油砂開(kāi)發(fā)及油砂油應(yīng)用的研究進(jìn)展

張 亮

(山東齊勝工貿(mào)股份有限公司，山東 淄博 255400)

1 油砂的基礎(chǔ)知識(shí)

1.1 油砂的組成

油砂是一種瀝青砂、富礦黏土和水的混合物,外觀似黑色蜜糖，一般油砂的密度較高、氫碳比較低、黏度較大以及含有較多的金屬雜質(zhì)。

具有高密度、高黏度、高碳?xì)浔群透呓饘俸康奶攸c(diǎn)。油砂至少有兩種含義：①它是砂子與巖石中的水分以及含油物質(zhì)(瀝青)組成的混合物；②特指油砂中包含的稠油資源，當(dāng)特指瀝青資源時(shí)，油砂也稱(chēng)為瀝青砂，其相對(duì)密度一般大于1[1-2]。

1.2 油砂結(jié)構(gòu)分類(lèi)

油砂一般分為親水性和親油性，主要是根據(jù)油砂中水膜和油膜的包裹形式定義的。親水性油砂是指油砂中的水膜在砂子的表層，夾在稠油和砂子之間，就是通常所說(shuō)的油包水類(lèi)型；親油性油砂是指稠油粘結(jié)在砂子的表層，水分在最外層，就是通常所說(shuō)的水包油類(lèi)型；對(duì)于親油性的油砂，由于砂子與稠油之間水膜的存在，所以采用水洗法能夠比較容易的將油砂分離開(kāi)來(lái)。親油性的油砂，稠油粘結(jié)在砂子顆粒之間，有的滲透到砂子內(nèi)部，采用溶劑抽提的方法提取相對(duì)容易一些。

2 油砂資源的儲(chǔ)量及分布概況

2.1 油砂的儲(chǔ)量

全世界油砂儲(chǔ)量大約3.7×1012桶[2]，其中加拿大油砂資源巨大，儲(chǔ)量居世界第一，儲(chǔ)量大約為2.9×1012桶。俄羅斯油砂儲(chǔ)量約為0.7×1012桶，位居世界第二。美國(guó)油砂儲(chǔ)量約為6.9×1010桶，位居世界第三。我國(guó)也有著豐富的油砂資源，主要分布在新疆和內(nèi)蒙古地區(qū)，具體的油砂資源儲(chǔ)量尚未進(jìn)行詳細(xì)評(píng)估[3]。

2.2 國(guó)外油砂的分布概況

加拿大油砂資源的儲(chǔ)量位居世界第一位，其儲(chǔ)量大約為2.9×1012桶。主要分布在加拿大的阿斯巴斯卡地區(qū)、冷湖地區(qū)以及和平湖流域，整個(gè)地區(qū)的油砂資源占據(jù)全世界的95%左右[4-5]。如果這些稠油資源能夠被很好的開(kāi)發(fā)利用，將會(huì)大大緩解世界能源緊張的局勢(shì)，也會(huì)使加拿大在整個(gè)北美地區(qū)的能源結(jié)構(gòu)中發(fā)揮重要的作用。加拿大油砂的主要分布概況如表1所示。

表1 加拿大油砂的主要分布概況

由表1中數(shù)據(jù)可以看出，阿薩巴斯卡地區(qū)是這幾個(gè)礦區(qū)中儲(chǔ)量最為豐富的地區(qū)，其地質(zhì)儲(chǔ)量預(yù)計(jì)為1.34×1012桶。阿薩巴斯卡地區(qū)的油砂埋藏深度較淺，屬于地表油砂，可以進(jìn)行露天開(kāi)采。加拿大地區(qū)的油砂資源儲(chǔ)量豐富而且大部分開(kāi)采已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)。

俄羅斯油砂資源也很豐富、分布較為廣泛，各含油氣的盆地均發(fā)現(xiàn)了油砂資源的存在。其儲(chǔ)量大約為7×1011桶。分布在伏爾加烏拉爾盆地、提曼伯朝拉盆地、西伯利盆地、亞濱里海盆地等地區(qū)[6]。

