CN105445444A - 注空气采油过程中焦炭生成及理化性质研究的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种注空气采油过程中焦炭生成及理化性质研究的装置及方法，该注空气采油过程中焦炭生成及理化性质研究的装置包括：模型系统，包括加热炉和模型，模型设在加热炉内，模型能模拟油藏多孔介质环境；注气系统，与模型入口连接，注气系统向模型注入气体；产出系统，与模型出口连接，产出系统用于产出并处理模型内的高温流体；数据采集系统，采集注气系统和模型系统的数据信号。本发明能模拟油藏多孔介质环境和高温、高压、可控气氛条件，产物焦炭连续均匀，数量容易富集，可用红外光谱ATR、拉曼光谱Raman、X射线衍射XRD、扫描电子显微镜SEM等进行原位、可重复性表征，最终为认识注空气采油复杂反应原理和建立高温氧化反应模型提供理论基础。

Description

注空气采油过程中焦炭生成及理化性质研究的装置及方法

技术领域

本发明涉及油田开发试验领域，具体是一种注空气采油过程中焦炭生成及理化性质研究的装置及方法。

背景技术

油田开发物理模拟是提高采收率新技术、新方法研发的重要手段。近年来，随着常规原油的日益枯竭，原油资源中最主要的低品质储量和边际储量——稠油(统指普通稠油/沥青/油砂等油藏)成为未来最重要的接替能源之一。由于稠油高粘的特点，在地层原始温度下难以流动，常采用热力开采的方式，其中注空气采油是一项极具潜力的采油技术,因具有高采收率、较强的油藏适应性、绿色环保等优势，已成为全球研究热点。注空气采油原理复杂，对油田开发实验提出了新要求。

注空气采油是将高压含氧气体注入到地层，与原油发生一系列的化学反应，原位形成高温燃烧前缘，下游的原油被燃烧前缘生成的热量加热降粘、蒸馏，被驱替到生产井中,该技术典型代表为火烧油层、从端部到跟部注空气(THAI)技术。燃烧前缘的燃料是稠油中未被驱替的重质成分反应形成的焦炭，焦炭的性质影响燃烧前缘放热速率，是重要中间产物。由于稠油中烃类和非烃类化合物繁多，在油藏多孔介质及高温高压等复杂环境下，注空气采油过程燃料(焦炭)生成的过程发生了大量复杂的化学反应，包括热裂解和非均相(即反应只发生在气液界面上)低温氧化两类反应，油藏中多孔结构的高比表面积的特性强化了非均相低温氧化反应，促进焦炭的生成，改变焦炭性质。在反应影响因素上，油层中稠油性质、反应气氛、温度和压力等因素都显著影响了焦炭的反应性质。针对注空气采油过程中生成焦炭的物理化学性质表征，可以用于解释各反应因素对焦炭反应性质影响规律，并为氧化动力学模拟提供理论基础，具有重要意义。实验中通常以物理模拟模型代表油藏内某一典型单元，模拟油藏内的条件来认识相关的重要物理化学过程，获得相应产物，并辅助相关仪器分析产物性质和数量。其中，焦炭的物理化学性质如表面官能团和微晶结构，常采用红外光谱ATR、拉曼光谱Raman、X射线衍射XRD、扫描电子显微镜SEM等分析方法定量表征。因此，利用室内物理模拟装置研究不同反应因素对烧油层过程中生成焦炭的物理化学性质的影响规律，该装置应具备以下功能：

1)模拟注空气采油中焦炭生成所经历的重要化学过程所需的反应条件：能够实现模拟油藏多孔介质环境和高温、高压、可控气氛条件(800℃/20MPa/不同比例N₂：O₂)。

