《Journal of Molecular Liquids》：Steam-catalytic conversion of oil shale rock in carbon dioxide environment
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页岩油在储层条件下通过CO?转化与镍/钴催化剂作用，实现高粘度油品显著升级，实验显示油品粘度降低98%，轻质组分含量提升78.9%，硫含量下降，且钴催化剂加速CO?转化效率。
伊戈尔·基谢列夫（Igor Kiselev）| 奥伊贝克·米尔扎耶夫（Oybek Mirzayev）| 特穆拉利·霍尔穆罗多夫（Temurali Kholmurodov）| 塔吉克·阿拉什（Tajik Arash）| 米尔扎库洛夫·古洛姆科迪尔（Mirzakulov Gulomkodir）| 纳菲斯·A·纳齐莫夫（Nafis A. Nazimov）| 亚历克谢·瓦欣（Alexey Vakhin）| 乔治·安切塔（Jorge Ancheyta）
OQ公司、阿曼石油集团（Oman Oil Group）的数字工厂以及埃森哲（Accenture）合作项目，地点：马斯喀特大购物中心（Muscat Grand Mall），邮编118，阿曼（Oman）
摘要
本研究探讨了在储层条件下，利用基于镍和钴的催化剂前体，在二氧化碳（CO2的作用下，将页岩油中的高分子量烃类转化为轻质烃类化合物的过程。实验结果表明，使用催化剂进行二氧化碳转化后，产油的粘度降低了98%，轻质组分含量增加了78.9%。升级后石油的元素组成中硫含量有所下降。同时，岩石及其所产石油的官能团组成也发生了显著变化。钴催化剂的存在显著加速了二氧化碳向轻质烷烃的转化。向储层中注入二氧化碳是提高石油采收率和减少温室气体排放的一种很有前景的方法。这种方法不仅提高了可采石油的质量，还有助于利用多余的二氧化碳，从而降低大气中的二氧化碳浓度。
引言
二氧化碳（CO2）是全球变暖的主要贡献者。工业的快速发展在增加这种温室气体的排放量方面起到了重要作用。在现有行业中，石油行业可以被视为二氧化碳排放的最大来源之一。因此，研究人员一直在研究各种减少、吸收或储存二氧化碳的方法。
由于二氧化碳的惰性，将其作为化学反应中的主要试剂一直面临诸多挑战。利用催化系统对二氧化碳进行加氢处理可以有效解决这一问题，从而使二氧化碳成为生产新的有价值产品的可再生且经济可行的原料。此外，二氧化碳的使用还能促进副反应的发生[1]，从而为从复杂页岩储层中回收烃类提供机会。基于二氧化碳环境中烃类转化的技术的发展也强调了石油工业可持续性的重要性[2]、[3]、[4]。
全球页岩储量估计约为4万亿桶，超过了全球石油总储量（约2万亿桶）[5]、[6]。页岩的高粘度、高重质化合物（树脂和沥青质）含量以及低氢碳比等特性使得这些资源的开采变得困难。因此，人们进行了大量研究以改进这些资源的利用方式。例如，通过催化系统对二氧化碳进行加氢处理，可以生产出正烯烃、甲酸、甲醇、烯烃等产物。实验表明，页岩对二氧化碳的吸附能力比对甲烷（CH4）更强。当这两种气体共存于页岩中时，二氧化碳的吸附效果更佳。因此，通过注入二氧化碳可以显著提高页岩气采收率（ESGR）[7]、[8]，这可以通过原位分子交换机制促进预先吸附的甲烷释放，增加甲烷的采收量和速率。戈德克（Godek）等人[9]、[10]通过建模证明，在美国东部的马塞勒斯页岩（Marcellus Shale）中注入二氧化碳可使甲烷产量增加7%。纳塔尔（Nuttal）等人[11]、[12]、[13]对肯塔基州（Kentucky）的泥盆纪黑色页岩进行了二氧化碳和甲烷吸附研究，结果显示在相同压力条件下，二氧化碳的绝对质量吸附量是甲烷的五倍左右。值得注意的是，由于粘度与温度呈反比关系，热处理方法被认为是提高重质储层石油采收率的基本方法之一。人们尝试通过蒸汽加热、在井中燃烧气体燃料混合物、电阻加热和热气体注入等多种方法从页岩中提取石油。然而，蒸汽注入虽然具有潜在优势，但也存在大量消耗淡水和高能耗的缺点。因此，为提高蒸汽注入的效果和效率，人们提出了添加各种金属催化剂（如水溶性、油溶性或金属氧化物纳米颗粒）的方案。
