多孔介质中稠油的非线性渗流特征实验与分析

针对多孔介质中稠油的渗流规律及稠油启动压力的测定方法展开研究,利用质量守恒原理及修正的达西定律建立了一维多孔介质中稠油的不稳定渗流压力变化规律数学模型,提出了一种多孔介质中稠油启动压力的不稳定测定方法。在此基础上,利用室内实验完成了3种渗透率及3种原油黏度组合时的稠油启动压力测定;并预测了这几种组合条件下稠油的拐点温度。研究结果表明:同一介质内,随温度增加稠油的启动压力逐渐降低,原油黏度的增大,拐点温度呈指数递增;同一种原油,随渗透率的增大,原油拐点温度逐渐降低。井楼一区III8-9层高温度拐点主要分布于油藏北部以及中部,原油流动能力较差。油藏东部温度拐点相对较低,稠油在地层内的流动能力强。     

海上稠油火烧油层物理模拟实验研究

为探索海上稠油火烧油层开发的可行性,针对渤海稠油油藏开展了火烧油层物理模拟实验。根据石油沥青组分测定法,分析渤海稠油原油组分;通过热失重与扫描量热同步热分析仪测试活化能等高温氧化反应动力学参数;采用一维燃烧管实验模拟评价燃烧稳定性及驱油效果。研究结果表明,渤海稠油组分特征与国内陆上油田相似;稠油高温氧化活化能为157 kJ/mol,与陆上油田相近;油藏火驱前缘推进稳定,燃烧前缘最高温度773 K左右,出口CO₂浓度长期稳定在12%以上,高温氧化燃烧状态良好;火烧驱油效率95.1%,空气油比548 m³/t,驱油效果较好。研究成果为海上稠油油藏火烧油层开发提供技术支持。     

电预热多孔介质燃烧器内柴油燃烧的实验研究

通过建立电预热式多孔介质燃烧实验系统,在不需二次点火情况下,实现了液体燃料的预蒸发自维持燃烧.在确定电预热温度场稳定性基础上,分析了柴油在多孔介质内预蒸发燃烧的火焰特征与温度场变化规律,讨论了当量比和空气流量对燃烧特性的影响.结果表明:电预热系统具有很强的稳定性,维持稳定燃烧所需的最低预热温度约为750℃;实验观察到液体预蒸发燃烧过程中出现了稳定火焰和过滤燃烧火焰两种火焰形态;稳定火焰与气体预混合燃烧火焰类似,火焰区最高温度可达1 140.2℃,过滤燃烧火焰传播速度约为1 m/s;随着空气流量的增加,火焰面向下游移动且燃烧更加完全;当量比对温度分布影响较大,但其对火焰传播的影响相对较小.     

沙砾油层的着火与燃烧特性

通过实验和有关分析研究了火烧油层采油技术中所涉及的多孔介质油层着火与燃烧特性．在进行火烧油层实验的基础上，测得了油层中7个测点的温度变化，利用红外CCD拍摄了4个顺序时刻的辐射图像．结果表明，散热条件及油层的透气性等条件影响了油层的着火和燃烧区域的走向，燃烧区域向保温条件好和透气条件好的方向移动，油层的着火特性与点火器的功率有直接的关系，提高燃烧器功率可以促进着火的成功率．对实验测得的燃烧温度做Hurst指数分析，得出油层燃烧的分数维近似为1，结果表明油层的燃烧不同于流化床燃烧等常规的火焰燃烧，燃烧的紊乱程度明显低于常规的燃烧，其热量传递方式主要以辐射和导热为主，对流作用很少，提高燃烧温度对燃烧的稳定和平稳推进影响很大．     

多孔介质催化燃烧特性的数值分析

采用Deutschman甲烷/空气/铂氧化表面反应机理,气相反应采用GRI3.0机理,基于体积平均的双温度模型,对Pt催化的甲烷/空气在多孔介质燃烧器内的预混燃烧进行一维数值模拟,并与惰性多孔介质内预混燃烧结果进行比较.数值研究结果表明,有催化时,多孔介质内火焰面前移,且随着进口质量流率增大,火焰面前移更明显.催化使得多孔介质内温度分布更均匀,反应区内的最高温度亦低于惰性多孔介质过滤燃烧的最高值.催化剂的引入还可缩小燃烧器尺寸,有效降低污染物的排放.     

双层多孔介质燃烧器表面辐射特性的实验和数值研究

对双层多孔介质燃烧器表面辐射特性进行了实验和数值研究.实验通过改变当量比、预混气质量流量等条件,研究了影响多孔介质燃烧器辐射输出效率的因素;数值模拟采用一维模型和较为详细的化学反应机理,分析了燃烧器内温度分布及辐射通量.实验测得的表面辐射效率在22%左右,同时结果表明,实现贫燃料低流速燃烧可以有效提高表面辐射效率,缩短稳定燃烧区多孔介质也可提高对外辐射效率.     