2)获得的产物焦炭应连续均匀，数量容易富集，可以利用红外光谱ATR、拉曼光谱Raman、X射线衍射XRD、扫描电子显微镜SEM等分析方法原位、可重复性表征。

现有技术中常用的技术方案如下：

现有技术一的技术方案：热重分析仪。热重分析仪通常有注气系统、模型系统、数据采集系统组成。文献：1)唐君实,关文龙,梁金中,等.热重分析仪求取稠油高温氧化动力学参数[J].石油学报,2013,34(4):775-779.2)FanC,ZanC,ZhangQ,ShiL,HaoQS,JiangH,WeiF,Airinjectionforenhancedoilrecovery:Insitumonitoringthelow-temperatureoxidationofoilthroughthermogravimetry/differentialscanningcalorimetryandpressuredifferentialscanningcalorimetry.IndEngChemRes,2015,54(26):6634-6640。

现有技术一的缺点：热重分析仪通常不能模拟油藏多孔介质环境和高压条件。

现有技术二的技术方案：火驱动力学反应器或燃烧管实验装置。现有的火驱动力学反应器或燃烧管实验装置通常有注气系统、模型系统、产出系统、数据采集系统组成。文献：1)KovscekA,CastanierLM,GerritsenM.ImprovedPredictabilityofIn-Situ-CombustionEnhancedOilRecovery[J].SPEReservoirEvaluation&Engineering,2013,16(02):172-182.2)CinarM,CastanierLM,KovscekAR.Combustionkineticsofheavyoilsinporousmedia[J].Energy&Fuels,2011,25(10):4438-4451。

现有技术二的缺点：这类模型系统内常填充油砂，在一定的反应条件下，焦炭形成并分布在砂颗粒表面和孔喉。但是细颗粒表面微量且不均匀分布的焦炭无法利用红外傅里叶分析方法表征焦炭的表面官能团。

综上所述，现有的油田开发实验方法与装置还无法同时满足模拟油藏反应条件，获得连续均匀，数量容易富集的产物焦炭，并实现对焦炭物化性质的原位、可重复性表征。

发明内容

为了克服现有的注空气采油过程中焦炭生成及理化性质研究的装置无法同时模拟油藏反应条件并获得连续均匀，数量容易富集的产物焦炭的不足，本发明提供了一种注空气采油过程中焦炭生成及理化性质研究的装置及方法，以达到同时模拟油藏反应条件并获得连续均匀，数量容易富集的产物焦炭，并实现对焦炭物化性质的原位、可重复性表征。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种注空气采油过程中焦炭生成及理化性质研究的装置，注空气采油过程中焦炭生成及理化性质研究的装置包括：模型系统，包括加热炉和模型，模型设置在加热炉内，模型能够模拟油藏多孔介质环境；注气系统，与模型的入口连接，该注气系统用于向模型注入实验气体；产出系统，与模型的出口连接，该产出系统用于产出并处理模型内的高温流体；数据采集系统，用于采集该注气系统和模型系统的数据信号。

进一步地，该注气系统包括高压氧气源、高压氮气源和气体混气罐，高压氧气源和高压氮气源均与气体混气罐的入口连通，高压氧气源和高压氮气源相对于气体混气罐的入口并联设置，模型的入口与气体混气罐的出口连通。

进一步地，气体混气罐的出口与模型的入口之间设置有连接管路，该连接管路外设置有伴热组件，该伴热组件能够对连接管路中的气体进行预热。

进一步地，模型包括：预热段，预热段为筒形，预热段包括预热段入口、预热段出口和第一内腔，预热段入口和该预热段出口均与第一内腔连通，预热段入口为模型的入口，第一内腔内固定有金属粉末经过烧结形成的多孔介质；反应试件托架段，反应试件托架段为一端封闭的筒形，反应试件托架段的开口端密封插接于该预热段出口内，该反应试件托件段内部设置有第二内腔，第二内腔内也固定有金属粉末经过烧结形成的多孔介质，反应试件托架段的开口端设置有多个用于放置反应试件的试件槽，反应试件托架段的封闭端设置有出气管，出气管为模型的出口。

