烏爾禾油砂組成分析

李 敏， 楊振興， 陳鴻漢， 閻光緒， 郭紹輝

(1.中國地質(zhì)大學(北京) 水資源與環(huán)境學院，北京 100083； 2. 中國石油大學(北京) 油氣污染防治北京市重點實驗室，北京 102249)

全球油氣勘探領(lǐng)域正在呈現(xiàn)非常規(guī)與常規(guī)并進、深層與淺層并進、海洋與陸地并進“三個并進”態(tài)勢[1]。隨著全球能源需求的持續(xù)強勁和原油價格的節(jié)節(jié)攀升，油砂作為一種非常規(guī)能源，已受到國內(nèi)外學者的廣泛研究與關(guān)注[2]。中國的油砂資源量排名世界第五[3]，油砂主要分布于西部和東部盆地[4]。我國準格爾盆地烏爾禾地區(qū)油砂裸露的表面積大，分布連片集中，形成了大片的油砂山丘，且具有含油率中等、黏土顆粒較多、油質(zhì)較好等特點[5]。目前我國油砂資源利用研究還處于起步階段，研究主要集中于油砂儲量評估、地質(zhì)成因和油砂提取實驗等方面[6]。由于油砂的固體組成及粒徑大小對油砂分離具有重要影響[7-8]，而油砂的特性又直接影響其分離方案的選取，所以研究油砂中固相特性對油砂分離方案選取和瀝青后續(xù)加工具有一定的指導意義。油砂的應(yīng)用價值及油氣生成潛力，實質(zhì)上取決于其內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征和化學組成[9]。為了深入了解烏爾禾油砂的組成和結(jié)構(gòu)特點，本研究利用自動元素分析儀、激光粒度儀、X射線衍射儀和掃描電子顯微鏡等儀器，研究了烏爾禾油砂的基本組成、有機組成、元素組成、顆粒粒徑以及微觀結(jié)構(gòu)等，為后續(xù)烏爾禾油砂的分離及處理技術(shù)研究提供了借鑒。

1 材料及方法

1.1 實驗材料和儀器

烏爾禾油砂；甲苯(分析純，北京化工廠)；正庚烷(分析純，北京化工廠)；中性氧化鋁(層析用，國藥集團化學試劑有限公司)；正庚烷(化學純，北京化工廠)；石油醚(分析純，北京化工廠)；無水乙醇(分析純，北京化工廠)。

激光粒度儀(Mastersizer 3000，英國Malvern)；電子掃描顯微鏡(G300 70-81，德國ZEISS)；自動元素分析儀(ECS 4010，意大利Costech)；低速離心機(LD5-2B，北京雷勃爾離心機有限公司)；馬弗爐(SGM·M6/10，洛陽西格馬爐業(yè)股份有限公司)；X 射線衍射儀(Pert Pro MPD型，荷蘭帕納科)；瀝青質(zhì)測定器(DYH-153，大連雨禾石油儀器有限公司)；旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀(RE-6000，上海研承儀器有限公司)等。

1.2 研究內(nèi)容及方法

1.2.1 油砂基本組成分析 利用甲苯做萃取劑，采用索氏抽提法提取油砂中的油，實現(xiàn)油與砂的分離，利用重量法測定油、水及固體組分含量。

1.2.2 油砂油組成分析 使用自動元素分析儀分析油砂油元素組成與含量，采用NB/SH/T 0509—2010石油瀝青四組分測定法對烏爾禾油砂油開展四組分分析。

1.2.3 油砂固體顆粒組成及微觀結(jié)構(gòu)分析 使用馬爾文激光粒度儀對經(jīng)過450 ℃高溫灼燒后的油砂顆粒在20～2 000 μm進行粒徑分布測定，并用X射線衍射儀在40 kV、250 mA條件下，以8 (°)/min掃描度，在10°～80°掃描范圍內(nèi)對該油砂顆粒的礦物成分和含量進行測定，同時使用電子掃描顯微鏡在加速電壓為5.0 kV條件下觀察并采集該部分油砂顆粒微觀結(jié)構(gòu)。

2 結(jié)果與討論

2.1 油砂基本組成分析

經(jīng)過多次測定，油砂中含油率、含砂率和含水率結(jié)果見圖1。

由圖1可以看出，油砂含油率為6%～16%，含砂率為82%～92%，含水率較低，在0.5%～2.0%。通常認為含油率大于10%的油砂屬于高等級，回收其中的瀝青油具有一定經(jīng)濟可行性，因此烏爾禾油砂作為高品質(zhì)油砂，可對其進行油砂瀝青提取分離研究。

