如何科學開發(fā)利用油砂資源—專訪加拿大工程院院士、加拿大皇家學會院士徐政和

○ 文／本刊記者 陸曉如

開發(fā)利用油砂資源是能源需求的必然結果?？梢酝ㄟ^技術進步、尾礦利用等提高采收率，并減少其對環(huán)境的影響。

有人曾說，油砂是上帝送給加拿大人的最大財富。但油砂生產原油排放的溫室氣體明顯比傳統(tǒng)石油作業(yè)高。不僅如此，產生的廢棄物如果處理不當，將會對環(huán)境造成極大傷害。因此，油砂經常受到國際環(huán)保人士的指責，被稱為“臟油”。

我國2015年底頒出首個油砂礦采礦許可證，由此開始了油砂資源的開發(fā)利用。但油砂資源應不應該開發(fā)和如何開發(fā)的討論從未停止。加拿大工程院院士、加拿大皇家學會院士徐政和在接受本刊記者采訪時分享了他的觀點。

關注油砂資源

中國石油石化：徐院士，您好！請問您對未來能源發(fā)展趨勢有怎樣的判斷？

徐政和：隨著人口的增長和社會經濟的發(fā)展，人類對資源的需求量持續(xù)增加，而自然資源并非取之不盡用之不竭。這就造成了人與自然之間的矛盾。

能源結構方面，雖然目前可再生能源是重點研究方向，包括風能、光能等，但未來幾十年內最重要的能源還是化石能源，特別是石油還將是能源消費主體。石油作為不可再生資源，隨著人類的不斷開發(fā)利用，常規(guī)石油資源將會慢慢枯竭，因此非常規(guī)石油資源日益受到重視，也是必然要進行開發(fā)的。

中國石油石化：油砂作為非常規(guī)油氣資源的一種，它的開發(fā)利用有何意義？

徐政和：我曾在加拿大阿爾伯塔大學任教多年。因地利之便，對加拿大油砂的開發(fā)利用有所了解，也做過相關研究。

油砂由砂粒、瀝青、礦物質、黏土和水等五部分組成。不同地區(qū)油砂礦的組成不同，一般瀝青含量為3 wt%～20 wt %，砂和黏土等礦物占80 wt%～85 wt%，水占3 wt%～6 wt%。油砂資源的總體特點是油質黏稠，含油量少。但油砂分布廣泛，資源量豐富。目前，已知世界油砂技術可采總量約為1035.1億立方米，占世界可采總量的32%，約為常規(guī)石油剩余可采資源量的68%。

加拿大的油砂儲油量位居全球第二，僅次于石油王國沙特。加拿大油砂覆蓋的地區(qū)比英格蘭和威爾士的總面積還大。其中，加拿大西部內陸的阿爾伯塔省擁有世界上81%的含油砂儲藏量。絕大多數(shù)目前進入工業(yè)開采的油砂提煉工廠都位于該省廣袤的北方針葉林地下。該省油砂儲藏有大約1.35萬億噸石油，超過目前人類已經消耗掉石油的總量，也超過目前已估算出的、人類尚未利用的傳統(tǒng)石油存量。

中國油砂資源位居世界第五位。通過對全國24個含油砂盆地106個礦帶進行的資源量計算，我國油砂油地質資源量為59.7億噸，可采資源量22.58億噸。其中，0～100米埋深油砂油地質資源量為18.56億噸，油砂油可采資源量為11.31億噸；100～500米埋深預測油砂油地質資源量為41.14億噸，油砂油可采資源量為11.27億噸。中國石油所擁有的礦權區(qū)內，油砂油地質資源量為44.3億噸，占全國總量的74.2%。

2006年底，中國石油已經對礦權區(qū)內的油砂礦進行了排隊和優(yōu)選，預測出5個油砂礦分布有利區(qū)，分別為準噶爾盆地西北緣、松遼西斜坡、吉爾嘎朗圖、四川厚壩、玉門石油溝。2015年國內首個油砂礦采礦許可證已由中國石油克拉瑪依城投油砂礦勘探有限公司取得。油砂礦作為新型非常規(guī)能源項目已經在國內進入工業(yè)化開采階段。

研究油砂技術

中國石油石化：非常規(guī)油氣資源的開發(fā)難度都較大，油砂開發(fā)的難度如何？

徐政和：油砂開采方法與傳統(tǒng)石油開采截然不同。簡單的說，油砂開采主要采用露天開采和井筒熱驅兩種方式采出。

當含油砂靠近地表時，各開采公司用推土機推出一個巨大的露天礦坑，在礦坑內用大型傾卸卡車將油砂運到附近的分離工廠。在工廠里，含有瀝青的油砂被破碎，然后用高溫堿水沖洗，再用浮選法分離油和砂，再用離心機分離油和水，最后再煉制成油品。

這個過程中的關鍵技術是煉制中的油砂分離技術。油砂分離某種程度上類似于洗衣服，首先是加堿，就像加洗衣粉，隨后加熱水制漿并用管道輸送使瀝青從砂上脫離，最后再用巨型分離池由浮力富集瀝青產品。初步的處理只能得到60%的重油，經過進一步加工，重油含量可以提升到99%。這一切都需要現(xiàn)代化的加工廠執(zhí)行。

用露天開采的方法采油接近整個油砂油產量的一半，而另一半由蒸汽熱驅法實現(xiàn)采油。但是隨著淺層油砂資源的枯竭，這種采油方法的比重將進一步下降。提取埋藏更深的油砂中的石油典型的工藝是采用蒸汽輔助重力泄油（SAGD）開發(fā)。SAGD采油需先鉆井，然后通過井眼將300多攝氏度以上的高溫水蒸汽流泵入地下。油砂中的瀝青被蒸汽熔化，從而使瀝青在重力之下經泥沙縫隙流入采油管道，使所形成的漿狀物從地下抽到地表進行油水分離和提煉。