进一步地，预热段入口设置于预热段一端的侧壁内，该预热段出口位于预热段的另一端，预热段的出口端内壁面与反应试件托架段的封闭端配合面分别设置有锥形密封面，预热段出口端端面和反应试件托架段封闭端端面通过法兰连接紧固。进一步地，模型还包括热电偶套管，该热电偶套管沿该预热段的轴向设置，并且该热电偶套管的一端置于该预热段的内部，该热电偶套管的另一端置于该预热段的外部。

进一步地，该产出系统包括油气分离器、酸性气体处理罐和热交换器，油气分离器的入口与模型的出口连接，油气分离器的出口与酸性气体处理罐连接；热交换器与油气分离器连接，并且热交换器能够对油气分离器中的高温流体进行冷却。

进一步地，该数据采集系统包括：数据采集装置和数据处理装置；第一压力传感器，设置在模型的入口处并与数据采集装置连接，该第一压力传感器能够检测模型的入口气体压力；第二压力传感器，设置在模型的出口处并与数据采集装置连接，该第二压力传感器能够检测模型的出口气体压力。

进一步地，该数据采集系统还包括：第一温度传感器组，设置在模型的入口处并与数据采集装置连接，该第一温度传感器组能够检测模型的进口气体温度；第二温度传感器组，设置在模型的外壁处并与数据采集装置连接，该第二温度传感器组能够检测模型的外壁面温度；第三温度传感器组，设置在模型的内部并与数据采集装置连接，该第三温度传感器组能够检测模型的中心温度。

进一步地，该数据采集系统还包括质量流量计组，该质量流量计组与该注气系统连接，并且该质量流量计组还与数据采集装置通过电缆连接，该质量流量计组能够测量和控制该注气系统的气体流量。

本发明还提供了一种注空气采油过程中焦炭生成及理化性质研究的方法，注空气采油过程中焦炭生成及理化性质研究的方法包括以下步骤：步骤1、反应试件制作；步骤2、设置上述注空气采油过程中焦炭生成及理化性质研究的装置的背压；步骤3、选择反应气氛；步骤4、对模型加压；步骤5、对模型加热；步骤6、在设定时间内进行反应过程模拟；步骤7、模型降压冷却并分析产物的物化性质表征。

本发明的有益效果是，能够实现模拟油藏多孔介质环境和高温、高压、可控气氛条件，获得的产物焦炭连续均匀，数量容易富集，可以利用红外光谱ATR、拉曼光谱Raman、X射线衍射XRD、扫描电子显微镜SEM等分析方法原位、可重复性表征，最终为认识注空气采油复杂反应原理和建立高温氧化反应模型提供基础。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明注空气采油过程中焦炭生成及理化性质研究的装置实施例的结构示意图；

图2为图1中模型的剖视结构示意图；

图3为图1中模型的三维结构示意图。

图中附图标记：11、高压氧气源；12、高压氮气源；13、气体混气罐；21、加热炉；22、模型；221、热电偶套管；222、预热段；223、反应试件托架段；222a、预热段入口；222b、第一内腔；223a、第二内腔；223b、试件槽；223c、出气管；224、反应试件托架；225、法兰；31、油气分离器；32、酸性气体处理罐；33、热交换器；34、气体排出装置；41、数据采集装置；42、数据处理装置；101、第一压力表；102、第二压力表；103、第三压力表；104、第四压力表；105、第五压力表；106、第六压力表；107、第七压力表；108、第八压力表；201、第一气体过滤器；202、第二气体过滤器；203、第三气体过滤器；301、第一球阀；302、第二球阀；303、第三球阀；304、第四球阀；305、第五球阀；306、第六球阀；307、第七球阀；308、第八球阀；401、第一减压阀；402、第二减压阀；501、第一针阀；502、第二针阀；503、第三针阀；601、第一质量流量计；602、第二质量流量计；701、第一单向阀；702、第二单向阀；703、第三单向阀；801、第一温度传感器；802、第二温度传感器；803、第三温度传感器；804、第四温度传感器；805、第五温度传感器；806、第六温度传感器；807、第七温度传感器；901、电动阀；902、第一压力传感器；903、第二压力传感器；904、背压阀。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

