📝 摘要
本研究针对用于油砂沥青原位燃烧过程数值模拟的主要化学反应进行了筛选。采用热力方法（如蒸汽辅助重力泄油）从油砂储层中开采沥青已获得成功，但包括水处理在内的操作成本一直是持续生产沥青的重大问题。原位燃烧有望实现高采收率、低成本和节水。然而，沥青的燃烧化学反应及其动力学参数尚未完全确定。已有一些利用阿萨巴斯卡沥青进行的燃烧管实验数值模拟来构建化学反应模型，但为了进行油田尺度的储层模拟，通过减少化学反应数量来降低CPU处理时间，筛选主要化学反应是必要的。
本研究表明，Yang and Gates (2009)提出的模型比其他模型能更好地模拟燃烧管实验结果。通过从包含8个反应的模型中逐一剔除反应，基于数值模拟筛选出3个主要反应，定义为低温氧化和高温氧化。利用这3个反应，成功地对典型的油砂储层进行了THAI工艺（一种有前景的原位燃烧技术）的油田尺度三维数值模拟。此外，还对THAI和SAGD方法的数值模拟结果进行了比较。
关键词：原位燃烧；数值模拟；筛选；化学反应；沥青；油砂
🖥️ CMG软件应用情况总结
| 项目 | 内容 |
|---|---|
| 所用软件 | CMG公司开发的STARS™模拟器 |
| 研究目的 | 筛选原位燃烧主要化学反应，简化油田尺度模拟 |
| 实验数据来源 | 卡尔加里大学ISC研究组的燃烧管实验（阿萨巴斯卡沥青） |
| 对比的化学模型 | Belgrave et al. (1993)、Yang and Gates (2009)、Kapadia et al. (2011) |
| 筛选方法 | 从8反应模型中逐一剔除反应，观察累积产油量变化 |
| 筛选结果 | 保留3个关键反应：LTO反应(4)(5) + HTO反应(6) |
| 模型验证 | 3反应模型与8反应模型模拟结果几乎相同 |
| 油田尺度模拟 | 成功模拟THAI工艺（均质油砂储层，500m×100m×25m） |
文中明确指出：CMG STARS™被用于燃烧管实验的历史拟合和THAI工艺的油田尺度三维数值模拟。
🧪 筛选出的3个主要化学反应
| 反应类型 | 反应式 | 编号 |
|---|---|---|
| 低温氧化 (LTO) | Maltenes + 3.43 O₂ → 0.4726 Asphaltenes | (4) |
| 低温氧化 (LTO) | Asphaltenes + 7.51275 O₂ → 101.539 Coke | (5) |
| 高温氧化 (HTO) | Coke + 1.232 O₂ → 0.8995 CO₂ + 0.1 CO + 0.564 H₂O | (6) |
研究证实：剔除这三个反应中的任何一个，模拟结果都会发生显著变化；而保留这三个反应，就能很好地再现燃烧管实验结果。
✅ 主要结论
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模型优选：Yang and Gates (2009) 的8反应模型能最好地匹配燃烧管实验数据。
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反应筛选：通过逐一剔除反应发现，LTO反应(4)(5)和HTO反应(6)是沥青原位燃烧过程中影响生产行为的关键反应。
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简化有效性：仅使用这3个主要反应的数值模拟结果，与使用全部8个反应的结果几乎相同，证明了筛选的有效性。
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THAI工艺成功模拟：利用3反应模型成功完成了THAI工艺的油田尺度三维数值模拟，再现了THAI的特征：
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燃烧区前方形成焦炭区
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焦炭区前方形成可动油区
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THAI vs SAGD对比（6年生产期）：
| 工艺 | 平均产油速率 | 采收率 |
|---|---|---|
| THAI | 28 m³/天 | 24.5% |
| THSF（注蒸汽） | 70 m³/天 | 60.4% |
| SAGD | 94 m³/天 | 81.9% |
THAI工艺的产油速率和采收率约为SAGD的1/3。
🏛️ 作者及单位信息（中文）
| 作者 | 单位 |
|---|---|
| Yuta Yoshioka（第一作者） | 日本九州大学工学府地球资源工程系 |
| Kyuro Sasaki（通讯作者） | 日本九州大学工学研究院地球资源工程系（教授） |
| Kyoichi Takatsu | 日本九州大学工学府地球资源工程系 |
| Yuichi Sugai | 日本九州大学（副教授） |
通讯作者简介：Kyuro Sasaki教授，自2005年起任教于九州大学，拥有北海道大学学士、硕士及博士学位。研究兴趣包括流体力学、传热传质现象以及矿业和石油工业中的开采方法。
第一作者简介：Yuta Yoshioka，2014年毕业于九州大学地球资源工程系（硕士），后就职于三菱商事勘探有限公司担任油藏工程师，从事加拿大页岩气资产的储量评估和完井优化研究。
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