高压高升温速率RTO系统及原油燃烧状态识别方法与流程

高压高升温速率rto系统及原油燃烧状态识别方法
技术领域
1.本发明属于稠油油藏采收领域，具体涉及一种高压高升温速率rto系统及原油燃烧状态识别方法。


背景技术：

2.火驱，即火烧油层采油方法，是指通过注气井向地层连续注入空气并点燃油层，实现油层内燃烧，从而将地层原油从注气井推向生产井的采油方法。火烧前缘是一个高升温速率高反应温度的界面，目前国内使用的原油氧化试验加热器均为电阻加热，这种加热方式受限于自身模式在高压实验条件下最大升温速率难以超过15℃/min，无法真实模拟燃烧前缘高升温速率状态；且加热实验装置一般适用于常压或者低压条件下。例如，cn214370260u中公开了一种rto蓄热氧化炉，其模型主体设置有补偿加热片和测温热电偶的长岩心驱替管。但是，该rto蓄热氧化炉不能实现高温高压条件下的试验测试；不能满足固定升温速率或者快速升温速率条件下的试验。


技术实现要素：

3.针对上述问题，本发明旨在通过高压高升温速率模拟原油在油藏条件与高温热空气的氧化反应，收集反应气体测定h/c比、燃料消耗量和氧气利用率判断原油燃烧状态，一方面可以对原油地下燃烧状态提高判别指标，另一方面可以筛选适于开展火驱的原油。
4.本发明采用的技术方案如下：
5.一种高压高升温速率rto系统，所述系统包括高压注入模块、数控采集模块和高压舱模块；所述高压舱模块由电磁加热模块和反应器模块组成；其中；
6.所述高压注入模块通过高压注气管路与所述反应器模块相连；所述反应器模块置于所述电磁加热模块中；
7.所述数控采集模块分别与反应器模块和电磁加热模块连接，用于采集所述反应器模块和所述电磁加热模块的温度。
8.进一步地，所述高压注入模块由高压气瓶组、流量控制器和高压注气管路组成；所述高压气瓶组包括反应器气瓶和高压舱气瓶；所述反应器气瓶与所述流量控制器相连，所述高压舱气瓶与高压舱模块管路相连，所述高压舱气瓶通过压力传感器和高压减压阀控制感压舱内的压力。
9.进一步地，所述反应器模块为不锈钢加工而成的环形器皿，所述反应器模块材质为非铜金属。
10.进一步地，所述反应器模块由注入端口、产出端口、反应器内部测温热电偶、反应器壁面测温热电偶和反应器本体组成；其中，
11.所述注入端口直径小于产出端口直径，所述注入端口嵌入产出端口中。
12.进一步地，所述电磁加热模块由380v高压变频供电器和磁感线圈组成，所述高压变频供电器用于对磁感线圈进行高压变频供电。
13.进一步地，所述系统还包括气体分析模块，所述气体分析模块包括产出系统和气体组分分析仪，其中，
14.所述产出系统为气液分离器，用于保护气体组分分析仪；
15.所述气体组分分析仪用于分析反应器模块内的气体成分。
16.进一步地，所述气体分析模块通过管线连接至反应器模块产出端口。
17.进一步地，数控采集模块由数控软件和信号采集卡组成，所述数控采集模块具备压力、温度、气体流量和产出气体组分控制与监测功能。
18.本发明还提供了一种如上述所述的高压高升温速率rto系统原油燃烧状态识别方法，所述方法为：
19.将油砂样品装填至反应管，密封高压舱；
20.调试高压舱内注入压力和产出压力，设定数控采集模块中的参数、电磁加热模块中的电磁线圈升温程序，对反应管中的油砂样品升温燃烧；
21.燃烧后的产物进入气体成分分析仪，测定视h/c原子比判断原油燃烧状态。
22.进一步地，所述视h/c原子比定义为维持油层燃烧的燃料中氢原子与碳原子数的比值，其计算公式为：
[0023][0024]
其中，r
h/c
视为h/c原子比数值，量纲为1；v
co2
和v
co
分别表示油砂样品燃烧过程中气体组分分析仪测得的产物组分co2和co气体的体积，单位为ml；为t1～t2时间段内与燃料中的氢元素发生反应的氧气在标准状况下的体积数值，单位为ml。
[0025]
进一步地，所述视h/c原子比小于0.5％时，原油燃烧状态为高温燃烧状态。
[0026]
进一步地，所述电磁加热模块中的电磁线圈升温程序采用线性升温控制程序；所述数控采集模块中的参数为实验压力、实验升温速率和实验气体流量，所述实验压力为5mpa，所述升温速率为10℃/min；所述实验气体流量为400ml/min。
[0027]
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