如图1至图3所示，本发明实施例提供了一种注空气采油过程中焦炭生成及理化性质研究的装置，该注空气采油过程中焦炭生成及理化性质研究的装置包括模型系统、注气系统、产出系统和数据采集系统。模型系统包括加热炉21和模型22，模型22设置在加热炉21内，模型22能够模拟油藏多孔介质环境。注气系统与模型22的入口连接，该注气系统用于向模型22注入实验气体。产出系统与模型22的出口连接，该产出系统用于产出并处理模型22内的高温流体。数据采集系统用于采集该注气系统和模型系统的数据信号。

本发明实施例中的注空气采油过程中焦炭生成及理化性质研究的装置能够实现模拟油藏多孔介质环境和高温、高压、可控气氛条件，获得的产物焦炭连续均匀，数量容易富集，可以利用红外光谱ATR、拉曼光谱Raman、X射线衍射XRD、扫描电子显微镜SEM等分析方法开展原位、可重复性表征，最终为认识注空气采油复杂反应原理和建立高温氧化反应模型提供理论基础。

该注气系统包括高压氧气源11、高压氮气源12和气体混气罐13。高压氧气源11通过第一连接管路与气体混气罐13的入口连接，在该第一连接管路上包括依次串联设置的第一气体过滤器201、第一球阀301、第一减压阀401、第二球阀302、第三球阀303和第一单向阀701。在高压氧气源11与第一气体过滤器201之间设置有第一压力表101，在第一球阀301和第一减压阀401之间设置有第二压力表102，在第一减压阀401和第二球阀302之间设置有第三压力表103。在第二球阀302处并联设置有第一针阀501。

相同的，高压氮气源12通过第二连接管路与气体混气罐13的入口连接，并且高压氧气源11和高压氮气源12并联设置。该第二连接管路包括依次串联设置的第二气体过滤器202、第四球阀304、第二减压阀402、第五球阀305、第六球阀306和第二单向阀702。在高压氮气源12与第二气体过滤器202之间设置有第四压力表104，在第四球阀304与第二减压阀402之间设置有第五压力表105，在第二减压阀402与第五球阀305之间设置有第六压力表106，在第五球阀305处并联设置有第二针阀502。

本发明实施例中的气体混气罐13的出口与模型22的入口之间设置有第三连接管路，在该第三连接管路上依次串联设置有第三气体过滤器203、第七球阀307、电动阀901和第三单向阀703。在该第三单向阀703与模型组件之间的第三管路外缠绕有伴热组件，该伴热组件能够对连接管路中的气体进行预热且预热温度能够达到200℃。在伴热组件与模型22的入口管线上设置有第七压力表107。需要说明的是，本发明实施例中的伴热组件为伴热带。

如图2和图3所示，本发明实施模型22包括预热段222和反应试件托架段223。预热段222为筒形，预热段222包括预热段入口222a、预热段出口和第一内腔222b。预热段入口222a和该预热段出口均与第一内腔222b连通，预热段入口222a为模型22的入口，第一内腔222b内固定有金属粉末经过烧结形成的多孔介质。反应试件托架段223为一端封闭的筒形，反应试件托架段223的开口端密封插接于该预热段出口内，该反应试件托件段内部设置有第二内腔223a，第二内腔223a内也固定有金属粉末经过烧结形成的多孔介质。反应试件托架段223的开口端设置有多个用于放置反应试件的试件槽223b，反应试件托架段223的封闭端设置有出气管223c，出气管223c为模型22的出口。

