一种页岩油藏注空气氧化反应动力学模型构建方法

计算;推算;计数设备的制造及其应用技术1.本发明涉及页岩油藏开发技术领域，具体涉及一种页岩油藏注空气氧化反应动力学模型构建方法。背景技术：2.页岩油是指已生成但仍滞留于富含有机质泥页岩地层微米级储集空间中的原油。我国页岩油资源丰富，可采资源量达43.52×108吨，是常规油藏的有效接替能源之一。由于页岩储层物性差、非达西渗流明显，注水、化学驱等开发方式难以应用于页岩油藏开发。富含干酪根的页岩油藏开展注空气技术具有以下优势。燃烧放热能够去除孔隙中难以热解的“死碳”，改变原油赋存状态；氧化热能沟通扩张微孔隙结构，增强储层导流能力。3.为了研究注空气技术在页岩油藏中应用的可行性，jia等(jia and sheng.simulation study of huff-n-puff air injection for enhanced oil recovery in shale oil reservoirs[j].petroleum，2018,4(1)：1-7)率先开展了相关数值模拟研究。其中所使用的氧化反应方程、活化能、频率因子、热焓等均直接饮用tingas(tingas j.numerical simulation of air injection processes in high pressure light&medium oil reservoirs[d].university of bath，2000)建立的北海轻质油藏氧化反应动力学模型，并不符合页岩油氧化特征且没有考虑干酪根氧化，这严重影响了该数值模型的可靠性。此外，针对干酪根的研究主要集中于油页岩中干酪根的裂解反应(wang q,wang x,pan s.study on the structure,pyrolysis kinetics,gas release,reaction mechanism,and pathways of fushun oil shale and kerogen in chain[j].fuel processing technology,2022:107058)，缺乏页岩油藏中干酪根氧化反应方程和动力学的研究。目前还没有同时考虑页岩油和干酪根氧化的反应动力学模型，难以准确预测页岩油藏注空气过程中温度场、气相组分等变化情况。技术实现要素：[0004]本发明针对现有技术存在的问题提供一种能够模拟页岩油藏注空气过程中的温度场、气相组分等变化情况的页岩油藏注空气氧化反应动力学模型构建方法。[0005]本发明采用的技术方案是：[0006]一种页岩油藏注空气氧化反应动力学模型构建方法，包括以下步骤：[0007]步骤1：通过cmg油藏数值模拟软件得到页岩油流体拟组分状态参数和干酪根拟组分状态参数，建立页岩油流体拟组分模型和干酪根拟组分模型；[0008]步骤2：确定页岩油拟组分氧化反应方程和干酪根氧化反应方程；[0009]步骤3：确定反应热焓和氧化动力学参数取值范围，确定反应热焓和氧化动力学参数的初始值，将初始值赋值给步骤2得到的氧化反应方程；[0010]步骤4：对步骤3得到的模型进行模拟，将模拟结果与物理模拟实验结果进行对比；[0011]步骤5：根据物理模拟实验结果调整反应热焓、反应方程化学计量数和动力学参数的值，直到得到的模拟结果与物理模拟实验结果达到设定的精度值；模拟结束，得到页岩油藏注空气氧化反应动力学模型。[0012]进一步的，所述步骤2中的页岩油流体拟组分氧化反应方程如下：[0013]heavy fraction＋1.5o2→0.846oxidized oil＋co2＋h2o[0014]oxidized oil→3.8light fraction+1.2coke[0015]heavy fraction＋1.5o2→3.2148light fraction＋1.0152coke＋co2＋h2o[0016]light fraction+10.5239oxygen→9.88078h2o+2.28623co2+6.59455co[0017]coke＋1.08295oxygen→0.5h2o＋0.665909co2[0018]式中：light fraction为轻质组分，heavy fraction为重质组分，oxidized oil为烃类氧化物，coke为焦炭。[0019]进一步的，所述步骤2中干酪根氧化反应方程如下：[0020]kerogen_solid1+17.5o2→101.5coke[0021]kergen_solid2→83.8coke＋8.2light fraction＋2.2heavy fraction＋7.6h2o[0022]式中：kerogen_solid1为干酪根拟组分1，kerogen_solid2为干酪根拟组分2。