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稠油注空气低温催化氧化采油技术是一项改善热采效果、提高采收率的新技术。该技术能在热采后期有效提高地层能量和减少热损失,同时空气气源广、成本低以及注入能力强等特点,使其具有广阔的发展前景。该技术实施的关键是需要选择一种合适的低温氧化催化剂,加速空气中的O2和地层中的稠油反应,以便在稠油注蒸汽吞吐/蒸汽驱开采时,能够有效的将稠油生产井井筒不凝气中的O2浓度降至安全值以下,确保生产过程的安全。本文以Ni、Fe、Cu、Mn和Al的硝酸盐为原料、渣油为有机溶剂,采用微乳液法制备5种纳米金属氧化物催化剂,并对合成的催化剂采用DLS、XRD、SEM、TEM和EDX进行表征。制备的CuO平均粒径约为84.3nm,渣油中的极性物质(胶质和沥青质)可对纳米CuO颗粒表面进行改性,使其具有一定的亲油性,增加了颗粒在原油中的分散稳定性,提高了催化效果。将合成的5种纳米金属氧化物催化剂用于辽河B-5#稠油低温氧化,以平均耗氧速率为评价指标,评选出最优的纳米CuO催化剂。采用纳米CuO催化剂,在评选出的最优实验操作条件下(催化剂用量O.1wt%,含水率20%,氧化反应温度120℃,注气压力2.5MPa,氧化反应时间9h),对稠油进行低温催化氧化,氧化油酸值由4.22 mgKOH·g-1增加至11.76 mgKOH·g-1,沥青质含量由0.45%增至13.73%,胶质含量由43.62%减少到30.98%,芳香烃含量由30.43%降到25.98%,饱和烃含量由25.5%增加到29.31%;与稠油非催化氧化相比较,加入纳米CuO催化剂,尾气中的02含量由8.76%降至3.90%,CO2含量由4.12%增至6.03%,平均耗氧速率提高了 1.4倍。温度对稠油低温催化氧化过程影响最明显。温度升高,02含量下降,平均耗氧速率增加,但温度>120℃时,稠油开始结焦,稠油性质变差;四组分分析结果表明,一定温度下,纳米CuO具有催化裂解效果。动力学和热效应研究表明,加入纳米CuO催化剂时,辽河稠油的低温氧化反应级数由0级反应变为1级反应,反应活化能从60.31kJ/mol降至45.06 kJ/mol,降低了 15.25%:100℃时催化氧化反应过程中总放热量为74.93kJ,能使稠油低温氧化过程绝热温升24℃,是同等条件下非催化氧化过程绝热温升的二倍,其热效应显著提高,说明催化剂加入既能加快低温氧化反应速率又能使氧化反应程度加深。红外光谱、GC-MS以及元素分析表明,纳米CuO催化稠油加氧反应的同时还能催化大分子化合物发生键裂解反应。在高温下铜的性质活泼,可形成Cu-稠油重组分配位络合物,降低稠油分子中C-C、C-N和C-S键的键能,发生键裂解反应;同时,O2在CuO的表面化学吸附,可形成O2-和O-活性中间物种,作为强亲电试剂,它们作用于稠油分子中电子云密度高的双键、三键以及芳环等部位,夺得电子形成碳正离子,诱发芳环侧链断裂;此外,原油中饱和烃类在CuO活化解离吸附作用下能够产生R·和H·自由基,从而加快氧化反应速率。