印度尼西亞有著豐富的油砂資源，而且油砂的含油量較高。印尼的油砂主要分布在布敦島，儲(chǔ)量大約為30億t。由于印尼地理位置和地質(zhì)環(huán)境的原因，印尼油砂的質(zhì)地較軟，多數(shù)油砂使粘結(jié)在一起，表面顏色成黑色或是黃褐色。印尼油砂具有高含油率、低含水率的特點(diǎn)。由于含水量較低，印尼油砂基本屬于親油性油砂，具有很高的開(kāi)采價(jià)值。

委內(nèi)瑞拉也有著大量的油砂資源，根據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)顯示，主要分布在在委內(nèi)瑞拉東部奧利諾科河以北地區(qū)。由于地理環(huán)境的原因，委內(nèi)瑞拉地下溫度較高，油砂油的流動(dòng)性較好，利于油砂資源的開(kāi)發(fā)利用。但是直接開(kāi)采出的稠油粘度較大，利用管道輸送仍然存在很大的難度。

美國(guó)也有著豐富的油砂資源，大約為6.9×1010桶，主要分布在于Alaska和Utah地區(qū)。

2.3 我國(guó)油砂資源

中國(guó)油砂資源潛力巨大，可能大于稠油資源的儲(chǔ)量，初步估我國(guó)的油砂儲(chǔ)量可達(dá)千億噸，其中含有的稠油資源約為100億t左右，有著廣闊的開(kāi)發(fā)前景。2003年，我國(guó)對(duì)油砂開(kāi)展了系統(tǒng)全面的評(píng)估，通過(guò)地質(zhì)調(diào)查的結(jié)果看出，我國(guó)的油砂資源主要分布在新疆地區(qū)和內(nèi)蒙古地區(qū)等[7]。1991～1994年新疆石油管理局勘探開(kāi)發(fā)研究院對(duì)準(zhǔn)噶爾盆地和內(nèi)蒙古二連盆地的油砂資源進(jìn)行了分析評(píng)估，勘察結(jié)果得出準(zhǔn)噶爾盆地西北緣油砂稠油地質(zhì)儲(chǔ)量2.29×108t ，可采儲(chǔ)量大約為6.4×107t ，油砂平均含油率約7.7%[8]。

我國(guó)的油砂資源，主要是分布在中生界和新生界，沿環(huán)太平洋地帶分布。其儲(chǔ)存的地質(zhì)集層大多為碎屑層。油砂資源分布范圍較廣、層位較多，但是油砂的含油率普遍較低、油砂層的厚度小[9]。層位多、厚度小、含油率低的特點(diǎn)。我國(guó)在油砂領(lǐng)域的研究程度較低，大部分盆地油砂資源量不清楚，基本清楚的少數(shù)盆地油砂資源量達(dá)到4.0×1010桶。

3 油砂的開(kāi)采方法

油砂的開(kāi)采方式有露天開(kāi)采和就地開(kāi)采。露天開(kāi)采是針對(duì)厚度在30～40之間，埋藏深度<100 m的油砂礦。就地開(kāi)采一般是埋藏深度>100 m的油砂。

3.1 露天開(kāi)采

露天礦采主要包含兩個(gè)部分：采礦和萃取。這種方法主要適用于埋深較淺的油砂礦，露天礦采[5,10]主要的開(kāi)采方法是：(1)利用鏟車(chē)將上層覆蓋的層砂鏟除，然后挖掘油砂；(2)將油砂挖掘出后，輸送到破碎裝置，粉碎油砂；(3)將粉碎后的油砂混合成砂漿；(4)將油砂輸送至分離裝置；(5)在分離裝置中進(jìn)行油砂分離，分離得到瀝青油和砂子。露天開(kāi)采技術(shù)主要適用于淺表地層的油砂開(kāi)采，它采用大型化的挖掘和輸送裝置，具有勞動(dòng)效率高、資源回收率高的特點(diǎn)。加拿大和委內(nèi)瑞拉地區(qū)的油砂產(chǎn)業(yè)幾乎都是采用這種方法。