[0023]进一步的，所述步骤1中页岩油流体拟组分模型获取过程如下：[0024]通过cmg油藏数值模拟软件将原油划分为轻质组分和重质组分，进行闪蒸计算和数值优化，拟合实验测定的原油物性参数；即可得到用于数值模拟的页岩油流体拟组分状态参数；根据状态参数得到页岩油流体模型；原油物性参数包括黏度、密度和分子量；[0025]干酪根拟组分模型获取过程如下：[0026]通过cmg油藏数值模拟软件将固体干酪根划分为kerogen-solid1和kerogen-solid2拟组分，获取用于数值模拟的干酪根拟组分状态参数；kerogen-solid1和kerogen-solid2拟组分分别参加氧化反应和裂解反应；[0027]通过cmg-stars设置双重孔渗模型，其中基质系统代表页岩中渗透率低的孔隙结构；裂缝系统代表干酪根氧化/裂解形成的孔渗通道；假设干酪根固体主要充填在页岩孔隙中，干酪根发生氧化/裂解反应后浓度开始降低，直至孔隙中干酪根浓度为0。进一步的，所述步骤3中反应热焓和氧化动力学参数取值范围的确定方法如下：[0028]通过高压差示扫描量热仪(pdsc)开展多升温速率下页岩油和干酪根氧化实验，基于多升温速率pdsc氧化放热曲线初步获取低温和高温氧化反应热焓取值范围，并采用等转化率法获取低温和高温氧化活化能和频率因子取值范围，即氧化动力学参数取值范围。[0029]本发明的有益效果是：[0030](1)本发明提出了一种同时考虑页岩油和干酪根氧化的页岩油藏注空气氧化反应动力学模型，能够用来模拟页岩油藏注空气提高采收率过程中的温度场、气相组分变化，探究氧化热前缘波及机理与调控方法。(2)本发明定义了两种干酪根拟组分，分别参与氧化反应和裂解反应，模拟过程更加准确，模拟结果更加可信。附图说明[0031]图1为本发明方法流程示意图。[0032]图2为本发明物理模拟实验中采用的多孔介质热效应监测装置示意图。[0033]图3为本发明中采用模拟软件建立的注空气氧化物理模拟实验模型。[0034]图4为温度传播实验曲线和数值模拟曲线。[0035]图5为本发明中产出气组分实验曲线和数值模拟曲线。[0036]图中：1-储气罐，2-控制阀，3-流量计，4-陶瓷加热器，5-加热控制器，6-石英反应器，7-气液分离器，8-液体收集瓶，9-气体分析仪，10-数据采集箱，11-模拟数字转换器，12-光导纤维传感器。具体实施方式[0037]下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。[0038]如图1所示，一种页岩油藏注空气氧化反应动力学模型构建方法，包括以下步骤：[0039]步骤1：通过cmg油藏数值模拟软件得到页岩油流体拟组分状态参数和干酪根拟组分状态参数，建立页岩油流体拟组分模型和干酪根组分模型；[0040]通过cmg中自带winprop模块将原油划分为轻质组分和重质组分，进行闪蒸计算和数值优化，拟合实验测定的原油物性参数；原油物性参数包括黏度、密度和分子量；从而可以获得可用于数值模拟的页岩油流体拟组分状态参数。[0041]将固体干酪根划分为kerogen-solid1和kerogen-solid2拟组分，kerogen-solid1和kerogen-solid2拟组分分别参加氧化反应和裂解反应。通过cmg-stars设置双重孔渗模型，基质系统主要代表页岩中渗透率低的孔隙结构；裂缝系统代表干酪根氧化/裂解形成的孔渗通道。假设干酪根固体主要充填在页岩孔隙中，干酪根发生氧化/裂解反应后浓度开始降低，直至孔隙中干酪根浓度为0。[0042]步骤2：确定页岩油拟组分氧化反应方程和干酪根氧化反应方程；[0043](1)建立页岩油氧化反应方程[0044]开展全温度域(100～800℃)页岩油氧化实验，通过分析氧化后产出气组成和氧化产出油物性和组成以建立页岩油氧化反应方程。其中低温氧化阶段主要包括重质组分的加氧(式1)和烃氧化物的裂解(式2)，式1和式2可进一步合成式3；高温氧化阶段主要包括轻质组分的气相燃烧(式4)和焦炭燃烧(式5)。[0045]heavg fraction＋1.5o2→0.846oxidized oil＋co2＋h2oꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ(1)[0046]oxidized oil→3.8light fraction+1.2cokeꢀꢀꢀꢀꢀꢀ(2)[0047]heavy fraction＋1.5o2→3.2148light fraction＋1.0152coke＋co2＋h2oꢀꢀ(3)[0048]light fraction+10.5239oxygen→9.88078h2o+2.28623co2+6.59455coꢀꢀꢀꢀꢀ(4)[0049]coke+1.08295oxygen→0.5h2o+0.665909co2ꢀꢀꢀꢀꢀ(5)[0050]式中：light fraction为轻质组分，heavy fraction为重质组分，oxidized oil为烃类氧化物，coke为焦炭。[0051](2)建立干酪根氧化反应方程[0052]国内外学者已针对干酪根的裂解反应开展大量研究，但关于干酪根氧化反应模式的研究近乎空白。为了建立干酪根氧化反应方程，根据国际gb/t 19144-2003《沉积岩中干酪根分离方法》从富有机质泥页岩中提取干酪根，然后开展全温度域(100～800℃)干酪根氧化实验，通过对产出气组成和产出流体物性、组成进行分析，建立干酪根拟组分kerogen-solid1氧化反应方程。