随着常规化石能源的日益消耗,储量大、分布广的稠油作为重要的非常规油气资源,其勘探和开发受到越来越多的关注。然而,由于稠油中重质组分含量高导致其粘度大、流动性低、品质差,使得其开采、运输和加工面临重重技术困难。因此,提高稠油采收率的关键在于降低其粘度,提高其流动性,改善其品质。目前,有关稠油开采技术主要有物理降粘技术（以热力、微波、声波、磁场等外力辅助）、化学降粘技术（利用催化剂、表面活性剂等化学药品）,掺稀油降粘技术和生物降粘技术（利用微生物或生物质）等。其中,化学降粘技术中的过渡金属催化剂水热催化裂解结合了物理热力降粘和化学降粘的共同技术优势,可以有效减少稠油中重质组分从而改善稠油品质达到不可逆降低粘度的目的,是目前降低稠油粘度提高采收率最有效途径之一。因此,过渡金属催化剂的在稠油水热裂解降粘中的应用受到该领域科研工作者的极大关注,相关研究工作已有大量报道。虽然不少研究中提到含杂原子（S,O等）的脱除有利于稠油中重质组分的减少和轻质组分的增加,是降低粘度的主要原因之一,然而,这些研究大多仅停留在催化降粘剂的制备及其应用层面,仍缺乏对其具体的催化降粘机理的深入系统研究,从理论计算层面对稠油重质组分中的主要致粘化合物的催化裂解脱除过程的相关研究更是几乎未见报道,这导致有针对性地选择和设计高效催化剂缺乏足够的理论支撑,进而影响稠油水热裂解催化方法的工业化应用进程。因此,深入研究稠油中重质组分中致粘化合物的裂解机理对于设计高效稠油降粘催化剂和推进稠油水热裂解催化方法的工业化应用具有十分重要的理论价值和现实意义。本论文将理论计算和模型化合物裂解以及稠油催化降粘实验相结合,从理论角度和实验角度针对稠油中含硫化合物的裂解机理和含氧化合物对粘度的影响机制开展了研究,具体研究内容和所获进展如下:1.针对稠油中含硫化合物,以CH₃SCH₃、四氢噻吩和噻吩分别作为饱和直链硫醚类、四氢噻吩类、噻吩类模型化合物,选用水热催化裂解常用的廉价铁基催化剂M-Fe₂O₄（M=Mn,Fe,Ni,Co,Cu）作为反应催化剂,利用VASP理论模拟计算,从分子动力学角度研究了稠油中不同含S化合物在Fe₃O₄催化剂表面的裂解行为以及不同M-Fe₂O₄催化剂对C-S键的活化裂解情况。对比了H₂O分子以不同形式存在时CH₃SCH₃在Fe₃O₄（111）表面的裂解行为和电荷变化。另外,对只有H₂O分子或者只有Fe₃O₄（111）表面存在时CH₃SCH₃的裂解过程进行了计算,并对反应过程电荷进行了分析。研究结果表明CH₃SCH₃分子在Fe₃O₄（111）表面的分解过程为在游离H₂O分子参与下通过两步反应生成一分子H₂S和两分子CH₃OH:第一步,在游离H₂O分子作用下CH₃SCH₃裂解一个C-S键生成CH₃OH和HSCH₃吸附在Fe₃O₄（111）表面;第二步,HSCH₃中的C-S键在游离H₂O分子作用下裂解,生成CH₃OH和H₂S吸附在Fe₃O₄（111）表面,完成CH₃SCH₃分子中C-S键的彻底断裂。在与CH₃SCH₃裂解相同条件下,对比了四氢噻吩和噻吩在Fe₃O₄（111）表面的裂解的反应热和活化能,并结合反应电荷变化分析其反应机理。研究结果发现不同含S化合物在Fe₃O₄（111）表面分解的分子动力学难易顺序为:直链硫醚类化合物>四氢噻吩类化合物>噻吩类化合物。