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稠油在世界油气资源中占有很大的比例,总资源储量约为1000×108吨,是常规原油资源的三倍以上,随着世界常规原油的不断消耗,难以开采的稠油资源将成为未来的主要石油资源。由于稠油具有高粘度和高密度等特点,导致其在开发利用过程中存在开采难度大、运输困难和加工复杂等问题,因此降低稠油的粘度是解决稠油高效经济开发利用的关键技术之一。水热裂解稠油开采技术是一种利用稠油油藏自身条件,在催化剂作用下使稠油发生水热裂解反应,实现井下原位降低稠油粘度的开采技术;不仅能够持久的、不可逆的降低稠油粘度,同时还可以改善稠油品质。本文以表面改性的超疏水纳米二氧化硅为载体制备了一系列具有亲油疏水的偏钛酸和锆掺杂偏钛酸纳米催化剂,并考察了其对稠油水热催化降粘反应的影响,对反应前后稠油粘度和族组分(SARA)变化进行了分析。同时,采用传统的沉淀浸渍法制备了固体超强酸SO42-/Ti O2以及SO42-/Zr/Ti O2催化剂,初步考察了超强酸催化剂对胜利稠油的水热裂解催化作用。本文的主要实验内容和结果如下:1、纳米催化剂的制备和表征以硫酸氧钛、硝酸锆等为原料,将钛盐和锆盐溶液与可分散性纳米Si O2分散液混合,分别通过均匀沉淀法和水热法制备了偏钛酸系列(H2Ti O3,Si O2/H2Ti O3)和锆掺杂改性偏钛酸系列(Zr/H2Ti O3,Si O2/Zr/H2Ti O3)催化剂,以传统的硫酸浸渍法制备了硫酸根离子改性二氧化钛基超强酸(SO42-/Ti O2和SO42-/Zr/Ti O2),并探讨了负载型偏钛酸催化剂的形成机理。运用TEM、FTIR、XRD等分析手段对制备的各催化剂结构进行了表征,结果表明:经过负载后的偏钛酸和锆掺杂改性的偏钛酸都具有很好的亲油疏水性,偏钛酸纳米微粒沉积在纳米二氧化硅的表面或孔道中,分散性优于未负载偏钛酸纳米微粒,XRD结果显示所制备的H2Ti O3系列、Zr/H2Ti O3系列以及超强酸催化剂均为锐钛矿晶型;Zr/H2Ti O3经过负载后其粒径分布较为均匀,掺入一定量的氧化锆后并没有影响偏钛酸的晶体结构。2、催化剂种类对稠油催化降粘效果的影响将所制备的催化剂用于稠油水热裂解反应中,从反应前后稠油的粘度变化可知:在150℃条件下,起初催化剂对稠油的降粘率会随添加量的增加而得到提高,当添加量达到0.5%后,再增加催化剂的用量反而导致了降粘率降低;在150℃条件下反应24小时,各催化剂的作用效果为:Si O2/Zr/H2Ti O3-2>Si O2/Zr/H2Ti O3-3>SO42-/Ti O2>H2Ti O3>Si O2/H2Ti O3-2>SO42-/Zr/Ti O2>Si O2/H2Ti O3-3>Zr/H2Ti O3,锆改性的偏钛酸经过负载后其催化效果优于负载和未负载的偏钛酸催化剂,说明掺杂一定量的氧化锆能够提高偏钛酸的催化能力;而偏钛酸在负载前后其催化作用没有明显的改变,甚至催化活性降低;SO42-/Ti O2超强酸的催化能力比SO42-/Zr/Ti O2强。DNS-2负载的锆改性偏钛酸(Si O2/Zr/H2Ti O3-2)的催化效果最好,在150℃条件下使稠油的降粘率达到68.97%。3、反应条件对稠油催化降粘效果影响考察了几种催化剂在不同反应温度(120℃、150℃、180℃)和不同反应时间(12~72h)条件下对稠油催化降粘效果的影响,结果表明在120℃时催化剂表现出了一定的催化活性,偏钛酸催化剂的加入相对于空白实验降粘率提高了约14%;并随着温度的升高稠油的降粘率得到提高,在180℃时都具有最高的降粘率。催化剂H2Ti O3、Zr/H2Ti O3-2和SO42-/Ti O2在180℃下分别使稠油降粘率达到68.97%、75.86%和68.97%。在反应时间不同时,随着反应时间的的增加稠油的降粘率逐渐提高,最后趋于平衡。Zr/H2Ti O3-2在反应36 h后稠油粘度基本保持不变,降粘率为72.41%,而Si O2/H2Ti O3-2和超强酸SO42-/Ti O2在72 h后粘度仍在下降,其降粘率均为68.97%。同时,还分析了偏钛酸和锆掺杂偏钛酸在150℃反应前后对稠油族组分变化,结果表明经过催化反应后,H2Ti O3使稠油的重质组分(胶质和沥青质)由52.14%降低到45.41%,Zr/H2Ti O3和Si O2/Zr/H2Ti O3分别使稠油重质组分降低到41.97%和41.90%。Si O2/Zr/H2Ti O3对稠油催化降粘效果明显高于Zr/H2Ti O3,而其对稠油的重质组分裂解量几乎相同,可能是因为两种催化剂对重质组分的裂解产物不同造成的。经过Zr/H2Ti O3催化反应后,稠油的饱和烃组分增加了3.58%,芳香烃增加6.59%,说明Zr/H2Ti O3重要使重质组分裂解生成了芳香烃;而Si O2/Zr/H2Ti O3-2主要使重质组分裂解生成饱和烃,其催化后饱和烃增加8.15%,芳香烃增加量仅为2.09%。