储层层状硅酸盐矿物对纳米Fe2O3催化稠油原位水热改质的协同机制研究

【编辑推荐】本研究通过模拟储层环境（孔隙度25%、渗透率2000mD），首次系统揭示层状硅酸盐矿物（黏土/蒙脱石/伊利石）与纳米Fe2O3在240℃水热条件下的协同催化机制：矿物既作为催化剂载体防止Fe2O3团聚，其层间水分解产生活性氢（H+），与Fe2+/Fe3+氧化还原循环协同促进稠油大分子加氢裂解（HCK）及杂原子（S/N/O）脱除，黏土组改质效果最佳（沥青质降低3.92%），为提升稠油采收率（EOR）提供新策略。

　　

Highlight

本研究采用物理模拟装置（渗透率2000±100mD，孔隙度25%）首次阐明三种层状硅酸盐矿物（黏土、蒙脱石、伊利石）在纳米Fe₂O₃催化稠油水热改质中的协同效应。黏土展现最强催化活性，使重组分降低10.31%（沥青质减少3.92%），其机制在于：①矿物层间结构固定纳米Fe₂O₃防止团聚；②高温分解层间水产生活性氢（H⁺）；③Fe²⁺/Fe³⁺氧化还原循环促进氢释放，三者协同驱动稠油大分子加氢裂解（Hydrocracking）及硫/氮/氧杂原子脱除。

Materials

实验采用科隆化学公司（成都）提供的石英、蒙脱石、黏土、伊利石及正庚烷等试剂。催化剂为本课题组水热法合成的α-Fe₂O₃（XRD证实其晶体结构与标准卡片完全匹配）。

Analysis of reaction conditions

对比表面（高压釜）与储层（物理模型）模拟发现：表面条件下沥青质反增0.77%，而储层环境中矿物-催化剂协同使轻组分显著增加。黏土组在240℃、0.1wt%催化剂、油水比1:1条件下改质效果最优，证实多孔介质中矿物界面效应可显著提升催化效率。

Conclusion

层状硅酸盐矿物通过"载体固定-产氢-电子传递"三重机制与纳米Fe₂O₃协同增效，为稠油原位升级（In-situ upgrading）技术提供了矿物适配性理论依据。该发现对优化催化剂-矿物组合、提高采收率（EOR）具有重要指导意义。