由于世界石油需求日益增长。油砂作为非常规油气资源，可替代传统化石燃料，因其储量丰富，得到了世界各地的广泛关注。目前国内外油砂沥青质分离方法主要有三种：热碱水分离法、溶剂萃取法和热解干馏法。通常，热碱水分离法和溶剂萃取法可以不破坏沥青质结构对不同性质的油砂进行沥青质分离。无论是石油化工还是动力资源，都要经过热解过程。所以，研究油砂沥青质热解过程中物理化学结构的变化特征是油砂大量开发和高效清洁利用的重要基础。本文以核磁共振技术为主要研究手段，对6种油砂样品的化学结构特征以及热解过程中化学结构变化情况进行了详细的研究。通过固体13C核磁共振技术对油砂沥青质的核磁谱图分析，获得了表征油砂沥青质结构特征的12个碳结构骨架参数。根据研究分析结果，油砂沥青质中的脂碳含量达60%左右，表明其化学结构主要以脂碳结构为主。在脂碳中，亚甲基含量最多，主要出现在脂肪链中；芳香碳含量小于40%，其中质子化芳香碳含量多于非质子化芳香碳。在非质子化芳香碳中芳香桥碳含量最多，可推断芳香碳呈多环模式；羰基碳在油砂沥青质结构中所占比例极小。虽然基于获得的油砂沥青质的元素组成，可以将油砂沥青质归类到Ⅰ型干酪根，但是两者在成烃潜量和结构特征都存在较大差异。由此判断油砂沥青质并非由干酪根的降解产物。采用索氏抽提对油砂沥青进行抽提，获得全部沥青质。元素分析显示沥青质中主要元素成分为C元素和H元素。对抽提获得的油砂沥青质进行液体核磁实验分析，6种油砂沥青质脂肪族含量大于70%，以一种长直链结构模型为主，其平均链长大于8个碳原子。通过分析油砂热解产气的TG-FTIR谱图，发现油气的析出过程中主要是亚甲基和次甲基的C-H伸缩振动以及甲基的C-H面内弯曲振动。采用13C NMR技术获得了不同终温下的沥青质碳结构骨架参数，由此揭示出油砂热解过程中化学结构的变化规律。芳香族碳随热解温度增加而略有增加，脂肪族碳中亚甲基碳数量大幅度减小，是产油的主要贡献者，但甲基碳数量变化不明显。油潜力碳的比例ST4油砂由0.56下降到0.27，SD油砂有0.63下降到0.43。两种实验结果相互印证且吻合良好。