当不同过渡金属离子M（Mn,Fe,Ni,Co,Cu）以M-Fe₂O₄形式参与反应时,M-Fe₂O₄（111）对CH₃SCH₃分子的吸附强弱顺序为Cu-Fe₂O₄（111）>Ni-Fe₂O₄（111）>Co-Fe₂O₄（111）≈Mn-Fe₂O₄（111）>Fe₃O₄（111）,对C-S键的催化裂解活性顺序为Mn-Fe₂O₄（111）>Co-Fe₂O₄（111）≈Ni-Fe₂O₄（111）>Fe₃O₄（111）>Cu-Fe₂O₄（111）。2.合成了M-Fe₂O₄系列催化剂,并将其用于含S模型化合物催化裂解反应和稠油水热催化裂解降粘实验。分析了不同条件（水添加量为0%,1%,5%,10%,30%,50%和无催化剂存在时）下直链硫醚类（以乙硫醚为反应模型化合物）在Fe₃O₄催化剂作用下的裂解行为,并对比了四氢噻吩类（以四氢噻吩为反应模型化合物）、噻吩类（以噻吩为反应模型化合物）化合物以直链硫醇类（以正丁硫醇为反应模型化合物）化合物的催化结果。同时,利用不同催化剂M-Fe₂O₄进行了硫醚类化合物的催化裂解实验和对应稠油水热催化降粘实验。不同条件下乙硫醚的分解实验结果表明Fe₃O₄催化剂的存在有助于促进C-S键的断裂,从而一定程度上提高硫醚分解率,H₂O分子的存在有助于断裂生成的自由基中间体被捕获进而可将硫醚类化合物中C-S键彻底断裂,当水的添加量为30%时可将20.64%的乙硫醚几乎完全催化转化为小分子化合物;不同类含S模型化合物在Fe₃O₄催化剂上的催化裂解反应活性顺序为:直链硫醇类化合物>直链硫醚类化合物>四氢噻吩类化合物>噻吩类化合物。不同M-Fe₂O₄催化剂对模型化合物乙硫醚的催化反应表明其对硫醚类化合物去除顺序为Cu-Fe₂O₄>Ni-Fe₂O₄>Mn-Fe₂O₄>Co-Fe₂O₄≈Fe₃O₄,Ni,Mn,Co,Fe等过渡金属离子参与时M-Fe₂O₄催化反应性能与理论计算结果相一致,其中Cu-Fe₂O₄在实验中表现出对硫醚的去除率较高主要是由于其吸附作用较强导致,对应小分子化合物的转化率最低。M-Fe₂O₄催化剂用于稠油水热催化裂解降粘时对油样的脱硫效果为Ni-Fe₂O₄>Mn-Fe₂O₄>Fe₃O₄>Co-Fe₂O₄≈Cu-Fe₂O₄,除Cu-Fe₂O₄外,其它M-Fe₂O₄催化剂与乙硫醚分解实验结果相一致;催化活降粘性顺序为Cu-Fe₂O₄≈Fe₃O₄≈Ni-Fe₂O₄>Co-Fe₂O₄>Mn-Fe₂O₄。3.针对含稠油中含O化合物,通过低温H₂O₂氧化实验（100?C/12 h）和高温裂解实验（200?C/12 h）研究了稠油中含氧化合物对粘度的影响机理,确定了影响粘度的主要含氧化合物种类为烃基含氧羧酸,并通过理论模拟计算（以C4^C20羧酸为含O模型化合物）和模型化合物（以十八酸为含O模型化合物）的实验研究,初步探究了稠油中羧酸化合物的裂解机理。低温下氧化实验结果表明向稠油中氧化过程会向油样中引入含氧化合物,导致油样中有机酸含量的增加,促使油样中芳香烃向胶质和沥青质的转化,从而引起稠油粘度的升高。对油样中有机酸进行提取并对其结构组成分析,发现油样中有机酸的种类主要是烷烃类羧酸。在高温反应中,这些有机羧酸会发生部分裂解生成CO₂和烃类,从而使油样中重质组分向轻质组分转化而促进其粘度的降低。以丁酸作为稠油中羧酸模型化合物,利用理论计算研究羧酸以不同形式自由基分解过程,结果发现:羧酸裂解为分解成烷烃和CO₂时对应反应活化能较低（62.88 kcal/mol）,反应容易进行,且该反应过程活化能随碳链长度的增加而升高,当C>12以后,反应活化能基本维持在130 kcal/mol左右不变;十八酸模型化合物催化裂解研究发现铜基催化剂的参与可以促进十八酸的裂解,邻二氮杂菲的引入能够能一步降低反应活化能（111.72 kcal/mol）,提高十八酸分解率。