《Chinese Journal of Chemical Engineering》：Using Petroleum/Biomass Refinery Concepts to Develop Technologies for In-situ Upgrading of Heavy Petroleum
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重质原油原位升级技术探讨，结合催化气化、水热裂解及超临界水处理，通过氢能生产与添加剂应用提升油品流动性，最高达85%粘度降低。分析技术优势与挑战，包括催化剂设计、表面设施需求及成本效益平衡。
维森特·萨马诺（Vicente Samano）|豪尔赫·安切塔（Jorge Ancheyta）|吉列尔莫·费利克斯（Guillermo Félix）|亚历克西斯·蒂拉多（Alexis Tirado）|米哈伊尔·A·瓦尔福洛梅耶夫（Mikhail A. Varfolomeev）
墨西哥国立理工学院E.S.I.Q.I.E研究所，萨卡滕科（Zacatenco），墨西哥城，07738
摘要
本文发现了一些现有的或正在开发中的异地升级技术，这些技术原本用于石油精炼厂和生物质转化，现在可以应用于原位重质原油的升级。这些技术包括：利用与生物质催化气化类似原理的原位催化气化制氢；通过氢供体进行催化水热解，模拟氢供体在石油残渣中的减粘作用；以及使用超临界水（无论是否添加催化剂）进行原位处理，其原理基于超临界流体下的氢化反应。通过催化水热解降低重质原油粘度的效果因所使用的催化剂和反应条件而异，据报道最高可降低74%，而添加氢供体后这一效果可进一步提高至85%。文章还讨论了原位技术的各种优缺点，如抑制结焦、重质原油升级程度、所需表面设施、催化剂设计以及投资和运营成本等问题。
引言
众所周知，要在不久的将来实现净零排放目标，需要在能源行业的多个领域付出巨大努力。2024年11月11日至22日在阿塞拜疆巴库举行的第29届联合国气候变化大会（COP29）上指出，将全球变暖限制在1.5°C需要所有国家，尤其是主要经济体的共同努力。石油行业面临最大的挑战，因为它是环境污染的主要来源之一。国际能源署（IEA）建议，如果世界希望保持在安全的全球变暖范围内并在2050年前实现净零排放目标，必须停止新油田的勘探和开发。此外，还指出应提高现有重质油田的采收率，尤其是那些处于生产末期的重质原油油田[1]。
在之前的研究中[2]，我们探讨了将各种石油精炼工艺的技术概念应用于原位重质原油升级的可能性。研究发现，重质原油的下游和上游工艺之间存在许多相似之处。例如，石油精炼厂中常用的热气化制氢、溶剂脱沥青、浆态加氢裂化和水转化工艺，分别与原位重质原油升级中的氢生产、溶剂添加、氢添加和催化水热解工艺具有可比性。
无论是下游还是上游工艺，反应器都是关键设备。在下游工艺中，反应器是经过精心设计的容器，用于容纳反应所需的体积；而在上游工艺中，储层本身即可作为自然反应器。尽管监测和控制储层内部条件是一项挑战，但原位重质原油升级技术已成功应用，且未发现对岩层的破坏。
关于之前研究中的具体技术，我们得出结论：原位制氢是一种可行的氢生产方式，结合绿色氢和蓝色氢的生产，能够满足未来的能源需求。对于催化水热解技术，发现其在使用循环蒸汽刺激的油田中不需要额外设备；而原位添加氢则需要大规模的表面设施。
本研究是对我们之前报告的延续，旨在提供更多可用于原位重质原油升级的精炼工艺示例。受气化（一种典型的热碳排除过程）启发的原位氢生产技术可以通过催化剂得到改进，这种催化剂同样常用于生物质催化气化。催化水热解技术也可以通过添加氢供体来提升效果。使用超临界流体（尤其是水）注入储层以升级重质原油也是一种可行的方法。本文详细讨论了这些技术在原位升级中的优缺点。
部分内容摘录
生物质催化气化
气化是一种热碳排除工艺，常用于将石油精炼过程中的残渣（即真空残渣）转化为合成气（主要由氢和一氧化碳组成）。虽然之前已有相关研究，但借鉴生物质转化的经验，这一工艺可以通过使用催化剂得到改进。例如，基于镍的催化剂在富氢气体生产方面表现出良好性能
通过催化气化生产氢
热强化采油（EOR）方法常用于重质原油的回收。蒸汽注入（循环蒸汽刺激CSS、蒸汽辅助重力排水SAGD和蒸汽 flooding）是最广泛使用的热EOR方法，它们可以降低原油粘度并增加储层压力，从而帮助原油从岩石中释放出来。原位燃烧（ISC）是另一种热EOR方法，通过空气燃烧原油中的重质成分来产生热量展望
从石油和生物质精炼工艺中衍生出的概念（异地升级技术）可以有效应用于原位重质原油升级，即降低其粘度并提高储层内的API比重，从而改善原油的流动性并提高采收率。
这些异地升级技术要么已投入商业应用，要么正处于不同的开发阶段。总体而言，它们在概念上具有相似性
工业化挑战
这些技术的商业应用面临的主要挑战包括：
原位催化气化：
?原位催化气化制氢（轻质氢）需要较少的表面设施
?需要提高氧气注入效率，开发适合气化的最佳催化剂，调控原位燃烧过程，评估与二氧化碳等气体相关的地质储存风险，以及设计专门的氢气分离膜
结论
对
异地和
原位重质原油升级技术的比较分析得出以下关键结论：
?通过催化气化生产氢：原位氢生成应借鉴生物质催化气化的进展，特别是开发专门用于储层注入的低成本催化剂
?含氢供体的催化水热解技术可高效应用于实际油田
CRediT作者贡献声明
米哈伊尔·A·瓦尔福洛梅耶夫（Mikhail A. Varfolomeev）：撰写——审稿与编辑，撰写——初稿。维森特·萨马诺（Vicente Samano）：撰写——初稿，形式分析。豪尔赫·安切塔（Jorge Ancheyta）：撰写——初稿，监督，概念构思。亚历克西斯·蒂拉多（Alexis Tirado）：撰写——审稿与编辑，形式分析。吉列尔莫·费利克斯（Guillermo Félix）：研究，形式分析，概念构思
利益声明
? 作者声明没有已知的可能影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了俄罗斯科学基金会（项目编号21-73-300，始于2025年5月）的支持。