预热段入口222a设置于预热段222一端的侧壁内，该预热段出口位于预热段222的另一端。反应试件托架段223和预热段222通过法兰225连接，预热段222的出口端设有与反应试件托架段223的封闭端密封连接的锥形密封面，如图2所示。

模型22还包括热电偶套管221，该热电偶套管沿该预热段的轴向设置，并且该热电偶套管的一端置于该预热段的内部，热电偶套管外壁面与预热段第一内腔内的烧结金属粉末熔合，形成面接触，该热电偶套管的另一端置于该预热段的外部。

需要说明的是，本发明实施例中的模型22为多孔介质反应器。该模型22能够模拟油藏多孔介质环境。模型22的内径为25mm，外径41mm，总长度为165mm，最高耐压为20MPa，最高耐温为800℃，能够提供油藏中高温高压反应条件。模型22是采用不锈钢管和填充在管内的金属粉末整体高温烧结工艺而形成多孔介质。其中，不锈钢内壁与金属粉末熔合，形成面接触，能够抑制边壁缝隙引起的窜流。模型为预热段222(长113mm)和反应试件托架段223(长53mm)，皆填充上述工艺制作的多孔介质。反应试件托架段223。试件槽223b为四个，每个试件槽223b的直径均为5mm、深为1.5mm。

多孔介质能够在恒温或线性升温条件下，强化进入模型22内的气体换热能力，并起到整流效果，实现试件槽223b处的气体温度达到实时设定温度。气体平稳流经试件槽内的反应试件参与化学反应，并由试件下方的多孔介质流出模型22。模型22的固定连接处采用焊接密封，可拆卸的反应试件托架224与预热段222的外侧壁采用机械锥面密封。加热炉21具备加热和保温功能，最高加热温度为800℃，具有恒温和线性升温两种加热模式。

如图1所示，本发明实施例中的该产出系统包括油气分离器31、酸性气体处理罐32、热交换器33和气体排出装置34。油气分离器31的入口与模型22的出口连接，油气分离器31的出口与酸性气体处理罐32的入口连接，酸性气体处理罐32的出口与气体排出装置34连接。热交换器33与油气分离器31连接，并且热交换器33能够对油气分离器31中的高温流体进行冷却。

在油气分离器31与气体排出装置34之间的第四连接管路上依次串接设置有第八球阀308、背压阀904和第三针阀503。在第八球阀308与背压阀904之间设置有第八压力表108。油气分离器31能够对模型22产出的气体进行气液分离，上述热交换器33中的冷却水用于冷却流入油气分离器31的高温流体。经过冷却的高温流体进入到酸性气体处理罐32后被气体排出系统34排出。

如图1所示，该数据采集系统包括数据采集装置41、数据处理装置42、压力传感器组、温度传感器组和质量流量计组。其中，压力传感器组包括第一压力传感器902和第二压力传感器903。第一压力传感器902设置在模型22的入口处并与数据采集装置41连接，该第一压力传感器902能够检测模型22的入口气体压力。第二压力传感器903设置在模型22的出口处并与数据采集装置41连接，该第二压力传感器903能够检测模型22的出口气体压力。本发明实施例中的第一压力传感器902位于伴热组件与第七压力表107之间。第二压力传感器903位于油气分离器31与数据采集装置41之间。

进一步地，该温度传感器组包括第一温度传感器组、第二温度传感器组和第三温度传感器组。第一温度传感器组设置在模型22的入口处并与数据采集装置41连接，该第一温度传感器组能够检测模型22的进口气体温度。第二温度传感器组设置在模型22的外壁处并与数据采集装置41连接，该第二温度传感器组能够检测模型22的外壁面温度。第三温度传感器组设置在模型22的内部并与数据采集装置41连接，该第三温度传感器组能够检测模型22的中心温度。

