[0001] 本发明涉及石油工程和工艺技术领域，具体涉及一种用于火烧油层开采稠油沥青油藏物理模拟实验装置。

[0002] 火烧油层是提高原油采收率的重要方法之一，属于热力开采技术。它是利用油层本身的部分裂解产物作燃料，不断燃烧生热，依靠热力和其它综合驱动力的作用，实现提高采收率的目的。火烧油层最初构想是提高稠油油藏的原油采收率。该方法不仅用于提高稠油、油砂、沥青油藏采收率，而且适用于中质和轻质油藏原油的开采。

[0003] 火烧油层技术起源于1911年，早在1917年J.O. Levi's 正式提出了采用热力或注溶剂的方法，驱替地层中的原油以提高采收率的概念。

[0004] 1923年Wolcott和Howard也认识到，把空气注入到油层，使油层在地下燃烧过程的关键是燃烧掉一部分原油，产生热量以降低粘度，同时产生驱替原油的驱动力。他们的这种认识在1923年申请了美国专利。1947年开始了实验室室内实验研究。进入20世纪50年代后，美国的石油资源日见枯竭，新油田勘探成功率降低，这项新技术才得到广泛的关注。从1951年开始，各个石油公司在油田展开了一系列的试验研究，使得火烧油层技术得到了快速的发展。

[0005] 世界上最早的一次火烧油层现场试验是1942年在美国Oklahoma的伯特勒斯维尔油田进行的。50年代以后，据统计，美国已经开展了70多个火烧油层项目。另外还有前苏联、荷兰、罗马尼亚、匈牙利、德国、印度等40多个国家先后开展了火烧油层采油的相关工作。

[0006] 我国从1958年起，先后在新疆、玉门、胜利、吉林和辽河等油田开展了火烧油层试验研究，因受当时条件的限制，火烧油层技术让位于注蒸汽采油，在我国的现场应用直到目前还为数不多。

[0007] 相对于注蒸汽采油而言，火烧油层采油法虽工艺复杂、技术条件要求较苛刻，但却展现出其特有的优越性：（1）火烧油层采油法具有驱油效率高( 一般达80%～90% )；（2）油藏适应范围广(从薄油层到厚油层、从浅油层到深油层、从稀油到稠油， 及已开发油藏)；（3）它所使用的注入剂—空气到处都有；（4）火烧油层烧掉的是原油中约10%的重组分，改善了剩余油的性质；（5）火烧油层的热量就地产生，比注蒸汽的热能利用率要高，并可节省地面和井筒隔热措施的投资。

[0008] 由于火烧油层是一种具有明显技术优势和潜力的采油方法，具有油藏适应范围广、物源充足、采收率高、成本低的优势。但由于火烧油层机理十分复杂，火烧油层油藏工程设计及矿场动态管理上还存在很多问题，特别是对储层中发生的燃烧和驱油过程缺乏直观准确的认识，很难采取有效手段准确判断地下燃烧状况、监测和控制火烧油层前缘。为了深入研究油层点火过程中的内在机理，往往要借助室内物理模拟实验装置。通过一维物理模型实验装置可以得到火烧油层驱油效率和燃烧过程中单位体积油砂燃料沉积量、单位体积油砂耗氧量、空气/油比等参数，也可以通过实验数据推算不同火烧油层阶段燃烧带前缘的推进速度、高温氧化（燃烧）反应动力学参数，还可以针对注气速度、注气压力、原油物性、孔隙特性等敏感性参数进行对比实验，优化注采参数。

[0009] 为了提高稠油、沥青、油砂、页岩油等非常规油藏采收率，建立室内一种用于火烧油层开采稠油沥青油藏物理模拟实验装置，可以系统地获得油藏一维火烧的认识，深入地研究火烧油层开采稠油、油砂、沥青及页岩油等机理。

[0010] 本发明采用的技术方案是：一种用于火烧油层开采稠油沥青油藏物理模拟实验装置，包括氮气罐和空气罐，氮气罐和空气罐分别通过管线连接气体过滤器，且每根管线上均设有阀门A，气体过滤器连接第一活塞容器，且气体过滤器与第一活塞容器之间设有阀门B，第一活塞容器上还连接储水罐和蒸汽发生器，且第一活塞容器和储水罐之间设有阀门C，第一活塞容器与蒸汽发生器之间设有质量流量计，第一活塞容器与质量流量计之间设有阀门D，质量流量计和蒸汽发生器之间设有阀门E和阀门F，蒸汽发生器上还连接第二活塞容器，且蒸汽发生器和第二活塞容器之间设有阀门G,第二活塞容器连接恒压恒速泵，且第二活塞容器和恒压恒速泵之间设有阀门H,蒸汽发生器连接燃烧管组件，且蒸汽发生器和燃烧管组件之间设有第一压力传感器和阀门I，燃烧管组件连接回压阀，回压阀连接第一分离器，第一分离器连接第二分离器，第一分离器与第二分离器之间设有阀门J，第二分离器连接收集量筒，第一分离器连接带有阀门K的冷凝器，冷凝器连接酸洗罐，冷凝器与酸洗罐之间设有第二压力传感器和阀门L，酸洗罐另一端连接装有硫酸钙干燥罐，且酸洗罐和硫酸钙干燥罐之间设有阀门M，装有硫酸钙干燥罐另一端连接湿式气体流量计，且装有硫酸钙干燥罐和湿式气体流量计之间设有阀门N，湿式气体流量计连接氧气检测器，氧气检测器连接气相色谱仪，湿式气体流量计和气相色谱仪之间设有开关阀，质量流量计、第一压力传感器、第二压力传感器和湿式气体流量计均连接数据信号转换器，数据信号转换器连接电脑。