圖1 油砂基本組成Fig.1 Basic composition results of oil sands

2.2 油砂油組成分析

2.2.1 油砂油元素組成分析 使用自動元素分析儀對油砂油進行分析，得到了油砂油元素分布特點。具體分析結(jié)果見圖2。

圖2 油砂油元素分析Fig.2 Elemental analysis of oil from oil sands

由圖2可知，烏爾禾油砂油中碳元素、氫元素、氧元素、氮元素和硫元素質(zhì)量分數(shù)平均值分別為81%、10%、7%、1%和1%；氫碳原子數(shù)比為1.48，初步說明烏爾禾油砂油相具有縮合程度大和分子結(jié)構(gòu)復雜的特點；氧元素含量相對較高，主要是因為油砂油中含有大量有機酸類物質(zhì)，也說明了我國的生油特性為陸相生油[10]。

2.2.2 油砂油四組分分析 四組分代表油砂油的族組成，最常用的測定方法為四組分分析法。油砂油四組分分析結(jié)果如表1所示。

由表1可知，烏爾禾油砂洗出油中膠質(zhì)、瀝青質(zhì)質(zhì)量分數(shù)平均值分別為27%、12%，飽和分質(zhì)量分數(shù)最高，約為40%；芳香分質(zhì)量分數(shù)為21%。瀝青質(zhì)的多少決定了油砂瀝青的膠體穩(wěn)定性，瀝青質(zhì)質(zhì)量分數(shù)越多，油砂瀝青膠體體系越不穩(wěn)定[11]。烏爾禾油砂洗出油中瀝青質(zhì)質(zhì)量分數(shù)相對較低。這樣油砂瀝青會比較容易從砂粒表面脫離，利于水洗分離。飽和分質(zhì)量分數(shù)較高，這有利于油砂水洗分離，且在后續(xù)煉廠處理過程中也會有較高的輕質(zhì)組分收率。

表1 四組分分析結(jié)果Table 1 The results of four-component analysis

2.3 油砂固體顆粒組成及微觀結(jié)構(gòu)分析

2.3.1 油砂固體顆粒粒徑分布 使用馬爾文激光粒度儀對油砂固體顆粒粒徑分布情況進行了測定，結(jié)果如圖3所示。

圖3 油砂固體顆粒粒徑分布

Fig.3Distributiondiagramofgrainsize

由圖3可知，油砂的體積平均粒徑為204 μm。粒徑分布有兩個比較明顯的峰：一個峰粒徑在10～50 μm，該粒徑范圍為黏土成分；另一個峰粒徑在100～400 μm，該粒徑范圍為砂粒成分。這也說明了烏爾禾油砂的固體物質(zhì)主要是砂粒和黏土。

2.3.2 油砂顆粒礦物成分及相對含量分析 使用X射線衍射儀對油砂固體顆粒的礦物組成及相對含量進行了分析，測試結(jié)果如表2所示。

表2 油砂固體顆粒礦物成分及相對含量Table 2 Mineral composition and content of particles

續(xù)表2

由表2可知，油砂固相主要成分為SiO2，其次是Al2O3，兩者占據(jù)了油砂固相的85%以上，表明油砂中含有85%以上的黏土礦物質(zhì)，其中含量較高的礦物質(zhì)有：Na2O、K2O、CaO、Fe2O3、MgO。另外，烏爾禾油砂中黏土含量較高，這些超細顆粒和黏土顆粒在潤濕的情況下很容易與油砂瀝青、水等發(fā)生乳化作用，形成乳狀液體，這對油砂分離會產(chǎn)生不利影響。

2.3.3 油砂固體顆粒微觀結(jié)構(gòu)分析 使用掃描電子顯微鏡在加速電壓5.0 kV條件下，對油砂固體顆粒的微觀結(jié)構(gòu)進行了不同放大倍數(shù)下的圖像采集，具體結(jié)果如圖4所示。