具体地，第一温度传感器组为第一温度传感器801，设置在伴热组件与第一压力传感器902之间。第二温度传感器组包括第二温度传感器802、第三温度传感器803、第四温度传感器804。上述第二温度传感器802、第三温度传感器803、第四温度传感器804与模型22的外壁连接，并用于测量模型22的外壁温度。上述第三温度传感器组包括第五温度传感器805、第六温度传感器806和第七温度传感器807。上述第五温度传感器805、第六温度传感器806和第七温度传感器807放置在热电偶套管221内部，并用于检测模型22中心温度。

进一步地，该质量流量计组包括第一质量流量计601和第二质量流量计602。该第一质量流量计601设置在第二球阀302与第三球阀303之间，并且该第一质量流量计601用于测量和控制第一连接管路中的气体流量。第二质量流量计602设置在第五球阀305与第六球阀306之间，该第二质量流量计602用于测量和控制第二连接管路中的气体流量。

上述温度传感器组、压力传感器组和质量流量计组均通过电缆将模拟信号输入到数据采集装置41中收集和处理，并在数据处理装置42中显示和储存。本发明实施例中的数据处理装置为计算机。

本发明实施例还提供了一种用于注空气采油过程中焦炭生成及理化性质研究的方法，该用于注空气采油过程中焦炭生成及理化性质研究的方法采用上述注空气采油过程中焦炭生成及理化性质研究的装置进行，该方法包括以下步骤：

步骤1、反应试件制作。步骤2、设置背压。步骤3、选择反应气氛。步骤4、对模型22加压。步骤5、对模型22加热。步骤6、在设定时间内进行反应过程模拟。步骤7、模型22降压冷却并分析产物的物化性质表征。

需要说明的是，在该步骤1中，反应试件制作是利用高速旋转匀胶机在石英或某类金属氧化物基片的抛光表面形成um级别厚度的油膜，用平面基底上的油膜模拟多孔介质中球状细颗粒表面上的油膜，聚焦多孔介质高比表面积对非均相化学反应的影响。

在步骤2中，设置背压是指将注空气采油过程中焦炭生成及理化性质研究的装置中的背压设置在设定数值。

在步骤3中，反应气氛选择是控制高压氮气注气支路和高压氧气注气支路的气体流量，形成不同氧含量的反应气氛。

在步骤4和步骤5中，模型加压的目是模拟油藏中地层压力条件，模型加热的目的是模拟油藏中地层温度条件。本发明实施例中注空气采油过程中焦炭生成及理化性质研究的装置最高可模拟油藏压力20MPa，最高模拟温度800℃。

在步骤6中，反应过程模拟是模拟注空气采油过程中焦炭生成所经历的重要化学过程。设置恒温或者线性升温的加热模式，在一定的气体流量、反应气氛和模型压力下，气体进入多孔介质反应器内，经过预热段预热达到实时设定温度，整流后流经反应试件表面的油膜，在气液界面上发生氧气参与的非均相低温氧化反应，以及热解反应。在一定的反应时间后，在反应试件表面的稠油生成一定性质的焦炭，形成um级别厚度的焦炭层。可以变化稠油种类、反应气氛、温度、压力和反应时间等反应因素，可研究不同因素对焦炭性质的影响。

在步骤7中，分析产物的物化性质是指对连续均匀的产物焦炭层利用红外光谱ATR、拉曼光谱Raman、X射线衍射XRD、扫描电子显微镜SEM等分析方法对基片表面的焦炭层直接开展原位、可重复性的物化性质的表征，获得一定反应因素下焦炭的表面官能团和微晶结构等物理化学性质。

应用本发明实施例中的用于注空气采油过程中焦炭生成及理化性质研究的方法研究恒温450℃、5MPa、氮气氛围、5SLPH、反应5h后的焦炭物理化学性质。步骤如下：

步骤1、旋转匀胶机制作反应试件，油膜厚度约10um。步骤2、背压设置为5MPa。步骤3、选择高压氮气源注气，加压完成后，控制流速为5SLPH。步骤4、模型快速加热到450℃。步骤5、反应过程模拟，反应5h。步骤6、模型降压冷却。步骤7、利用红外光谱ATR、拉曼光谱Raman、X射线衍射XRD、扫描电子显微镜SEM等方法分析焦炭的表面官能团和微晶结构。

