火驱技术是一种绿色高效的稠油热采技术,维持稳定可控的高温燃烧前缘扩展是火驱技术的关键问题。基于介观尺度的视角,燃烧前缘是多物理化学场耦合过程,关于火驱前缘燃烧微观机制的基础研究仍十分薄弱。本研究将从介观尺度围绕火驱燃烧前缘反应传递三个基础问题进行研究:地层反应因素对稠油焦炭性质影响规律、焦炭沉积对多孔介质结构与输运参数影响规律、燃烧前缘控制机制。焦炭是火驱燃烧前缘重要的燃料。本研究聚焦火驱开采过程中的焦炭形成过程特点,提出了一种火驱过程中焦炭生成及其理化性质研究的新方法,扩宽了稠油焦炭可适用的表征手段,以某新疆J稠油为例,对低温氧化焦炭与热解焦炭的元素组成、表面官能团与碳结构等性质进行分析,探讨了形成低温氧化焦炭和热裂解焦炭的重要化学物理过程,指出焦炭中含氧基团数量的差异是低温氧化焦炭与热解焦炭氧化速率差异的主要原因。在火驱燃烧前缘,焦炭在多孔结构中的沉积,改变原始的多孔结构孔隙特征,影响空气的流动扩散过程。本研究以室内制备的结焦模型岩心为研究对象,获得了结焦模型岩心的三维可视化数字图像,实验验证了数字图像的可靠性;研究了焦炭沉积率对孔径分布、迂曲度与孔隙收缩率等结构参数的影响规律,指出焦炭在油湿性孔隙结构内的沉积特点;采用格子Boltzmann模拟获得了结焦模型岩心的渗透率与有效扩散系数,实验验证了数值结果,指出焦炭沉积引起孔隙率下降与孔喉的收缩是渗透率损伤的主要原因;提出了地层渗透率损伤的经验关系式,并发展多孔介质孔隙参数~渗透率模型,改善了渗透率预测精度。火驱燃烧前缘是复杂的多物理化学场耦合过程。本研究构建了耦合不可压缩流动、组分对流扩散、流固耦合传热、非均相反应和固相演化的格子Boltzmann数值模型,以均质多孔介质为例,基于孔隙介观尺度,开展火驱燃烧前缘反应传递过程的数值模拟研究,分析了不同Péclet数和初始Damk?hler数下火驱前缘燃烧过程的控制机制,阐述了对流控制、扩散控制、反应动力学控制与控制转戾机制下火驱燃烧前缘特征,并分析了火驱前缘的燃烧现象随Péclet数与Damk?hler数的变化规律,指出临界初始温度与临界注气速率的研究是实现可控燃烧的关键前提,对于本文研究的多孔结构,给出了燃烧前缘可控扩散的Péclet数与Damk?hler数范围。