[0011] 所述的燃烧管组件包括最外层的压力套管、中间层的连接管和内层的燃烧管。

[0012] 所述的压力套管、连接管和燃烧管的长度均为87.0cm，压力套管的直径为15cm，连接管直径为7.0cm，燃烧管直径为6.0cm，且连接管与燃烧管的壁厚相等。

[0013] 所述的连接管上含有15个等间距的小孔，沿管向下呈120°相位差均匀分布。

[0014] 所述的连接管的内壁连接有热电偶，外壁环绕有电加热圈。

[0015] 所述的压力套管端面钻取有两个BSP螺纹孔。

[0016] 本发明的有益效果：可观察地层点火温度、火驱前缘前后的温度、压力展布规律、火驱前后岩石组分和物性的变化规律、火驱生产井产出原油组分和原油物性变化规律、注气、采油参数与火驱动态的相关性及其规律、燃烧带前缘推进半径与生产井见效时间的相关性。附图说明

[0017] 图1本发明结构示意图。

[0018] 图2 燃烧管组件示意图图中：1 氮气罐 2 空气罐 3 气体过滤器 4 储水罐 5第一活塞容器 6 质量流量计
7 恒压恒速泵 8蒸汽发生器 9第一压力传感器 10 燃烧管组件11 回压阀12第一分离器
13 第二分离器 14 收集量筒 15 冷凝器 16 电脑17数据信号转换器18酸洗罐 19 气相色谱仪20 开关阀 21 氧气检测器 22 湿式气体流量计23硫酸钙干燥罐 24压力套管 25连接管 26燃烧管。

[0019] 实施例1、本发明的实施实例如图1所示，该用于火烧油层开采稠油沥青油藏物理模拟实验装置包括氮气罐1和空气罐，氮气罐1和空气罐分别通过管线连接气体过滤器3，且每根管线上均设有阀门A，气体过滤器3连接第一活塞容器5，且气体过滤器3与第一活塞容器5之间设有阀门B，第一活塞容器5上还连接储水罐4和蒸汽发生器8，且第一活塞容器5和储水罐4之间设有阀门C，第一活塞容器5与蒸汽发生器8之间设有质量流量计6，第一活塞容器5与质量流量计6之间设有阀门D，质量流量计6和蒸汽发生器8之间设有阀门E和阀门F，蒸汽发生器8上还连接第二活塞容器，且蒸汽发生器8和第二活塞容器之间设有阀门G,第二活塞容器连接恒压恒速泵7，且第二活塞容器和恒压恒速泵7之间设有阀门H,蒸汽发生器8连接燃烧管组件10，且蒸汽发生器8和燃烧管组件10之间设有第一压力传感器9和阀门I，燃烧管组件10连接回压阀11，回压阀11连接第一分离器12，第一分离器12连接第二分离器13，第一分离器12与第二分离器13之间设有阀门J，第二分离器13连接收集量筒14，第一分离器12连接带有阀门K的冷凝器15，冷凝器15连接酸洗罐18，冷凝器15与酸洗罐18之间设有第二压力传感器和阀门L，酸洗罐18另一端连接硫酸钙干燥罐23，且酸洗罐18和硫酸钙干燥罐23之间设有阀门M，硫酸钙干燥罐23另一端连接湿式气体流量计22，且硫酸钙干燥罐23和湿式气体流量计22之间设有阀门N，湿式气体流量计22连接氧气检测器21，氧气检测器21连接气相色谱仪，湿式气体流量计22和气相色谱仪之间设有开关阀20，质量流量计6、第一压力传感器9、第二压力传感器和湿式气体流量计22均连接数据信号转换器17，数据信号转换器17连接电脑16。所述的燃烧管组件10包括最外层的压力套管24、中间层的连接管25和内层的燃烧管26。所述的压力套管
24、连接管25和燃烧管26的长度均为87.0cm，压力套管24的直径为15cm，连接管25直径为7.0cm，燃烧管26直径为6cm，且连接管25与燃烧管26的壁厚相等。所述的连接管25上含有15个等间距的小孔，沿管向下呈120°相位差均匀分布。所述的连接管25的内壁连接有热电偶，测温范围0～800℃，安装热电偶是便于感测点正好与燃烧管26壁接触，外壁环绕有电加热圈，最上面的电电加热器用于点火，而另外六个用于建立一个局部绝热燃烧管26环境，每个电电加热器的功率为500W。所述的压力套管24端面钻取有两个BSP螺纹孔，螺纹孔为出口或顶部法兰空气加压后环空的泄压点。