3.2 就地開(kāi)采

就地開(kāi)采一般是針對(duì)埋藏深度大于75 m的油砂，因?yàn)槁癫厣疃容^深，需要?jiǎng)兂母采w層較大。目前全球的油砂資源中，大約85%的油砂埋藏深度較大，只能采用就地開(kāi)采的方式進(jìn)行。就地開(kāi)采不是直接將油砂挖掘出來(lái)，而是通過(guò)一定的技術(shù)手段直接在地下分離得到瀝青，在采用一定方法將瀝青抽出。就地開(kāi)采主要包括以下幾種：蒸汽循環(huán)刺激法、蒸汽輔助重力泄油技術(shù)、注入溶劑技術(shù)、井下就地催化改質(zhì)開(kāi)采技術(shù)、水熱裂解開(kāi)采技術(shù)等[11]。

3.2.1 蒸汽循環(huán)刺激法

蒸汽循環(huán)刺激法分為三個(gè)階段。第一階段是向油砂中注入高溫蒸汽，通過(guò)油砂礦的進(jìn)口連續(xù)注入。第二個(gè)階段是關(guān)井燜熱，即注入的高溫蒸汽由井孔周?chē)掷m(xù)向外擴(kuò)散，具流動(dòng)性的瀝青油的范圍會(huì)漸漸加大，這階段也是為期幾天到數(shù)周。第三個(gè)階段是開(kāi)井生產(chǎn)，抽取流動(dòng)性的瀝青原油，為期幾周到數(shù)個(gè)月。

3.2.2 SAGD技術(shù)

蒸汽輔助重力泄油技術(shù)是目前國(guó)際上油砂就地開(kāi)采的主要技術(shù)，這種方法必須通過(guò)兩口平行井(即注汽井和采油井)來(lái)實(shí)現(xiàn)，采油井位于油砂礦的底部，注汽井位于其上5 m處。主要的工作機(jī)理是：向注汽井中連續(xù)注入低壓蒸汽，利用蒸汽的熱量對(duì)油砂層進(jìn)行加熱，此階段為油層預(yù)熱階段。油砂油被高溫軟化，受到重力作用的影響會(huì)下落到采油井，在運(yùn)用動(dòng)力輸送裝置將稠油運(yùn)輸?shù)降孛鎇12]。

3.2.3 Vapor Extraction Process VAPEX工藝

溶劑地下抽提工藝(Vapor Extraction Process VAPEX)與SAGD技術(shù)類(lèi)似。它是SAGD技術(shù)的一個(gè)發(fā)展。其開(kāi)采原理是向注汽井中注入烴類(lèi)溶劑的混合氣，溶解油砂中的瀝青油。采出的瀝青油和混合溶劑通過(guò)分離，分離出來(lái)的溶劑可以重復(fù)使用，再次注入礦層中。

3.2.4 出砂冷采技術(shù)

在油砂開(kāi)采的過(guò)程中加入一些適當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)試劑來(lái)達(dá)到降粘的目的。主要的開(kāi)采步驟是：1)在油砂層中形成“蚓孔”，便于油砂油的流動(dòng)和輸送；2)加入的化學(xué)試劑，降低瀝青油的粘度；3)隨著油砂中沙礫的采出，油砂層的強(qiáng)度被降低，加之泡沫油的作用產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力會(huì)增強(qiáng)。

4 油砂的分離技術(shù)