中國石油石化：您提到油砂分離技術是油砂開采利用的關鍵技術。您對此項技術是否有研究所得？

徐政和：石油在短時間內不會枯竭，但我們需要秉持對自然、對社會、對整個人類社會未來的發(fā)展負責任的態(tài)度，不斷地創(chuàng)新工藝，使原油資源的利用更充分、更高效。因此我和我的團隊十分重視相關技術的研發(fā)。

采原油以后，如何把油水、油砂分離？這需要很高的技術含量。其中的關鍵在于如何提高回收率，同時降低能量消耗。

在油砂分離時，黏附在固體上的稠油在水中必然受到界面張力作用，但需要熱能或機械力作為驅動力使瀝青脫離固體，因此造成能量消耗。通常黏度越低，油珠的運動速度越快。因此溫度對油砂分離起著重要的作用。除了改變溫度，我們考慮通過加入特定的溶劑降低其黏度。我的研究團隊對此工藝進行深入原創(chuàng)性研究，發(fā)現(xiàn)加入柴油可以促進瀝青更有效地脫離固體砂粒，并降低氣泡黏附到油珠上的感應時間，在常溫下就可以實現(xiàn)油砂高效、快速分離。

不同礦場里面出來的原料加工行為極不一樣，同樣的油砂從三個不同地方出來，回收效果有時會截然不同。我們通過加柴油的方法能夠使加工過程對原來原料的變化敏感度降低，提高回收率，而且越難提取出來的原料效果越好。從不同物料的角度證明我們新設計出來的工業(yè)可以在常溫下提高采油率?？偟膩碚f，這種采油技術的優(yōu)勢體現(xiàn)在低耗能、減少溫室氣體排放、減少操作花費、效果不隨原料變化而產生波動、廢棄物處理更簡單等方面。

我的團隊在非常規(guī)原油資源采油的技術開發(fā)方面積累了很多經驗，并將其總結成書《阿薩巴斯卡油砂礦中瀝青開采原理及實踐》。

利用油砂尾礦

中國石油石化：因會對環(huán)境造成影響，油砂資源的開發(fā)存在爭議。您對此怎么看？

徐政和：人類任何利用資源的行為都會對環(huán)境產生影響。關鍵在于怎么進行科學的開發(fā)利用，將對環(huán)境的影響降至最低。

油砂開采對環(huán)境的影響主要有開挖開采對地表植被的破壞、油砂熱洗對水資源的污染，以及SAGD開采蒸汽生產過程對大氣環(huán)境的影響等幾方面。

作為油砂開采量巨大的國家，加拿大政府采取了一系列管理措施，包括對水資源重復利用的管制，對外排水總量的控制，增加環(huán)境領域的科技投入，支持研發(fā)碳回收與儲藏以及清潔利用等技術，并探索在阿爾伯塔油砂開采中使用更清潔的能源等。企業(yè)也在通過植被恢復、動物保護以及通過技術進步減少用水量、減少溫室氣體排放等行動來修復、保護環(huán)境。油砂能夠以環(huán)境友好的方式發(fā)展。

中國石油石化：除了上述您提到的油砂開發(fā)對環(huán)境造成的影響外，油砂尾礦無疑也存在環(huán)境風險。有沒有辦法解決這個問題？

徐政和：油砂開采產生大量以泥漿形式排出的尾礦，主要是水、殘留瀝青、砂、淤泥、黏土及溶劑等形成的混合物。這些尾礦存在著污染地下水的風險，而且可能隨地下水的運移而污染更多區(qū)域?，F(xiàn)在大多存儲于日益增大的尾礦池中，不僅存在著泄漏到周邊土壤和地表水中的巨大風險，而且維護尾礦池本身耗資巨大并有重大安全隱患。

世上沒有絕對的垃圾，只有放錯位置的資源。油砂尾礦在尾礦池中隨著時間的推移會分為三個主要部分或三層。一是大于44微米的快速沉淀的粗砂。二是包括細砂和粘土的固體尾礦懸浮物，被稱為成熟細泥尾礦（MFT），其固體含量僅有30%左右。三是含油循環(huán)水表面層。各部分中都有很多可以利用的資源。

比如粗砂凈化后可以填回至采礦的礦坑里，還可以做建筑材料等。MFT是看著像奶酪一樣的基本不流動的東西，但含有高嶺土、氧化鈣等資源。高嶺土不僅是燒制陶瓷的主要原料，而且可以用于燒制水泥，用于涂料及造紙工藝。氧化鈣完全可以作為水泥生產所需的鈣質原料使用。

●只要措施得當，油砂能夠以環(huán)境友好的方式發(fā)展。 供圖/視覺中國

再比如，其中一部分油砂尾礦中含有高濃度的環(huán)烷酸鹽和重金屬礦物，如鉬、銅、鉻、鉛、鎳、鐵、釩等。加拿大一家石油公司和一家鈦金屬公司經過數(shù)年研發(fā)，成功從油砂尾礦中提取出了高價值含鈦礦物和鋯石，還可回收殘余的瀝青質和溶劑。這種技術處理，不僅能夠大大降低有害物質排放，而且可以變廢為寶，提煉出寶貴的金屬原料。目前，每噸鈦金屬售價約5000美元，每噸鋯石售價約1300美元，經濟效益可觀。

總而言之，油砂尾礦資源的可利用價值非常大，值得我們去研究、去利用。