[0028]
本发明设计的一种高压高升温速率rto系统及方法通过多点式测温判断反应器整体均温性，保证采集到原油样品温度变化差异，实现油藏温度、压力条件下燃烧前缘的模拟，通过温度变化判断原油急剧反应温度。
[0029]
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所指出的结构来实现和获得。
附图说明
[0030]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0031]
图1示出了本发明实施例中一种高压高升温速率rto系统示意图；
[0032]
图2示出了本发明实施例中燃烧反应中反应管外壁面和内部测温点示意图；
[0033]
图3示出了本发明实施例中燃烧反应中反应管外壁面温度和岩心温度随时间变化的示意图；
[0034]
图4示出了本发明实施例中燃烧反应过程中气体组分随时间变化的示意图。
[0035]
附图标记：1—高压气瓶组，2—数控采集模块，3—气液分离器，4—气体组分分析仪，5—干燥装置，6—高压舱，7—磁感线圈，8—反应管，9—安全阀，10—卸荷阀，11—反应器壁面热电偶，12—高压减压阀。
具体实施方式
[0036]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0037]
参照图1，图1示出了本发明实施例中一种高压高升温速率rto系统装置示意图，该系统包括高压注入模块、数控采集模块、高压舱模块、电磁加热模块、反应器模块和气体分析模块。高压注入模块用于控制反应器模块中的反应气量以及高压舱模块内的压力，其由高压气瓶组1、流量控制器和高压注气管路组成。高压气瓶组1分为反应器气瓶和高压舱气瓶，反应器气瓶内装有空气和氮气，通过高压注气管路经卸荷阀10、安全阀9为反应管8提供反应气体；反应器气瓶与流量控制器相连，通过流量控制器控制实验所需反应气量；高压舱气瓶与高压舱管路直连，通过压力传感器和高压减压阀12控制高压舱6内的压力。
[0038]
数控采集模块2用于控制流量控制器、电磁加热模块、压力传感器以及气体分析模块，采集流量、温度、压力以及气体组分信号；数控采集模块2对所连接的高压注入模块、电磁加热模块均采用数据化控制，压力和温度信号实时反馈，在设定相应指令后，迅速调节压力和温度，保证实验效果。
[0039]
高压舱模块分别与高压注入模块、数控采集模块2以及气体分析模块相连，其内部包含电磁加热模块以及反应器模块。高压舱模块由耐高温高压材质不锈钢制成，可以耐受35mpa的实验压力，其壁面装有穿孔接头，电线、热电偶线和管线经穿孔接头导出。高压舱6两侧采用螺纹式密封结构，可方便拆卸。电磁加热模块由高压变频供电器和铜质磁感线圈7组成，高压变频供电器启动电压为380v，用于对磁感线圈7进行高压变频供电，使得处于磁感线圈7中央的反应管8表面产生高强度电流从而实现快速升温。电磁控制器可以通过信号线连接控制软件，结合软件设置加热方式来完成电磁控制器的通断以及电流大小从而控制反应管8的温度。
[0040]
反应器模块由注入端口、产出端口、反应器内部测温热电偶、反应器壁面测温热电偶11和反应管8组成。实验过程中反应气通过注入端口进入反应管8，通过产出端口排出，产出端口为直径1/4英寸的高压不锈钢管线。注入端口直径小于产出端口，并嵌入产出端口。这种设计方式保证反应器模块可以同时满足闭口实验和开口实验两种实验模式，并且注入管路与反应管8没有接触，大幅度降低反应管8的径向传热，使其不会对实验热量变化造成影响。反应管8内部测温热电偶和外壁面热电偶对反应管8进行内外温度测量。
[0041]
气体分析模块由产出系统和气体组分分析仪4组合而成，产出系统是一个小尺寸气液分离器3，用于保护实验装置尾部的气体组分分析仪4，使用高压背压阀控制管路压力。产出系统产出气体后经干燥装置5干燥后进入气体组分分析仪4，气体组分分析仪4用于对实验产出的气体组分中的o2、co2、co组分进行实时反馈。
[0042]
本发明实施例的第二方面，提供一种上述高压高升温速率rto系统装置原油燃烧状态识别方法，实验过程中最高升温温度为800℃，最高实验压力为35mpa，因此实验过程中高压舱的注入端口连接处、产出端口连接处、高压舱封舱、高压注入模块等均达需到35mpa密封标准。该方法具体步骤如下：