4.1 熱水洗法

熱水洗法主要是利用表面活性劑的滲透作用，使瀝青在砂子表面的吸附力降低，然后將分離后的瀝青在熱水的環(huán)境下進(jìn)行漂油處理，由于各組分在的密度差別最終實(shí)現(xiàn)油和砂子的分離[13]。熱水洗法的主要有三個(gè)操作步驟：第一步，將油砂粉碎成小塊，然后與熱水混合。在攪拌外力的作用下，瀝青慢慢從油砂表面脫落。第二步，靜置沉降一段時(shí)間后，由于重力的差別，油砂油上浮，砂子和粘土則下沉到底部，實(shí)現(xiàn)了油和砂子的分離。第三步，油砂分離分為三層，上部為瀝青油，中間為水劑，底部為砂子和粘土。中間的漿液中仍含有部分未上浮的油，后期可采用空氣浮選的方法回收。

4.2 溶劑萃取技術(shù)

該分離方法主要是利用物質(zhì)的相似相溶原理，利用配制的溶劑萃取油砂油，然后再將油砂油和溶劑分離，蒸餾回收的萃取劑可以循環(huán)使用到抽提過(guò)程中。張凱華[14]等對(duì)印度尼西亞的油砂進(jìn)行了溶劑抽提試驗(yàn)，確定出了針對(duì)印尼油砂的最佳工藝參數(shù)。陳德軍等[15]對(duì)加拿大油砂進(jìn)行抽提實(shí)驗(yàn)研究。其結(jié)果表明，在萃取溫度為80℃、溶劑流量60 mL/min 、萃取時(shí)間60 min 、操作壓力1.0 MPa的條件下，油砂瀝青提取率達(dá)到92.74%。

4.3 熱干餾工藝

熱干餾工藝就是將油砂在高溫作用下進(jìn)行裂解和干餾，經(jīng)過(guò)裂解后組分較重的瀝青變?yōu)榱诵》肿拥妮p質(zhì)油[16]。干餾法是通過(guò)加熱分解實(shí)現(xiàn)油和砂的分離，但是干餾法對(duì)油砂有一定的選擇性，一般是含油率高、含水量低的油砂干餾效果較好。熱干餾技術(shù)是采用高溫加熱的方式進(jìn)行的，所以在這個(gè)過(guò)程中需要消耗大量的熱能。但是裂解干餾后的油砂油分子結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，油品有所提高。熱干餾工藝的操作條件不是固定不變的，這需要根據(jù)油砂的性質(zhì)做出適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，一般干餾的溫度控制在500℃以上。Haensetl的研究[17]表明，在熱干餾過(guò)程中可以同時(shí)發(fā)生油砂的分離和熱裂解，生成的輕質(zhì)油和瀝青稠油調(diào)和可生成合成原油。

4.4 油砂清洗劑洗油法

清洗劑分離油砂的方法是采用一定的復(fù)配劑作為主要的分離手段，將油砂與復(fù)配劑按照一定的比例混合，混合均勻后置入攪拌釜中加熱攪拌(高溫可以降低瀝青的粘度，便于油砂的分離；攪拌起到外力分離的作用，促進(jìn)瀝青的脫落)。加熱攪拌一定時(shí)間后，將油砂和復(fù)配劑的混合物放入離心裝置中進(jìn)行油、砂子、復(fù)配劑的分離。董知軍[18]等通過(guò)分析扎賚特旗油砂的性質(zhì)，研制了YSFL-F1復(fù)合型油砂清洗劑。

4.5 水劑空氣化法

該分離方法主要是利用密度差和重力的作用進(jìn)行油砂分離的，在分離過(guò)程中油砂中的砂子、油砂油、粘土因?yàn)樵谒械母×Σ煌宰罱K會(huì)出現(xiàn)分層的現(xiàn)象而實(shí)現(xiàn)油砂的分離目的[19]。前期分離需要加入一定的漿化劑，降低瀝青與砂子的表面張力，但是這還不足以達(dá)到分離的效果。需要加入一定量的空氣。加入的空氣增加了瀝青小顆粒在水劑中的浮力，減少了其表面張力，更有利于瀝青與砂子的分離。

4.6 超聲波處理技術(shù)

