毕业时间：2024年6月

毕业去向：中石化长城润滑油公司研究院

学位论文：稠油化学组成及其对黏度的影响

稠油是储量最丰富的石油能源，稠油自身的高黏度使其难以开采利用。稠油分子组成复杂多样，结构繁多，不同油源稠油间组成差异很大，给稠油致黏机理的研究带来巨大挑战。在分子层次上表征稠油分子组成，研究致黏组分的作用机制，有助于全面分析稠油的致黏机理，为稠油降黏开采提供理论指导。本文围绕稠油分子的定性定量组成，研究特定组分的黏度贡献，并提出以统计力学为基础，结合摩擦理论的分子热力学稠油黏度模型。主要内容包括：

 

基于高分辨质谱半定量分析技术，分析了35个稠油的分子组成，结合机器学习方法分析了稠油的元素组成、族组成、分子组成对黏度的特征重要性，得出稠油致黏和降黏关键组分。该研究采用机器学习方法，首次基于稠油定量组成数据，提出了稠油黏度贡献的内部组成因素：元素对稠油黏度的特征重要性顺序为：H>N>C>O>S；化合物的特征重要性的顺序为：饱和烃>芳烃>硫化物>酸性氧化物>非碱性氮化物>碱性氮化物，硫化物和非碱性氮化物对黏度的贡献一部分来自于其中的含氧多杂原子化合物；低碳数饱和烃的降黏作用较大，高碳数芳烃的增黏作用略大于低碳数芳烃的降黏作用；含氧化合物对黏度的重要性随氧原子数增多而增大，同样，碱性氮化物的影响随氮原子数的增多而增大，然而硫化物的影响则随硫原子数的增多而减小；含氧的硫化物和非碱性氮化物对黏度的影响大于不含氧的硫化物和非碱性氮化物，氧在其中起到重要的作用。

 

针对稠油中最为普遍的类型之一高酸油，通过高分辨质谱表征酸碱萃取法分离的石油酸在不同馏分中的分布及其分子组成，研究石油酸对稠油窄馏分黏度的影响，深入认识石油酸在稠油中的的作用机制；同时对酸碱萃取难以得到的重质石油酸，采用碱改硅胶柱色谱进行极性梯度分离，并研究其在稠油乳化过程中的作用及其对稠油乳状液黏度的影响。该研究以石油酸为研究对象，分析稠油中的不同分子量和极性的石油酸的组成和结构，提出石油酸在稠油和乳状液中对黏度的影响：石油酸对黏度的影响很大，少量的石油酸会使黏度大幅度增大；长链环烷酸能够形成稳定的油包水型乳状液，使黏度增大；而短链链烷酸会使油包水型乳状液不稳定，甚至发生转相形成水包油型乳状液，使黏度减小。

 

研究几种不同极性和分子量的轻组分对稠油降黏速率和降黏效果的影响，提出轻组分对稠油黏度的重要性以及稠油黏度本质，即稠油中轻组分的缺失是造成稠油高黏的根本原因，轻组分的含量是原油黏度的决定性因素。

 

提出稠油黏度动态摩擦理论参数-分散沥青质FT PC-SAFT模型，该模型弥补了单参数SARA FT PC-SAFT模型在模拟稠油低温下超高黏度的不足，同时建立了动态摩擦理论参数的单数据点拟合方法，首次提出了FT PC-SAFT稠油黏温模型。该研究为稠油原位开采及稠油在复杂温度压力下的黏度预测提供可行性方案。模型在4个不同稠油的黏度模拟中平均绝对相对偏差（AARD）均低于36.52%，和单参数SARA方法相比AARD值分别降低了16.81%、24.26%、97.31%和87.75%，应用在其他稠油上AARD值仅为11.20%。

 

关键词：稠油；分子组成；黏度；石油酸；高分辨质谱；机器学习；PC-SAFT

在校期间发表学术论文：

1. Zhao QH, Wu JX, Zhou TH, Zhao SQ, Shi Q (2024) Impact of molecular composition on viscosity of heavy oil: Machine learning based on semi-quantitative analysis results from high-resolution mass spectrometry. Petrol Sci. doi:10.1016/j.petsci.2024.03.026

2. Zhao QH, Ma S, Wu JX, Chang WF, Zhang SF, Sun XG, Zhou B, Lun ZM, Chung KH, Shi Q (2023) Molecular composition of naphthenic acids in a Chinese heavy crude oil and their impacts on oil viscosity. Petrol Sci 20 (2):1225-1230. doi:10.1016/j.petsci.2022.09.016

3. Zhao Q, Shi Q, AlHammadi AA (2023) Viscosity Modeling of Heavy Crude Oil Using the Friction Theory Combined with PC-SAFT. Energy Fuels 37 (14):10248-10256. doi:10.1021/acs.energyfuels.3c01405

4. Su R, Li Y, Ma S, Xiang H, Wang Z, Hu Z, Zhao Q, Chen L, Pan J, Xu C, Liao G, Shi Q (2023) Evolution of Hydrocarbons and Carboxylic Acids in Heavy Oil during In Situ Combustion in Xinjiang Oilfield. Energy Fuels 37 (18):13751-13758. doi:10.1021/acs.energyfuels.3c02475

5. Wu J, Li H, Zhao Q, Zhou B, Lun Z, Zhang Y, Chung KH, Shi Q (2022) Characterization of crude oil interfacial material by high-resolution mass spectrometry. Journal of Petroleum Science and Engineering 214. doi:10.1016/j.petrol.2022.110509