稠油的高粘度特性是稠油分子结构体系中硫、氮、氧、金属等杂元素与芳环结构、烷基侧链之间物理/化学作用的反映。因此,杂元素与稠环化合物含量高是稠油粘度高、开采、集输和加工困难的内在根本原因。本文针对辽河稠油就地脱除杂元素的化学反应机理及其应用技术开展了系统研究,在注蒸汽热采条件下,利用化学手段,就地脱除稠油中部分杂元素,使稠油在地层内改质降粘,从而提高稠油的采收率及其开采价值。在脱除稠油中杂元素之前,通过催化水热裂解反应,破坏和拆分稠油大分子结构,使部分含杂原子的官能团暴露于大分子的边缘,有利于脱除杂元素反应的进行。因此,本文将气相催化剂应用于稠油井下水热裂解反应,可解决液相催化剂在热采井下与原油接触不充分导致催化效率低的难题。在无搅拌条件下,应用气相催化剂处理后,稠油的降粘率、分子量以及组成与结构变化等指标均达到常用液相催化剂的水平。分析了热采井下稠油的催化氧化脱硫反应机理,探讨了油层中硫化氢的来源,提出了湿法氧化脱硫的技术思路:稠油中硫元素脱除后,以SO₄^2-形态存在于水相中,而不是以有毒性和腐蚀性的“H₂S”形态存在。优化了催化氧化脱硫体系配方,研究确定了适宜的脱硫反应条件,使稠油脱硫率达到49.4%。辽河稠油中的含氧化合物以羧酸类居多,稠油中的氧元素可通过催化脱羧反应以“CO2”形式被脱除。实验证明,油藏矿物对脱羧反应具有催化作用,向油藏矿物中引入金属离子可使其催化活性得到增强。脱羧反应可导致稠油中胶质沥青质减少和黏度降低。分析了稠油中羧酸类化合物的脱羧反应途径,通过反应动力学实验研究,得到了稠油中含氧化合物脱羧反应的速率常数和活化能数据。分析了辽河稠油中金属元素的含量和赋存形态,提出了螯合法和吸附法脱除稠油中非卟啉类金属的原理,研制出脱金属剂PMAS,并研究了超细煤粉制备工艺。以辽河油田超稠油为处理对象,以钙、铁、镍三种金属的脱除率为评价指标,进行了脱金属试验,优化了脱金属工艺条件,取得了明显的脱金属效果。通过室内物理模拟实验和先导性现场试验,研究了“就地脱除稠油中杂元素”改质降粘技术在蒸汽吞吐开采稠油中的应用。室内实验和现场试验表明:稠油经脱除杂元素处理后,杂元素含量、粘度、平均分子量和胶质沥青质含量明显降低,而饱和烃与芳香烃含量增加;每口井的试验周期稠油产量比上周期增加了81.2²26.1t （未考虑周期递减率）,现场试验实现了稠油改质、降粘和增产的预期目标。本文的上述各项研究成果将有助于解决或缓解稠油中杂元素含量高引起的稠油开采、集输和加工中遇到的一系列难题。