火烧油层是一种提高油藏采收率的重要热采方法,与其他热采方法相比优势明显。在火烧油层开发过程中,通过注入空气点燃油层,以油层中裂解的焦炭作为燃料,维持燃烧前缘持续燃烧,依靠热力以及其他综合驱动力共同作用,达到提高采收率的目的。但是由于其驱替机理较为复杂,经常会出现火烧油层失败的现象。其中燃料消耗量(也被称为燃料沉淀量、焦炭含量)是决定火烧油层成功与否的重要因素之一,当燃料消耗量过低时,可能会导致燃烧效果不好,甚至无法持续燃烧。空气消耗量是影响火烧油层经济性的因素,当火烧油层燃料消耗量较高时,需要注入大量的空气以满足油层的燃烧,如何提高氧气利用率,节约经济成本也是火烧油层需要考虑的问题。针对火烧油层中存在的问题,本文研制了适用于火烧油层开发的纳米粒子催化剂,并得到了制备该催化剂的最佳参数。利用油酸作为改性剂,对纳米粒子进行表面改性,增强其在油相中的分散性,提高了催化效率。通过室内实验,对比分析了改性后的纳米粒子催化剂、纳米粒子催化剂、金属催化剂对稠油的降粘作用发现,改性后的纳米粒子催化剂对原油改质降粘的作用明显。原油的热分析方法是研究原油氧化过程的重要手段,本文利用热分析仪器,将原油与模拟砂均匀混合成油砂后,开展了热分析研究。通过TG/DTG曲线和DSC曲线将油砂的氧化过程划分为四个阶段,两种油砂在低温氧化阶段的放热量都很低,主要依靠高温氧化反应放热。利用FWO等转换率法计算油砂各个阶段的反应动力学参数,重质组分较多的油砂B各阶段的活化能更高。添加催化剂后,油砂的放热曲线呈双峰状,低温氧化阶段放热量增大。催化剂的加入使油砂氧化过程中各阶段的温度区间均向低温区移动,各阶段所需要的活化能也有所降低。分析原油低温氧化反应及焦化反应的影响因素是研究火烧油层燃烧机理的重要一步,通过室内实验得知,温度是影响原油低温氧化反应后尾气含量及原油组分的主要因素,温度的升高对原油的低温氧化反应中的加氧反应及脱羧反应均有促进作用。催化剂的加入,不仅加快了原油低温氧化反应速率,还对原油起到改质作用,反应后原油中轻质组分(饱和烃、芳香烃)含量上升,重质组分(胶质、沥青质)含量下降。火烧油层过程中,油砂的焦化机理主要分为两类,即:氧化结焦和自由基聚合结焦。温度较低时以氧化结焦为主,温度较高时以自由基聚合结焦为主。氧气含量和温度都是影响着油砂的结焦量的主要因素,氧气含量越高、温度越高,油砂的结焦量越高。催化剂的加入一方面对原油起到改质作用,同时金属离子对结焦反应又起到催化的作用,从实验结果来看,催化剂降低了油砂的结焦量。在火烧油层燃烧管室内实验的基础上,本文开展了两组添加催化剂的火烧油层燃烧管室内实验。通过对比分析得知,添加催化剂后,油样的燃烧时间有所缩短,氧气利用率明显升高,其中油样A的氧气利用率提高了6.78%,油样B的氧气利用率提高了5.98%。同时催化剂还加快了油样的燃烧前缘温度及燃烧前缘推进速度,燃烧效果更好。在采收率方面,油样A的采收率提高了4.16%,油样B的采收率提高了3.71%。最后从火烧油层过程中燃料消耗量、燃烧前缘推进距离、推进速度,燃烧前缘平均温度,空气消耗量及氧气利用率的角度分析了三个关键参数,即:注气速度、预热温度及砂粒粒径级差对火烧油层开发效果的影响。