最终确定的方程包括kerogen-solid1的加氧反应(式6)和干酪根加氧生成的氧化缩聚沉积物(将其视为焦炭)的燃烧反应(式5)。[0053]干酪根拟组分kerogen-solid2裂解反应为kerogen_solid2裂解生成h2o、light fraction、heavy fraction和coke如式7。[0054]kerogen_solid1+17.5o2→101.5cokeꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ(6)[0055]kergen_solid2→83.8coke＋8.2light fraction＋2.2heavg fraction＋7.6h2oꢀꢀꢀꢀ(7)[0056]式中：kerogen_solid1为干酪根拟组分1，kerogen_solid2为干酪根拟组分2。[0057]步骤3：确定反应热焓和氧化动力学参数取值范围，确定反应热焓和氧化动力学参数的初始值，将初始值赋值给步骤2得到的氧化反应方程；[0058]运用高压差示扫描量热仪(pdsc)开展多升温速率下(4、8、12和16℃/min)页岩油和干酪根氧化实验。并采用等转化率法(如friedman、kas、ofw等)获取低温和高温氧化活化能和频率因子取值范围。[0059]将页岩油和干酪根在低温氧化阶段的热焓分别赋值给式3和式6，以页岩油和干酪根在高温氧化阶段的热焓为范围，初步选取其中一个数并赋值给式5。根据由friedman法所求得的活化能和频率因子取值范围。初步选取一个数，进行赋值。其中，页岩油和干酪根在低温氧化阶段的动力学参数(活化能和频率因子)分别赋值给式3和式6；以页岩油和干酪根在高温氧化阶段的动力学参数为范围，初步选取其中一个数并赋值给式5。轻质组分气相燃烧(式4)的热焓和动力学参数的初始赋值参考现有技术。干酪根裂解反应(式7)动力学参数的初始赋值参考现有技术。[0060]步骤4：对步骤3得到的模型进行模拟，将模拟结果与物理模拟实验结果进行对比；[0061]采用多孔介质热效应监测装置(cn109030558a)开展天然页岩(含油和干酪根)的注空气氧化物理模拟实验。实验装置示意图如图2所示。[0062]实验步骤为：[0063]1)从注入端填入石英砂(段塞长度占石英反应器长度的1/4)；[0064]2)将天然岩心(含油和干酪根)装入到反应器中；[0065]3)用石英砂填充反应器的剩余空间；[0066]4)将光导纤维热传感器的测量端紧贴反应器外壁，并将传感器输出端与模拟信号输入端相连；[0067]5)采用陶瓷加热器对反应器加热，并在反应器注入端注入空气。[0068]加热程序：以10℃/min从常温升至50℃，然后在此温度下恒温10分钟，然后以30℃/min加热至350℃，并开始注入空气进行点火。空气流速设为0.25l/min。记录注空气氧化物理模拟实验过程中反应温度和气相组分变化。[0069]通过cmg-stars油藏模拟器建立天然页岩(含油和干酪根)的注空气氧化物理模拟实验模型。如图3所示，该物理模拟实验由一个三维的笛卡尔坐标系(8×1×1的网格)来进行模拟，网格大小均为1.25cm×2.5cm×2.5cm，最左和最右网格分别代表注入井和生产井。其它条件均设置与该物理模拟实验条件一致。[0070]步骤5：根据物理模拟实验结果调整反应热焓、氧化反应方程化学计量数和动力学参数，直到得到的模拟结果与物理模拟实验结果达到设定的精度值；模拟结束，得到页岩油藏注空气氧化反应动力学模型。[0071]通过不断调整页岩油和干酪根拟组分的氧化反应方程化学计量数、氧化动力学参数和反应热焓完成逐级拟合，使得拟合结果接近实验结果。[0072]图4为温度传播实验曲线和数值模拟曲线，产出气组分实验曲线和数值模拟曲线如图5所示。从图中可以看出模拟曲线与实验得到的曲线接近，表明本发明建立的考虑干酪根氧化的页岩油藏注空气氧化反应动力学模型能够成功模拟出动态注空气过程中天然页岩内的温度和产出气组分变化。[0073]图4中实线为实验曲线(曲线1)，虚线为数值模拟曲线(曲线2)；其中a1和a2为距岩心注入端1/6处，b1和b2为距岩心注入端2/6处，c1和c2为距岩心注入端3/6处，d1和d2为距岩心注入端4/6处，e1和e2为距岩心注入端5/6处。[0074]图5中a曲线为o2体积分数实验曲线和数模曲线(其中实线为实验曲线，虚线为数模曲线，两条线太接近没有进行区别标识)。b曲线为co2体积分数实验曲线和数模曲线(其中实线为实验曲线，虚线为数模曲线，两条线太接近没有进行区别标识)。[0075]本发明提出了一种同时考虑页岩油和干酪根氧化的页岩油藏注空气氧化反应动力学模型，能够用来模拟页岩油藏注空气提高采收率过程中的温度场、气相组分变化，探究氧化热前缘波及机理与调控方法；定义了两种干酪根拟组分，分别参与氧化反应和裂解反应，模拟过程更加准确，模拟结果更加可信。









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