多孔介质内往复流动燃烧温度分布的实验研究

通过实验研究了多孔介质内往复流动下超绝热燃烧温度分布特性.对各种工况参数下,正反向流动半周期内,超绝热燃烧系统燃烧室内多孔介质轴向温度分布进行了测量.结果表明,不同物理参数条件下,燃烧室内的温度分布在半周期内变化具有不同的特点;一定条件下,燃烧室内有可能产生二维胞室结构热点.     

内置多孔介质Swiss-roll燃烧器的启动和贫燃特性

在常规尺度Swiss-roll燃烧器的中心区填充多孔介质,并对其进行实验研究.通过监测燃烧器的温度和燃烧产物的变化,分析了燃烧器在不同条件下的点火启动过程特性,并得到了燃烧器的贫燃极限.结果表明:相比于在入口处点火,在中心区点火启动时达到充分燃烧的时间更短,多孔介质的温度分布更均匀;多孔介质材料性质和预混气流量对启动特性影响很大;在中心区温度为950～1200K时,可处理1.3%的天然气/空气预混气.说明该燃烧器能显著拓展燃料的贫燃极限,对低热值气体具有良好的适用性.     

基于多孔介质模型的低质燃气燃烧排放特性数值模拟

为了研究多孔介质体应用于锅炉设备中的燃烧排放特性,根据多孔介质燃烧理论,建立了甲烷/二氧化碳(1∶4)预混低质燃气在2.8 MW的热水锅炉中燃烧的单步反应模型。通过Fluent软件进行数值模拟,对比分析了多孔介质体的材料、安装位置及孔隙率对燃烧特性的影响,得出了燃烧温度分布以及燃烧排放物分布变化云图。研究结果表明,多孔介质材料选为碳化硅、孔隙率选为0.5、多孔介质体安装在800mm处,更有利于锅炉的燃烧。     

CO_2在原油中的扩散规律及变扩散系数计算方法

通过室内实验与理论计算相结合建立CO_2在体相及多孔介质中变扩散系数的计算模型,得到不同黏度原油在多孔介质中的变扩散系数,并结合文献中的常扩散系数计算模型,利用MATLAB进行数据拟合与编程,对比分析两种计算方法下的平均扩散系数以及CO_2在溶液中的传质扩散行为。结果表明:原油黏度越大,扩散系数越小,扩散平衡时间越长;采用变扩散系数可以更好地解释扩散过程中的非稳定阶段与稳定阶段,其扩散行为更符合实际条件下的扩散规律。     

预混合燃烧系统中多孔介质作用数值研究

根据气固两相局部非热平衡假设,建立了混合气在惰性多孔介质中预混合燃烧的一维数学模型,研究了不同情况下甲烷-空气的预混合气在多孔介质中燃烧时的温度分布和燃烧速率,并与自由空间中相应的值进行比较．结果表明,多孔介质的存在可以扩展混合气的燃烧极限,明显改善了燃烧室的换热性能,强化了对新鲜混合气的预热,降低了热量损失;在多孔介质中混合气的燃烧温度和燃烧室的温度明显升高,反应区厚度和燃烧速率显著增大．数值结果与其他研究者的实验结果是一致的．     

稠油火驱低温氧化原油与尾气变化规律

为了深入认识稠油火驱开发低温氧化阶段的原油与尾气变化特征,利用反应釜开展了不同温度条件下的低温氧化实验,进行了原油物性、族组分、官能团、色谱指纹、同位素以及尾气组分等方面的研究.研究表明:①稠油在火驱低温氧化阶段以加氧反应为主,并伴随少量的裂解反应;②稠油在200℃以下低温氧化阶段原油物性变差,在200℃时黏度、密度达到最大值,之后随着温度升高又逐渐降低,这主要受原油中非烃、沥青质以及氧元素含量影响;③由于裂解程度低,原油与族组分的碳同位素没有发生明显的同位素分馏现象;④尾气数据表明稠油火驱低温氧化过程中生成了醛、酮、醇或羧酸等含氧化合物.该研究探索了稠油火驱低温氧化过程中原油与尾气的变化规律,并计算出了不同温度下稠油低温氧化反应方程.     

随机堆积床内甲烷/空气预混燃烧过程的数值模拟

通过离散元软件LIGGGHTS重现球体的重力堆积过程,建立三维随机堆积床几何模型.利用大涡方法结合双温度模型以及EBU-Arrhenius燃烧模型,模拟了甲烷/空气预混气体在堆积床内预混合燃烧过程.通过将模拟结果与实验数据对比验证了模型的有效性,在此基础上对随机堆积床内部的火焰分布结构、火焰面形状及温度分布规律等进行了分析.模拟结果表明:在燃烧后期,堆积床内的小球温度要高于同一高度上气体的温度,这体现了多孔介质良好的蓄热能力;壁面与轴线间的火焰面高度差远远小于无多孔介质的管内燃烧情况,表明随机堆积床可以通过分割火焰来提高燃烧的均匀性和稳定性.     