[0020] 图2给出燃烧管组件10底部组件是由不锈钢的端板和端部密封垫圈组成。在端板和密封圈上钻取三组圆孔。内部第一圈8个等间距螺纹孔是用来连接螺栓以固定燃烧管26在密封圈上的位置。中间一圈包含15等距螺纹孔，主要用于连接热电偶，给热电偶提供入口。最后外圈8个螺纹孔是用于固定压力套管24。不锈钢的端板为燃烧管26产出流体提供出口。通过不锈钢端板、中央孔、密封块连接到燃烧管26底部。一个BSP锁紧螺母被用来固定端板和密封块的出口管，以使端板和密封块内部之间紧密接触。端板内表面的裸露面稍微成形为一个圆锥形表面，其相对水平方向具有7°的倾斜角。这可以防止操作过程中产生液体的积聚。100目~200目筛网固定在圆锥形表面，防止出砂。

[0021] 热电偶是镍铬合金管，载有15个热电偶。它沿燃烧管26中心轴分布，使得内部热电偶接触点与外部热电偶接触点处于同一水平面上。热电偶通过导线连接到电气控制面板。整个燃烧管26的径向温度梯度通过外壁和轴向成对的热电偶测量。

[0022] 在连接管25和压力套管24之间的环空间填充细颗粒保温材料—蛭石。燃烧管26两端的石棉复合绝缘材料隔热密封块也可以减少传向端部盖板的轴向热损失。石棉复合绝缘材料隔热密封块、蛭石和保温毯的作用是降低燃烧实验的热量损失。橡胶石棉垫圈，耐温500℃，硅橡胶基密封化合物密封燃烧管26的顶端和底端。

[0023] 利用计量泵，从活塞容器5供给水进入蒸汽发生器8，注入到燃烧管26中。出流体从燃烧管26流经回压阀11，继续向下流动。回压阀11作用是用于建立燃烧管26所需气体流量和操作压力。回压阀11阻止燃烧管26中任何操作对后续流动的影响。安置在第一分离器12的进口端，防止第一分离器12内超压。利用回压阀11在出口端建立第一分离器12内所需稳定低压力。气体从第一分离器12流经冷凝器15实现产出气体中轻烃的分离。
利用冰浴可以实现产出气液混合物高效分离。冷凝器15产出气体可以通过湿式流量计进行计量。高效计量阀门N安装在湿式流量计的入口端，用来维持产出气体的恒定流速。测量后的气体排向通风橱。取样管线连接在排出管线上，以便在线对产出气体进行气相色谱仪19分析。

[0024] 氧气检测器21用来监测产出气体氧气含量。氧气检测器21被连接到一个报警控制装置，当产出的气体中氧水平超过预设值时会产生报警信号。两个独立的气相色谱仪19用于详细分析产出液体和气体。其中一个配备热导检测器，另一个配备双火焰离子化检测器。气相色谱仪19配备有恒定气体流量控制器便于装载和补充气体。这使得该仪器适合应用毛细管柱。该仪器具有可编程控制器，可以让柱箱温度在35-500℃范围内可以实现线性温度变化或等温线运行。50m的玻璃毛细管柱（G-SCOT）配有OV101作为固定相，用于分析液体样品。为达最佳毛细管性能，使用不分流进样系统（SIS），其主要设计用于G-SCOT柱。SIS的功能是通过减少注入样本中G-SCOT柱的容量大小来最小化有效死体积。

[0025] 具有热导检测的气相色谱仪19用来在线分析产出气体。这是通过spherocarb80/100色谱柱来实现的。用于分离复杂气体。其他分析仪器包括Hakke RS6000流变仪测定产出前后原油粘度， Anton Paar数字密度计用来分析产出液体密度。

