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本文利用辽河稠油为原料,在分析其密度、各组分比例(SARA组成)、元素组成、VPO相对分子质量及分子量分布、模拟蒸馏性质等的基础上,在高压反应釜中模拟油藏井下条件进行了稠油及其重组分沥青质和胶质的水热催化裂解反应,考察了各种条件对反应的影响,揭示了沥青质和胶质的反应规律。对比了反应前后,稠油的粘度、沥青质沉淀点、VPO相对分子质量及分子量分布、各组分比例(SARA组成)的变化。考察了其沥青质和胶质的红外光谱、XRD结构参数、1HNMR和13CNMR结构参数、偶级矩的变化。研究了水热催化反应对沥青质和胶质胶体化学性质如Zeta电势、等电点、CMC以及胶体粒径的影响。得到的主要结论如下:
(1)经水热催化裂解反应后,稠油的API增加了1.3度,残炭值下降0.6%,沥青质甲苯溶液的偶极矩由7.91增大到9.04。沥青质的增比粘度法测得的等效当量粒径有所增大。粘度法测得的沉淀点下降。沥青质的相对分子质量由2710增加到3510,硬胶质的相对分子质量由1738增加到2738。
(2)水热催化裂解反应后,沥青质、胶质XRD晶体参数略有变化,芳香盘片的层间距基本不变,但层高度增加,表明芳香盘反应后有所增大。核磁共振计算的结构参数表明,水热反应后沥青质和胶质的芳香度上升,沥青质的芳香环数由4.56增加到6.64,而胶质的芳香环数则由3.68增加到4.02。红外分析表明,水热催化裂解反应后,C=O等极性基团的丰度增加。
(3)Py-GC-MS结果表明,沥青质和胶质的热解产物有H2、H2S、CO和CO2以及C1～C9。戊烷沥青质热解的失重率大于庚烷沥青质,水热裂解反应后,沥青质和胶质的失重率都下降。
(4)过渡金属离子能够促进稠油的水热裂解,其降粘率大小顺序是Fe2+＞Ni2+＞Co2+＞Ti4+＞Cr3+＞Mn2+＞Cu2+,供氢剂的降粘顺序:氢气＞四氢化萘＞环己烷＞甲烷。油溶性催化剂环烷酸盐改质稠油的效果优于水溶性催化剂硫酸盐。
(5)单独使用沥青质和胶质进行催化水热反应对于研究其反应规律更具针对性。沥青质和胶质可分别转化为裂化气、饱和烃、芳烃、极性更重的次生胶质、极性更重的次生沥青质和甲苯不溶物。沥青质和胶质催化水热反应后的裂化气包括H2,CO,CO2,H2S,CH4,C2H6,C2H4以及C3+。催化剂加快了沥青质和胶质中H2和CO的产生,而使其中H2S的含量降低。
(6)经历水热催化裂解反应后,沥青质溶液的Zeta电势增大,等电点降低,CMC减小。反应后沥青质的胶体粒径增大。