应用本发明实施例中的用于注空气采油过程中焦炭生成及理化性质研究的方法研究恒温280℃、5MPa、空气氛围、5SLPH、反应5h后的焦炭物理化学性质。实验步骤如下：步骤1、旋转匀胶机制作反应试件，油膜厚度约10um。步骤2、背压设置为5MPa。步骤3、选择高压氧气源注气，加压完成后，控制流速为5SLPH。步骤4、模型快速加热到280℃。步骤5、反应过程模拟，反应5h。步骤6、模型降压冷却。步骤7、利用红外光谱ATR、拉曼光谱Raman、X射线衍射XRD、扫描电子显微镜SEM等方法分析焦炭的表面官能团和微晶结构。

应用本发明实施例中的用于注空气采油过程中焦炭生成及理化性质研究的方法研究程序升温1℃/min、终止温度280℃、8MPa、空气氛围、5SLPH、反应5h后的焦炭物理化学性质。实验步骤如下：步骤1、旋转匀胶机制作反应试件，油膜厚度约10um。步骤2、背压设置为8MPa。步骤3、控制高压氮气源以3.95SLPH速率注气，控制高压氧气源以1.05SLPH速率注气。步骤4、加压完成后，模型以1℃/min升温加热到280℃。步骤5、反应5h。步骤6、模型降压冷却。步骤7、利用红外光谱ATR、拉曼光谱Raman、X射线衍射XRD、扫描电子显微镜SEM等方法分析焦炭的表面官能团和微晶结构。

从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：本发明实施例中的注空气采油过程中焦炭生成及理化性质研究的装置能够实现模拟油藏多孔介质环境和高温、高压、可控气氛条件，获得的产物焦炭连续均匀，数量容易富集，可以利用红外光谱ATR、拉曼光谱Raman、X射线衍射XRD、扫描电子显微镜SEM等分析方法开展原位、可重复性表征，最终为认识注空气采油复杂反应原理和建立高温氧化反应模型提供理论基础。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种注空气采油过程中焦炭生成及理化性质研究的装置，其特征在于，所述注空气采油过程中焦炭生成及理化性质研究的装置包括：

模型系统，包括加热炉(21)和模型(22)，模型(22)设置在加热炉(21)内，模型(22)能够模拟油藏多孔介质环境；

注气系统，与模型(22)的入口连接，该注气系统用于向模型(22)注入实验气体；

产出系统，与模型(22)的出口连接，该产出系统用于产出并处理模型(22)内的高温流体；

数据采集系统，用于采集该注气系统和模型系统的数据信号。

2.根据权利要求1所述的注空气采油过程中焦炭生成及理化性质研究的装置，其特征在于，该注气系统包括高压氧气源(11)、高压氮气源(12)和气体混气罐(13)，高压氧气源(11)和高压氮气源(12)分别与气体混气罐(13)的入口连通，高压氧气源(11)和高压氮气源(12)相对于气体混气罐(13)的入口并联设置，模型(22)的入口与气体混气罐(13)的出口连通。

3.根据权利要求2所述的注空气采油过程中焦炭生成及理化性质研究的装置，其特征在于，气体混气罐(13)的出口与模型(22)的入口之间设置有连接管路，该连接管路外设置有伴热组件，该伴热组件能够对连接管路中的气体进行预热。

4.根据权利要求1所述的注空气采油过程中焦炭生成及理化性质研究的装置，其特征在于，模型(22)包括：

预热段(222)，预热段(222)为筒形，预热段(222)包括预热段入口(222a)、预热段出口和第一内腔(222b)，预热段入口(222a)和该预热段出口均与第一内腔(222b)连通，预热段入口(222a)为模型(22)的入口，第一内腔(222b)内固定有金属粉末经过烧结形成的多孔介质；

