水吸收燃烧区的热量，蒸发成蒸汽。

湿式燃烧又分为不完全湿式燃烧、完全湿式燃烧、过湿式燃烧。其实就是注水少，正好，过多的区别。

注水的最大问题是千万别让注水前缘达到燃烧前缘。

八.  CMG Process Wizard反应机理之一：LTO and HTO based on BelgravesModel: JCPT April 1997 and SPE 20250

热裂解：(1) Asphaltene=Maltene+Coke

            (2)Maltene=Asphaltene+ Maltene+CO2 +H2S + Coke

HTO:     (3) Asphaltene+Oxygen =Water +CO2 + N2_CO

            (4) Maltene+Oxygen =Water +CO2 +N2_CO

            (5) Coke +Oxygen =Water +CO2 +N2_CO

LTO:     (6) Asphaltene + Oxygen =Maltene+ Coke

点评：本反应一共包括六个组分，主要将Bitumen分为了Maltene和Asphaltene。一般而言，Asphaltene是重组分，Maltene是轻组分。相比于其他几个反应机理，这个反应机理算的更快。因为计算时间跟2的组分数次方成正比。

Jetlus

干式燃烧：注入空气后，油层点燃，点火通常借助于井底气体燃烧器、电磁加热器或者注入蒸汽等。有时候会出现自动点火，此刻油藏温度必须大于82.22摄氏度。一旦点燃，火烧前缘通过源源不断的注入空气维持。

理想的干式燃烧区域分为已燃区（Burned Zone），燃烧区（Combustion Zone），结焦与蒸发区（Cracking and Vaporization Zone），蒸汽区（Steam Zone），冷凝前缘（Condensation Form）、可移动油带(Alter Saturation Zone)和剩余油区（Native Reservoir）。
已燃区：该区域含油饱和度为0，被空气充满，滞留大量燃烧反应热
燃烧区：温度一般在400C以上，原油重质组分在此区域发生剧烈燃烧反应，燃烧产生的水一记油层内的束缚水一般会以过热蒸汽形式存在。
结焦与蒸发区：假设氧气已经在燃烧区全部耗尽，与燃烧前缘接触的烃发生了热裂解与蒸发。生成的裂解产物-焦炭会作为下一步燃烧反应的原料，生成的轻质油会流到下游与剩余油区油混合。
蒸汽区：束缚水与燃烧生成的水以蒸汽形式存在在高温区域的前缘。
冷凝前缘：蒸汽区域的前缘。
剩余油区：原始油藏。

其实干式燃烧并不是一个真正意义上的热采过程，是因为油移动到油藏较冷的区域。

六月雪

强烈支持，期待

路上之狼

reddeath1983

顶！收藏

精武

楼主做火烧多久了

Jetlus

点根烟，继续写

joken0019

强烈支持楼主哈，均是经典撒。

Jetlus

精武 发表于 2014-1-19 20:38
楼主做火烧多久了

我专业是搞SAGD和吞吐，火烧啥的空闲时间看看

Jetlus

joken0019 发表于 2014-1-20 00:14
强烈支持楼主哈，均是经典撒。

谢谢支持。