马帅
毕业时间：2023年10月（博士）
毕业去向：中石化 胜利油田
导师：徐春明、史权
学科专业：化学工程与技术
研究方向：石油与天然气化学
学位论文题目
稠油分子组成及其火驱过程中烃类热解产物的组成分析及烃类的热解规律
Molecular composition of heavy oil and its in-situ combustion process thermal cracking regularity of hydrocarbons
论文摘要
原油火驱开发是一种具有较好应用前景的开发技术，从分子水平认识火驱过程中烃类热解转化规律对理解火驱过程的微观机理具有重要意义。本论文研究聚焦火驱开采受效前后原油性质与组成的变化，建立火驱热转化产物分子组成表征方法，在分子组成层面上研究烃类热转化及生焦规律。主要内容包括：在模拟实验装置上对新疆油田重质原油进行了低温氧化（Low Temperature Oxidation，LTO）实验，通过气相色谱-质谱法（GC-MS）和傅里叶变换离子回旋共振质谱（FT-ICR MS）对原油及其转化产物的分子组成进行了表征。含氧和含硫化合物的分子组成发生了很大变化，而含氮化合物在此过程中表现出相对较高的稳定性。在单化合物水平上详细表征了裂解和氧化产物中的小分子氧化产物，如酮、脂肪酸、酚类化合物。大分子烃类化合物在残余物中得以富集。
研究不同温度（170 ºC、220 ºC、270 ºC和320ºC）条件下LTO产物分子组成。采用化学衍生法结合电喷雾（ESI） FT-ICR MS分析了热氧化油中不同种类的酮类（脂肪酮、环烷酮和芳香酮）的分子组成。结果表明，脂肪族酮和脂环族酮随着温度的升高而减少，而芳香族酮则随着温度的升高而增加。在相同的氧化温度下，酮的含量遵循：脂肪酮<环烷烃<芳香族酮。酮类化合物的浓度在170℃时达到最大值，在过高温下，酮的浓度下降。含氮化合物比其对应结构的碳氢化合物更容易被氧化成酮类化合物。<>
根据氧原子的数量和分子的极性，确定了3类不同氧化深度的反应产物，用于表征重油的低温氧化程度。在常压开放体系中，随着氧化深度的增加，重油的氧化反应由动力学控制变为扩散控制。油相的氧化反应在含氧量上达到了一个最大值并趋于稳定。随着反应温度的不断提高，酮类化合物和酸性多氧化物的分子组成没有明显变化。焦炭相中氧原子数量较多的深度氧化产物的分子组成发生了明显变化。氧含量和缩合度较低的焦炭前体分子参与了焦炭的形成，氧化反应途径和氧化产物成分的复杂性也随之增加。
使用GC-MS和FT-ICR MS在分子水平上表征了火驱现场稠油，分析了烃类化合物和酸性化合物的分子组成变化规律。通过GC-MS检测到丰富的小分子正构烷烃、苯系、萘系同系物生成，其对稠油粘度降低、品质提高具有主要贡献。尽管在受效稠油中检测到微量新生成的小分子脂肪酸，但环烷酸作为石油酸的主体仍是影响原油总酸值（TAN）的主要组分。受效原油的分子组成表明，火驱技术对稠油原位改质具有积极作用，裂解过程生成小分子化合物使油品轻质化并不效降低黏度。
关键词：稠油；火驱；分子组成；低温氧化；FT-ICR MS
创新点
（1）针对含氧化合物的低温氧化反应，得到了脂肪酮类、脂环酮类和芳香酮类化合物的分子组成变化规律，建立了指示不同氧化深度的反应产物指标，为研究原油在原位燃烧过程中的地下燃烧状态提供了理论依据和方法参考。
（2）在分子水平上揭示了新疆油田火驱开发过程中稠油烃类化合物和酸性化合物的组成变化规律，证实了火驱开发对稠油原位改质效果明显，对原油品质提升具有积极作用。
发表学术论文
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