反应试件托架段(223)，反应试件托架段(223)为一端封闭的筒形，反应试件托架段(223)的开口端密封插接于该预热段出口内，该反应试件托件段内部设置有第二内腔(223a)，第二内腔(223a)内也固定有金属粉末经过烧结形成的多孔介质，反应试件托架段(223)的开口端设置有多个用于放置反应试件的试件槽(223b)，反应试件托架段(223)的封闭端设置有出气管(223c)，出气管(223c)为模型(22)的出口。

5.根据权利要求4所述的注空气采油过程中焦炭生成及理化性质研究的装置，其特征在于，预热段入口(222a)设置于预热段(222)一端的侧壁内，该预热段出口位于预热段(222)的另一端，预热段(222)的出口端的内壁面与反应试件托架段(223)的封闭端的配合面分别设置有锥形密封面，预热段(222)出口端的端面和反应试件托架段(223)封闭端的端面通过法兰(225)连接紧固。

6.根据权利要求4所述的注空气采油过程中焦炭生成及理化性质研究的装置，其特征在于，模型(22)还包括热电偶套管(221)，该热电偶套管沿该预热段的轴向设置，并且该热电偶套管的一端置于该预热段的内部，该热电偶套管的另一端置于该预热段的外部。

7.根据权利要求1所述的注空气采油过程中焦炭生成及理化性质研究的装置，其特征在于，该产出系统包括油气分离器(31)、酸性气体处理罐(32)和热交换器(33)，油气分离器(31)的入口与模型(22)的出口连接，油气分离器(31)的出口与酸性气体处理罐(32)连接；热交换器(33)与油气分离器(31)连接，并且热交换器(33)能够对油气分离器(31)中的高温流体进行冷却。

8.根据权利要求1所述的注空气采油过程中焦炭生成及理化性质研究的装置，其特征在于，该数据采集系统包括：

数据采集装置(41)和数据处理装置(42)；

第一压力传感器(901)，设置在模型(22)的入口处并与数据采集装置(41)连接，该第一压力传感器(901)能够检测模型(22)的入口气体压力；

第二压力传感器(902)，设置在模型(22)的出口处并与数据采集装置(41)连接，该第二压力传感器(902)能够检测模型(22)的出口气体压力。

9.根据权利要求8所述的注空气采油过程中焦炭生成及理化性质研究的装置，其特征在于，该数据采集系统还包括：

第一温度传感器组，设置在模型(22)的入口处并与数据采集装置(41)连接，该第一温度传感器组能够检测模型(22)的进口气体温度；

第二温度传感器组，设置在模型(22)的外壁处并与数据采集装置(41)连接，该第二温度传感器组能够检测模型(22)的外壁面温度；

第三温度传感器组，设置在模型(22)的内部并与数据采集装置(41)连接，该第三温度传感器组能够检测模型(22)的中心温度。

10.根据权利要求8所述的注空气采油过程中焦炭生成及理化性质研究的装置，其特征在于，该数据采集系统还包括质量流量计组，该质量流量计组与该注气系统连接，并且该质量流量计组还与数据采集装置(41)通过电缆连接，该质量流量计组能够测量和控制该注气系统的气体流量。

11.一种注空气采油过程中焦炭生成及理化性质研究的方法，其特征在于，所述注空气采油过程中焦炭生成及理化性质研究的方法包括以下步骤：

步骤1、反应试件制作；

步骤2、设置权利要求1所述的注空气采油过程中焦炭生成及理化性质研究装置的背压；

步骤3、选择反应气氛；

步骤4、对模型(22)加压；

步骤5、对模型(22)加热；

步骤6、在设定时间内进行反应过程模拟；

步骤7、模型(22)降压冷却并分析产物的物化性质。