觀察圖4中的油砂表面結(jié)構(gòu)，可知油砂表面多孔粗糙、膠結(jié)程度較高，將增加油砂瀝青提取分離的難度。

Fig.4Themicrostructureofsolidparticles

3 結(jié)論

通過對烏爾禾油砂的基本組成與結(jié)構(gòu)特性進行實驗分析，得到如下結(jié)論：

(1) 油砂含油率為6%～16%，含砂率為82%～92%，含水率較低，在0.5%～2.0%，屬于高品質(zhì)油砂。

(2) 油砂提取油中最主要的兩種元素為碳和氫，質(zhì)量分數(shù)總和為91%，氧元素質(zhì)量分數(shù)相對較高，主要為有機酸類物質(zhì)；膠質(zhì)、瀝青質(zhì)質(zhì)量分數(shù)分別為27%、12%。飽和分質(zhì)量分數(shù)最高，約為40%；芳香分質(zhì)量分數(shù)為21%。膠質(zhì)質(zhì)量分數(shù)較高，不利于油砂油品從固相表面的分離。

(3) 油砂固體顆粒的體積平均粒徑為204 μm，主要成分為SiO2，其次是Al2O3，油砂固體顆粒中含有85%以上的黏土礦物質(zhì)。由于黏土含量較高，易與油砂瀝青、水等發(fā)生乳化作用，將會導致油砂分離效率降低。通過對油砂固體顆粒微觀結(jié)構(gòu)的觀察發(fā)現(xiàn)其表面結(jié)構(gòu)多孔粗糙、膠結(jié)程度較高，會對油砂分離造成不利影響。

[1] 鄒才能,陶士振,白斌,等.論非常規(guī)油氣與常規(guī)油氣的區(qū)別和聯(lián)系[J].中國石油勘探,2015,20(1):1-14.

Zou C N, Tao S Z, Bai B, et al. Differences and relations between unconventional and conventional oil and gas[J]. China Petroleum Exploration, 2015,20(1):1-14.

[2] 曹鵬,鄒偉宏,戴傳瑞,等. 油砂研究概述[J]. 新疆石油地質(zhì), 2012,33(6):747-750.

Cao P, Zou W H, Dai C R, et al. A review of oil sands[J]. Xinjiang Petroleum Geology, 2012,33(6):747-750.

[3] 高杰,李文.加拿大油砂資源開發(fā)現(xiàn)狀及前景[J].中外能源,2006,11(4):9-14.

Gao J, Li W. Status and prospect of oil sand resource development in Canada[J]. China Foreign Energy, 2006,11(4):9-14.

[4] 單玄龍,車長波,李劍,等.國內(nèi)外油砂資源研究現(xiàn)狀[J].世界地質(zhì),2007,26(4):459-464.

Shan X L, Che C B, Li J, et al. Present status of oil sand resources at home and abroad[J]. Global Geology，2007,26(4) :459-464.

[5] 耿榮妹. 烏爾禾油砂的特性及其熱堿水洗分離的試驗研究[D].北京：中國石油大學(北京),2014.

[6] 喬麗蘋,戴建凱,王者超,等. 風城油砂細觀結(jié)構(gòu)與力學性質(zhì)試驗研究[J]. 土木工程學報,2015,48(S2):59-63.

Qiao L P, Dai J K, Wang Z C, et al. Experimental investigation on meso-scale structure and mechanical behavior of Fengcheng oil sands[J]. China Civil Engineering Journal,2015,48(S2):59-63.

[7] 李嘉,周魯,李克峰.泥沙粒徑分布函數(shù)的分形特征與吸附性能[J].泥沙研究,2003,6:16-19.

Li J, Zhou L, Li K F. Fractal features of sediment granular distribution function and adsorption performance[J].Journal of Sediment Research, 2003,6:16-19.

[8] Dai Q, Chung K H. Bitumen—sand interaction in oil sand processing[J].Fuel,1995,74(12):1858-1864.

[9] 劉洪鵬,鞏時尚,賈春霞,等. 基于TG和FTIR的印尼油砂微觀結(jié)構(gòu)及熱解特性實驗[J]. 科學技術(shù)與工程,2017,17(18):1-8.

Liu H P, Gong S S, Jia C X, et al. Experiment on microstructure and pyrolysis characteristics of oil sands in indonesia based on TG and FTIR[J]. Science Technology and Engineering, 2017,17(18):1-8.

[10] 黃劍雄.油砂資源現(xiàn)狀及其開采分離方法淺談[J].廣州化工，2011,39(8):24-26.

Huang J X. Brief analysis of the existing condition and the separation method of oil-sand[J].Guangzhou Chemical, 2011,39(8):24-26.

[11] 張武濤. 新疆油砂性質(zhì)與熱解研究[D].青島：中國石油大學(華東),2013.