[0043]
s1：油砂样品装填至反应管，密封高压舱并进行气密性检测；
[0044]
步骤s1中，选用中国辽河区块油样作为实验样品测定其氧化动力学参数，将辽河区块有氧与实验专用石英砂按一定比例混合制成实验专用油砂样品，并填入反应器模块的反应管中，将装填好油砂的反应管水平置于电磁加热模块的磁感线圈中；之后将反应管的左右两端分别与高压舱上部穿过的注入端口、底部穿出的产出端口相连，高压舱的上部和下部通过舱口两端的螺纹密封结构可拆卸连接；并对整个高压舱模块进行气密性检测，以保证高压实验过程中反应模型的良好密封性；
[0045]
s2：调试高压舱内注入压力和产出压力，设定数控采集模块相关参数；
[0046]
步骤s2中，高压舱模块气密性检测完成后，关闭高压舱门；通过烟气分析仪调试高压舱注入压力、产出压力；烟气分析仪使用前矫正，使用氮气标定烟气分析仪各组分零点，使用混配标气(混配标气成分为氧气21％，co215％，co10％)标定烟气分析仪高点，观察烟气分析仪示数是否正常；
[0047]
在数控采集模块中输入实验压力、实验升温速率和实验气体流量，实验压力、实验升温速率和实验气体流量分别为5mpa、10℃/min和400ml/min；设定完成后，点击开始试验，实验装置开始按照设定对反应模型加热。根据压力传感器回馈信号调节高压舱中反应管内外压力，使外部压力比内部压力大1-2mpa，保护反应管；
[0048]
s3：设定电磁加热模块中的电磁线圈升温程序，对反应管中的油砂样品进行加热；
[0049]
步骤s3中，试验开始后，电磁线圈按照设定好的升温速率以及升温方式对反应管进行升温处理，并保持反应管内部热电偶和反应容器壁面热电偶温度一致，本发明实施例中升温方式采用线形升温模式，升温速率10℃/min。反应器模块中反应管内的油砂样品与高温空气进行氧化反应，产物进入气体分析模块中的气体成分分析仪；
[0050]
s4：分析气体组分，通过收集燃烧反应后的气体测定视h/c原子比判断原油燃烧状态通过以上步骤实现高压高升温速率下模拟油砂样品与高温热空气的氧化反应，收集燃烧反应后的气体测定视h/c原子比判断原油燃烧状态。
[0051]
图2示出了本发明实施例中燃烧反应中反应管外壁面和内部测温点示意图；图3示出了本发明实施例中燃烧反应中反应管外壁面温度和岩心温度随时间变化的示意图，结合图2和图3中分析可知，随着燃烧反应时间的增加，反应管内外壁温度均在逐步上升，内壁不同测温点处温度差异不明显，基本保持一致，说明油砂样品在反应管中进行燃烧反应时，反应管内整体保持均温特性。另外，反应管内壁和外壁的温度差异也不明显，基本处于相近温度下，说明本发明设计的高压高升温速率rto系统装置具备良好的热导性能。图4示出了本发明实施例中燃烧反应过程中气体组分随时间变化的示意图，从图4中可以看出，氧化反应
开始40min左右时，才监测到气体成分co2、co和o2，当反应管中加热温度达到低温峰值温度300.3℃时，o2含量达到一个最高峰值水平，此时氧化反应视h/c原子比为6.23；当反应管加热温度达到高温峰值温度449.3℃时，氧化反应视h/c原子比为0.11；视h/c原子比从高到低变化代表原油反应从低温氧化向高温氧化转变。整个实验过程中平均视h/c原子比为1.81。视h/c原子比小于0.5％时，原油燃烧状态为高温燃烧状态。
[0052]
h/c原子比定义为维持油层燃烧的燃料中氢原子与碳原子数的比值，其计算公式为：
[0053][0054]
其中，r
h/c
视为h/c原子比数值，量纲为1；v
co2
和v
co
分别表示油砂样品燃烧过程中气体组分分析仪测得的产物组分co2和co气体的体积，单位为ml；为t1～t2时间段内与燃料中的氢元素发生反应的氧气在标准状况下的体积数值，单位为ml。
[0055]
实验结束后关闭电磁加热模块，关闭高压舱入口阀门，高压舱和反应管逐级降压至室内常压，之后打开高压密封舱门，降温后样品从反应容器排出，吹扫后，准备下一次实验。
[0056]
综上，本发明设计的一种高压高升温速率rto系统通过多点式测温判断反应器整体均温性，保证采集到原油样品温度变化差异，实现油藏温度、压力条件下燃烧前缘的模拟，通过温度变化判断原油急剧反应温度。
[0057]
尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