如果加入高效的催化剂，可以改善蒸汽注入过程中的水热反应，从而减少所需的水量和能量消耗。高效的催化剂能够在低温下促进C
N、C
O和C
S键的断裂，从而减少高分子量化合物（树脂和沥青质）的含量，增加低分子量化合物（饱和烃和芳香烃）的含量。这些变化将导致石油粘度的持续降低。当将金属氧化物或水溶性催化剂加入储层时，可能会引起结块、分散性差、储层管道堵塞以及与油相接触不良等问题。相比之下，油溶性催化剂因能克服这些问题并显著提高生产效率而受到更多关注。许多研究致力于探讨这类催化剂的有效性[14]、[15]、[16]。霍尔穆罗多夫（Kholmrudov）等人[17]、[18]、[19]研究了油溶性镍催化剂系统对重质油回收效率的影响，发现添加2 wt%的催化剂可使粘度降低62.6%，并显著提高轻质组分的含量。镍和钴基催化剂的重要性还体现在它们的加氢性能上，包括它们能够减少多余的碳和其他有害排放物对环境的影响。这使得它们在将各种来源的碳转化为环保产品的催化剂中不可或缺。使用这些催化剂有望显著降低能源和化工生产过程中的碳足迹。此外，研究这些催化剂的结构和作用机制具有重要意义。全面了解活性中心及其与反应物的相互作用有助于开发性能更优的催化剂。通过结合不同金属或修饰催化剂表面，可以提高其抗中毒能力并提升整体性能。
基于镍和钴的催化剂在碳提取和利用过程中正成为可持续能源生产和环境安全之间的关键组成部分[20]、[21]。还应指出，进一步发现和优化这些催化剂的生产工艺不仅会提高其效率，还能使其被更多制造商采用，从而对环境和人们的生活质量产生积极影响[22]、[23]。
本研究提出了一种新的方法，通过利用基于镍和钴金属的油溶性催化系统，在页岩油中实现二氧化碳的原位转化，以提高蒸汽注入效率和岩热解（aquathermolysis）反应的效果。实验包括反应前后对石油和催化剂的表征，以研究石油成分的变化。
材料
页岩样本取自鞑靼斯坦（Tatarstan）的矿床。表1列出了页岩的主要物理和化学性质。该岩石样本可归类为油页岩或含硫页岩，后者需要选择适当的提取技术。其中重质分子片段的比例为73.4 wt%。
实验室测试和样品制备
实验在高压高温批式反应器（HPHT）中进行，温度为300°C，反应时间为48小时[24]。
气体分析
总体而言，加入催化剂后，甲烷、氢气和其他轻质烃类的浓度有所增加。对于镍催化剂，甲烷（CH4）的含量增加了25 wt%，轻质烃C2-C4的含量增加了8 wt%；而对于钴催化剂，甲烷（CH4）和C2-C4的含量分别增加了36 wt%和18 wt%。所有样本中都观察到了氢含量的增加（见表2）。
镍和钴催化剂的使用不仅...
结论
二氧化碳（CO2的注入不仅促进了矿化反应，还形成了固体沉淀物，这对于二氧化碳的利用和气候变化控制至关重要。因此，研究这一过程对于开发高效的二氧化碳利用技术具有重要意义。高效的矿化作用和坚固矿物的形成可以为长期减少大气中的二氧化碳排放提供环境可持续性解决方案。
高分子量烃类的转化...
作者贡献声明
伊戈尔·基谢列夫（Igor Kiselev）：方法论、概念设计。奥伊贝克·米尔扎耶夫（Oybek Mirzayev）：撰写初稿、可视化处理、方法论研究、形式分析、概念设计。特穆拉利·霍尔穆罗多夫（Temurali Kholmurodov）：方法论研究、概念设计。塔吉克·阿拉什（Tajik Arash）：方法论研究。米尔扎库洛夫·古洛姆科迪尔（Mirzakulov Gulomkodir）：方法论研究。纳菲斯·A·纳齐莫夫（Nafis A. Nazimov）：数据整理、概念设计。亚历克谢·瓦欣（Alexey Vakhin）：监督工作、资源调配、方法论研究、数据整理、概念设计。乔治·安切塔（Jorge Ancheyta）：方法论研究、形式分析、概念设计。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。