該分離方法主要是利用它的超聲空化作用[20]，超聲波作用還可以增強(qiáng)分離試劑的湍動(dòng)，使攪拌作用增強(qiáng)，使瀝青油和砂最終分離開(kāi)來(lái)。孫微微等針對(duì)內(nèi)蒙古扎賚特旗油砂的性質(zhì)，研發(fā)出了熱堿水洗劑進(jìn)行油砂分離。在超聲波的作用下進(jìn)行油砂處理，發(fā)現(xiàn)油砂油的提取率明顯提高。

5 油砂油的性質(zhì)

油砂分離得到的瀝青油，粘度較大、凝點(diǎn)較高、流動(dòng)性差、組分比較重、含硫量高、殘?zhí)恐蹈摺?/p>

6 油砂油的熱加工技術(shù)

由于分離得到的瀝青油中含有較多的大分子烴類(lèi)化合物，所以性質(zhì)較差、組分偏重，所以大部分瀝青油需要經(jīng)過(guò)改質(zhì)處理后，再輸送到煉油廠加工。

瀝青油的預(yù)處理主要有以下幾個(gè)步驟：第一，采用蒸餾的方式，分離瀝青和溶劑?；厥蘸蟮娜軇?，可以輸送回油砂處理的裝置進(jìn)行反復(fù)使用。第二，采用原油加工的常減壓裝置，拔出瀝青油中的部分常壓餾分油和減壓餾分油，然后進(jìn)行加氫精制處理。第三，采用焦化和熱裂解的方式，進(jìn)行脫碳反應(yīng)，得到汽油、柴油和渣油以及部分的焦炭。第四，將得到的餾分油進(jìn)行加氫處理、加氫精制，是餾分油中的不飽和組分加氫飽和，同時(shí)拖出硫、氮以及金屬雜質(zhì)。經(jīng)過(guò)以上幾個(gè)步驟的操作，得到的改質(zhì)油可以成為煉廠加工的合格原料。

Syncrude公司把油砂瀝青分成兩部分，由于瀝青油的組分較重，大部分采用了焦化的加工方式。剩余的部分采用加氫裂化的方式處理，可以得到混合的合成原油。

加氫和脫碳是渣油加工的主要技術(shù)手段，由于瀝青油和渣油的性質(zhì)較為相似，所以將油砂瀝青改質(zhì)為合成原油的首要選擇也是加氫和脫碳，脫碳主要是裂解和焦化，將瀝青油的長(zhǎng)鏈分子斷裂為小分子的烴類(lèi)。加氫處理是將其中的不飽和烴類(lèi)家輕微富烴分子，這樣就可以達(dá)到煉油廠的煉制要求。目前，針對(duì)瀝青油的改質(zhì)工藝，主要有四種，分別為蒸餾、熱轉(zhuǎn)化(主要為焦化)、催化裂化、加氫處理。經(jīng)過(guò)四個(gè)工藝的處理后，大部分的瀝青油都可以被合成質(zhì)量不等的原油。在整個(gè)過(guò)程中，加氫處理階段的加氫深度和廣度對(duì)于瀝青油改質(zhì)具有重要作用。

6.1 焦炭化過(guò)程

焦化是渣油焦炭化的簡(jiǎn)稱(chēng)，適宜重油、減壓渣油、裂化渣油等重質(zhì)油為原料，在500℃左右的高溫下進(jìn)行裂化和縮合反應(yīng)，生產(chǎn)汽柴油、蠟油和焦炭的過(guò)程。目前焦化工藝的主要工藝流程有延遲焦化、釜式焦化、平爐焦化、流化焦化和靈活焦化。焦化是處理重質(zhì)油的主要加工手段，它的主要優(yōu)點(diǎn)是：(1)焦化過(guò)程對(duì)原料的適應(yīng)性較強(qiáng)，可以處理含有高金屬含量的渣油；(2)焦化工藝流程簡(jiǎn)單、操作簡(jiǎn)單，投資費(fèi)用也相對(duì)較低；(3)焦化過(guò)程產(chǎn)生的柴汽比較高，柴油的十六烷值較高；(4)焦化過(guò)程可以為乙烯生產(chǎn)提供石腦油原料，也可以生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的焦炭。