[0026] 实施例2、以0.015sm3/hr速度和140kPa入口压力注入氮气，来测量填砂模型的渗透率。此过程一直持续到管内空气全部被驱替。利用氧气分析仪和气相色谱仪19检测出产出物中含有氧气时，打开电加热器，燃烧管26温度均匀上升至70℃。此时氮气继续流经燃烧管26，打开点火器，上层温度逐渐升至300℃。氮气注入停止，立即开始注入空气。这个过程确保原油快速点火发生，以消除低温氧化效应。点火状态被确定时，模型端面温度快速上升。这也可以通过氧气含量突然下降和一氧化碳和二氧化碳废气浓度的增加证实。点火完成后，进口流量控制阀门I和回压阀11用来建立所需条件，即气体注入压力与速度。此阶段，输入点火器的热量逐渐使入口温度维持恒定。其他热电偶通过保持相应管壁温在
350℃，以提供在不同的燃烧前缘的位置局部绝热条件。所有测试有关数据，燃烧管26壁和轴向温度分布，进口出口压力、产出气体流量和组成都是记录间隔15-30min。此外，经常检查分离器和冷凝器15，观测第一滴液体的产生。所产生的液体间隔30-45 min被收集在称量瓶中称重。

[0027] 以预设速度注入水，一旦稳定燃烧前缘到达两个或三个热电偶间隔位置，停止注水。

[0028] 密切监测每组测试的整个燃烧周期。还需要确保燃烧前缘稳定推进。当燃烧前缘位于该管的底部附近最后轴向热电偶时，实验停止。关闭热电偶或水泵。气体注入切换到氮气，熄灭燃烧前缘。前缘的熄火可以通过产出气体CO2浓度的突降证实。持续注入氮气，冷却燃烧管26直至打开燃烧管26。最后，燃烧管26冷却至室温后，关闭氮气注入，系统压力逐渐降至0。

[0029] 每组燃烧实验结束，从注入端打开燃烧管26。移出填砂样品检验。对有代表性样品进行甲苯萃取，确定流体沿轴向分布。利用高速离心机将产出液体分离出水和油，称量。如果形成乳状液，甲苯的含量是离心前添加的已知量。这些样品是总采出一部分，主要用于物料平衡计算。未受污染的油混合在一起，进行分析，以确定密度，粘度和模拟蒸馏数据。实验所有的温度，测量和产出气体组分数据通过安装在计算机软件进行读取。

[0030] 实施例3、本发明实施例如图1所示，首先，安装燃烧管26的底部法兰。将两个连接在底部网状钢板上防止砂子堵塞管线的热电偶套管插入到燃烧管26中。之后，装上燃烧管26的顶部法兰，拧紧法兰螺栓。然后称量燃烧管26质量。之后，安装注入组件，为底部法兰连接件的压力测试做准备。模型1MPa压力试漏15min。一旦压力测试成功完成，拧开注入管，燃烧管26中压力下降到大气压。量出大约7000g砂子放入混料罐中，然后加入500g水，用小铁铲充分搅拌。之后，加入500g原油，让其充分混合，直至达到均匀分布。称量最终混合物，确定由于混合造成的损失。

[0031] 安装燃烧管26底部法兰。之后，将燃烧管26安全地紧固在垂直位置，装入200g混合物。利用重金属塞穿过热电偶套管夯实燃烧管26中样品。重复添加样品和夯实的过程直到燃烧管26填充至距顶10cm。在样品的顶部放入约5ml的亚麻籽油加速点火。然后，用洁净的100目砂子填充燃烧管26至顶部。砂子作为绝热体从而阻止燃烧热影响燃烧管26顶部法兰。称量装满混合物的燃烧管26的质量，对比先前空管质量，确定燃烧管26中混合物的质量。

[0032] 装上顶部法兰，紧固法兰螺栓。穿过热电偶套管小心地装上注入组件，利用聚四氟乙烯垫圈进行密封紧固。燃烧管26出口端封堵，进口端注入氮气，模型3MPa压力试漏20min。一旦压力测试成功进行，燃烧室出口端堵塞慢慢打开，管中压力降至大气压。拆卸注入组件，安装电点火器，固定在燃烧管26外面、亚麻籽油同样深度的位置上。然后将燃烧管26小心地放入真空管中，真空管在水平方向上倾斜30°，以便更好操纵燃烧管26。燃烧管26底部法兰用绝热材料包裹，装上真空管底部法兰。电点火器连接在真空管顶部法兰的点火终端上，紧固点火终端。注入组件放置回他们原来的位置，固定式和移动式热电偶鞘插在相应的热电偶套管上。聚四氟乙烯垫圈紧固在出口端和注入连接件上，用来密封真空管与燃烧管26。真空管置于垂直位置，燃烧管26出口紧固在产出部分。移动式热电偶鞘安装在机械臂上，所有热电偶连接在它们的终端上。真空管用大约-0.010MPa压力测试30min。
注入管线连接到相应部件上，真空管电加热器设定在60℃，恒温12h，以使砂子混合物温度均衡。一个温度设定在30℃的带式电加热器环绕在分离器上，确保产出油顺利地流过分离器进入采样瓶。

[0033] 通过燃烧管26试验能够直观的测量到火烧油层反应区的温度、压力，组分分布、反应区的扩展方向和速度、产液量等。