多孔介质中蜡沉积规律的实验研究

多孔介质的本身及原油流动特征的复杂性,决定了研究含蜡原油在多孔介质中的蜡沉积规律的困难性。与地面管流状态下蜡沉积规律的实验方法不同,从满足油藏应用出发,结合油层物理理论,提出了等效毛细管的概念,利用天然岩心的油-油驱替实验结果,计算得到高含蜡原油在多孔介质中蜡沉积量、沉积速度等相关参数,实现了多孔介质中的蜡沉积规律的定量化表征。结果表明多孔介质中的蜡沉积量与岩心渗透率的降低比存在较好的线性关系,且随着原油注入PV数的增加,蜡的累计沉积量逐渐趋于稳定。而温度越低,蜡的沉积速度越快,对储层的伤害出现的时间越早,最终的损害程度也最大。     

多孔介质内预混气体燃烧稳定操作范围的研究

为优化多孔介质燃烧器设计,考察了多孔介质的物性参数对稳定燃烧速度极限的影响.建立了甲烷/空气预混气体在多孔介质内燃烧的二维数学模型,在FLUENT软件中加入自定义编程,用求解瞬态控制方程的方法对多孔介质内的稳定燃烧进行计算,考察了当量比、多孔介质的辐射衰减系数及导热系数对速度极限的影响.结果表明,当量比从0.55增加到0.9时,速度的最小和最大极限值有明显增加,稳定燃烧的最大与最小速度极限差从0.12增加到0.72;与参考算例相比,当下游区域导热系数增加5倍而上游导热系数保持不变时,稳定燃烧最大与最小速度极限差增加到0.47;上游多孔介质的辐射衰减系数增加而下游辐射衰减系数保持不变,可以达到相对最大的稳定操作范围.     

多孔介质内气/液燃料过滤燃烧的试验

摘要： 研究了小球自由堆积型多孔介质内丙烷/空气混合气的低速过滤燃烧过程,分析了燃烧室内温度、燃烧波传播速度和排放特性,以及当量比、入口气体速度等参数对过滤燃烧与排放特性的影响;实现了常压下柴油在多孔介质内的预蒸发自维持过滤燃烧,并研究了液体燃料过滤燃烧的温度特性.结果表明：在燃烧的不同阶段,预混合气燃烧波的传播速度与燃烧室内高温区域的范围差别较大;随着当量比增加,燃烧波的平均传播速度降低,燃烧温度升高,排放量增加;随着入口气体速度增大,燃烧波的传播速度增大,排放量降低;液体燃料过滤燃烧的最高温度低于气体燃料的最高温度,且燃烧器的中心温度与壁面温度差异较大.     

基于随机孔模型下的单颗粒多孔焦炭富氧燃烧特性

针对多孔焦炭颗粒富氧气氛中燃烧时,反应气体在颗粒孔结构中的扩散传质,内外表面上氧化还原的化学反应,孔隙结构变化等这些过程的分析,建立了以改进的随机孔模型为基础的物理和数学模型。研究了在不同浓度、温度下焦炭颗粒燃烧时,孔内化学反应速率、反应气体内扩散浓度和颗粒转化率等参数随内径的变化特性。结果表明,在研究工况的过渡控制区(1 200 K),氧化反应速率比还原反应速率高达3个数量级,随着氧浓度的增加,颗粒内部转化率变化率的拐点内移。     

微型热光电系统中分层多孔介质燃烧特性

采用多孔介质燃烧技术的微型燃烧器能明显改善燃烧过程,影响多孔介质燃烧的因素主要体现在孔隙率的变化上。通过试验分析了微型燃烧器内多孔介质燃烧的燃烧状态,探讨了分层多孔介质对微型燃烧器外壁面温度的影响,为微型燃烧器内部填充变孔隙率的多孔介质的应用提供了试验支持。     

基于随机孔模型的单颗粒多孔焦炭富氧燃烧特性

针对多孔焦炭颗粒富氧气氛中燃烧时,反应气体在颗粒孔结构中的扩散传质,内外表面上氧化还原的化学反应,孔隙结构变化等这些过程的分析,建立了以改进的随机孔模型为基础的物理和数学模型。研究了在不同浓度、温度下焦炭颗粒燃烧时,孔内化学反应速率、反应气体内扩散浓度和颗粒转化率等参数随内径的变化特性。结果表明,在研究工况的过渡控制区(1 200 K),氧化反应速率比还原反应速率高达3个数量级,随着氧浓度的增加,颗粒内部转化率变化率的拐点内移。     

含油多孔介质热气流点火临界着火温度的理论研究

基于经典点火理论中的“零值梯度法” ,建立了含油多孔介质在采用热气流点火时临界着火温度的数学模型 ,并利用所得模型定性分析了一些主要因素对临界着火温度的影响。分析结果表明 ,增加热气流流量、比热及指数前因子、油层孔隙度、油密度、油饱和度、氧分压、反应级数和氧分子燃烧产生的反应热等参数值均会使临界着火温度降低 ,多孔介质中燃料活化能的增加则会使临界着火温度升高。