技术特征：
1.一种高压高升温速率rto系统，其特征在于，所述系统包括高压注入模块、数控采集模块和高压舱模块；所述高压舱模块由电磁加热模块和反应器模块组成；其中，所述高压注入模块通过高压注气管路与所述反应器模块相连；所述反应器模块置于所述电磁加热模块中；所述数控采集模块分别与反应器模块和电磁加热模块连接，用于采集所述反应器模块和所述电磁加热模块的温度。2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述高压注入模块由高压气瓶组、流量控制器和高压注气管路组成；所述高压气瓶组包括反应器气瓶和高压舱气瓶；所述反应器气瓶与所述流量控制器相连，所述高压舱气瓶与高压舱模块管路相连，所述高压舱气瓶通过压力传感器和高压减压阀控制感压舱内的压力。3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述反应器模块为不锈钢加工而成的环形器皿，所述反应器模块材质为非铜金属。4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述反应器模块由注入端口、产出端口、反应器内部测温热电偶、反应器壁面测温热电偶和反应器本体组成；其中，所述注入端口直径小于产出端口直径，所述注入端口嵌入产出端口中。5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述电磁加热模块由380v高压变频供电器和磁感线圈组成，所述高压变频供电器用于对磁感线圈进行高压变频供电。6.根据权利要求1-5任一项所述的系统，其特征在于，所述系统还包括气体分析模块，所述气体分析模块包括产出系统和气体组分分析仪，其中，所述产出系统为气液分离器，用于保护气体组分分析仪；所述气体组分分析仪用于分析反应器模块内的气体成分。7.根据权利要求6所述的系统，所述气体分析模块通过管线连接至反应器模块产出端口。8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，数控采集模块由数控软件和信号采集卡组成，所述数控采集模块具备压力、温度、气体流量和产出气体组分控制与监测功能。9.一种如权利要求1-8任一项所述的高压高升温速率rto系统原油燃烧状态识别方法，其特征在于，所述方法为：将油砂样品装填至反应管，密封高压舱；调试高压舱内注入压力和产出压力，设定数控采集模块中的参数、电磁加热模块中的电磁线圈升温程序，对反应管中的油砂样品升温燃烧；燃烧后的产物进入气体成分分析仪，测定视h/c原子比判断原油燃烧状态。10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述视h/c原子比定义为维持油层燃烧的燃料中氢原子与碳原子数的比值，其计算公式为：其中，r
h/c
视为h/c原子比数值，量纲为1；v
co2
和v
co
分别表示油砂样品燃烧过程中气体组
分分析仪测得的产物组分co2和co气体的体积，单位为ml；为t1～t2时间段内与燃料中的氢元素发生反应的氧气在标准状况下的体积数值，单位为ml。11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述视h/c原子比小于0.5％时，原油燃烧状态为高温燃烧状态。12.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述电磁加热模块中的电磁线圈升温程序采用线性升温控制程序；所述数控采集模块中的参数为实验压力、实验升温速率和实验气体流量，所述实验压力为5mpa，所述升温速率为10℃/min；所述实验气体流量为400ml/min。

技术总结
本发明涉及一种高压高升温速率RTO系统及原油燃烧状态识别方法，该系统包括高压注入模块、数控采集模块、高压舱模块、电磁加热模块、反应器模块和气体分析模块。高压注入模块通过高压注气管路与反应器模块相连；反应器模块置于电磁加热模块中；数控采集模块分别与反应器模块和电磁加热模块连接，用于采集反应器模块和电磁加热模块的温度。本发明通过多点式测温判断反应器整体均温性，保证采集到原油样品温度变化差异，实现油藏温度、压力条件下燃烧前缘的模拟，通过温度变化判断原油急剧反应温度。度。度。


技术研发人员：郑浩然 王红庄 唐君实 李秋 关文龙 蒋有伟 李秀峦 王伯军 郭二鹏 王晓春 郭雯
受保护的技术使用者：中国石油天然气集团有限公司
技术研发日：2021.12.31
技术公布日：2023/7/13