双亲型稠油水热裂解降粘催化剂的合成及反应机理研究

【摘要】：水热裂解催化反应带来了稠油开采的新思路,尤其是开采特超稠油。该技术的关键是水热裂解降粘催化剂的研制,目前的降粘催化剂普遍存在反应温度过高(大于240℃)、与稠油接触不够充分、催化活性低等问题,难以满足现场的需要,所以研制适合地层较低温度(小于等于200℃)且能与油充分接触的降粘催化剂是该技术能否迈向大规模现场实施的关键,解决该问题对于改善我国目前对能源的需求乃至世界稠油资源的开采具有重要的现实意义。 首先系统研究了胜利单家寺油田特超稠油的物化性质,提出了影响特超稠油粘度高的主要因素。合成了微乳液纳米镍与磺酸镍二种稠油水热裂解降粘催化剂,并研究了合成工艺及其性能(抗盐性及普适性)。应用高温高压反应釜及单向蒸汽驱模型系统研究了特超稠油热裂解,特超稠油水热裂解及降粘催化剂作用下特超稠油水热裂解规律。通过气相色谱仪、元素分析仪、分子量测定仪、红外光谱仪、核磁共振波谱仪,结合化学分子模拟技术等手段对特超稠油水热裂解催化降粘及反应动力学机理进行了系统研究。 研究结果表明,微乳液纳米镍与磺酸镍二种双亲型稠油水热裂解降粘催化剂对胜利特超稠油均有较好的改质降粘效果,且合成的二种降粘催化剂均有较好抗盐性及普适性。高温水对稠油水热催化裂解降粘反应有一定的催化作用,但催化降粘程度有限。合成的二种降粘催化剂能高效的促进水热裂解反应,同时抑制其过程中的聚合反应,使稠油的重质组分向轻质组分转化。双亲降粘催化剂能充分与稠油的重质组分接触,携带的具有活性催化功能的粒子或基团协同高温水作用于分子中的C-S、C-N、C-O、C-C及C=S、C=O、C=N、S=O等键,使其发生系列链的断裂、加氢、开环、成环、脱硫、脱氮等反应,反应后稠油沥青质与胶质分子的表面积、体积、疏水性、折射率、极性参数减小,分子间范德华力、色散力、氢键作用力等减弱,体系变得更加分散,稠油粘度大幅度降低,品质得到一定程度的改善。在此基础上,全面探讨了稠油水热催化裂解降粘机理:①高温水裂解作用机理;②加氢作用机理;③沥青质裂解作用机理;④轻烃溶解作用机理;⑤分子间作用力降低机理;⑥催化剂作用的降粘机理。其中沥青质的裂解对稠油粘度及其平均分子量的下降起到了关键的作用。通过大量的实验证明,本文研制的双亲型降粘催化剂作用特超稠油水热催化裂解降粘技术是适用可行的,能够有效裂解改质稠油,降低稠油粘度,提高稠油采收率。