6.2 渣油溶劑脫瀝青

溶劑脫瀝青工藝是處理渣油的一個(gè)主要工藝手段，主要是去除渣油中的瀝青。渣油中含有飽和烴、芳香烴、膠質(zhì)和瀝青質(zhì)，其中飽和烴是非極性的，而其他組分是極性的和強(qiáng)極性的。溶解過(guò)程中是一個(gè)相似相溶的過(guò)程，渣油中的瀝青質(zhì)以膠束狀態(tài)存在，芳烴和膠質(zhì)對(duì)這種狀態(tài)起著穩(wěn)定作用。在加入低分子烷烴后，這種穩(wěn)定狀態(tài)被破壞，瀝青質(zhì)也可能沉淀出來(lái)。因此渣油溶劑脫瀝青也被稱(chēng)為“抽提-沉淀分離”過(guò)程。

6.3 減粘裂化

減粘裂化是針對(duì)渣油的性質(zhì)，通過(guò)控制反應(yīng)深度進(jìn)行熱裂化的一種加工方式。該工藝對(duì)原料的適應(yīng)性強(qiáng)，可以靈活的應(yīng)對(duì)市場(chǎng)的需求和原料的變化。減粘裂化一般是采用較低的反應(yīng)溫度和較長(zhǎng)的反應(yīng)時(shí)間。其主要目的是降低原料油的粘度、改善油品質(zhì)量、最大限度的拔出輕質(zhì)餾分油。其中生產(chǎn)合格燃油要考慮降低渣油的粘度，并保證減粘渣油的儲(chǔ)存安定性，生產(chǎn)餾分油或作為下游裝置的進(jìn)料要求要考慮獲得最大餾分油產(chǎn)率。減粘裂化具有以下優(yōu)點(diǎn)：裝置的設(shè)備簡(jiǎn)單、工藝流程穩(wěn)定可靠、能夠適應(yīng)原料和市場(chǎng)變化的需求[21]。

6.4 催化裂化

催化裂化是重質(zhì)油烴類(lèi)在催化劑的作用下反應(yīng)產(chǎn)生液化氣、汽油和柴油等輕質(zhì)油品的主要過(guò)程。由于對(duì)輕質(zhì)油品需求的不斷加大，一些重質(zhì)油或渣油也可以作為催化裂化的原料，例如減壓渣油、溶劑脫瀝青油、加氫處理重質(zhì)油等。催化裂化是重油加工生產(chǎn)輕質(zhì)油(汽油、柴油)的主要方式，在煉廠中占據(jù)著重要的位置。

7 結(jié)束語(yǔ)

在目前的緊張局勢(shì)下，油砂資源已經(jīng)越來(lái)越受到人們的關(guān)注，加大油砂的研究和開(kāi)發(fā)技術(shù)力度，極力開(kāi)采油砂中的油砂油資源，將會(huì)大大緩解世界能源的緊張局勢(shì)。隨著科學(xué)的發(fā)展，油砂的科研技術(shù)日益更新，油砂開(kāi)采的消耗成本在不斷下降，而且油砂的開(kāi)采和分離將會(huì)逐漸步入正軌。目前，由于人們對(duì)于油砂資源的關(guān)注不斷提高，世界各國(guó)的科研機(jī)構(gòu)都在積極的進(jìn)行油砂研究。隨著科研技術(shù)的不斷發(fā)展，相信在不久的將來(lái)對(duì)于油砂的利用和開(kāi)采費(fèi)用將會(huì)不斷的降低，油砂分離技術(shù)也會(huì)日益成熟，油砂產(chǎn)業(yè)將會(huì)步入正規(guī)化發(fā)展。帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益，也會(huì)發(fā)揮重要的戰(zhàn)略作用。