油砂开发及油砂油应用的研究进展

张 亮

(山东齐胜工贸股份有限公司，山东 淄博 255400)

1 油砂的基础知识

1.1 油砂的组成

油砂是一种沥青砂、富矿黏土和水的混合物,外观似黑色蜜糖，一般油砂的密度较高、氢碳比较低、黏度较大以及含有较多的金属杂质。

具有高密度、高黏度、高碳氢比和高金属含量的特点。油砂至少有两种含义：①它是砂子与岩石中的水分以及含油物质(沥青)组成的混合物；②特指油砂中包含的稠油资源，当特指沥青资源时，油砂也称为沥青砂，其相对密度一般大于1[1-2]。

1.2 油砂结构分类

油砂一般分为亲水性和亲油性，主要是根据油砂中水膜和油膜的包裹形式定义的。亲水性油砂是指油砂中的水膜在砂子的表层，夹在稠油和砂子之间，就是通常所说的油包水类型；亲油性油砂是指稠油粘结在砂子的表层，水分在最外层，就是通常所说的水包油类型；对于亲油性的油砂，由于砂子与稠油之间水膜的存在，所以采用水洗法能够比较容易的将油砂分离开来。亲油性的油砂，稠油粘结在砂子颗粒之间，有的渗透到砂子内部，采用溶剂抽提的方法提取相对容易一些。

2 油砂资源的储量及分布概况

2.1 油砂的储量

全世界油砂储量大约3.7×1012桶[2]，其中加拿大油砂资源巨大，储量居世界第一，储量大约为2.9×1012桶。俄罗斯油砂储量约为0.7×1012桶，位居世界第二。美国油砂储量约为6.9×1010桶，位居世界第三。我国也有着丰富的油砂资源，主要分布在新疆和内蒙古地区，具体的油砂资源储量尚未进行详细评估[3]。

2.2 国外油砂的分布概况

加拿大油砂资源的储量位居世界第一位，其储量大约为2.9×1012桶。主要分布在加拿大的阿斯巴斯卡地区、冷湖地区以及和平湖流域，整个地区的油砂资源占据全世界的95%左右[4-5]。如果这些稠油资源能够被很好的开发利用，将会大大缓解世界能源紧张的局势，也会使加拿大在整个北美地区的能源结构中发挥重要的作用。加拿大油砂的主要分布概况如表1所示。

表1 加拿大油砂的主要分布概况

由表1中数据可以看出，阿萨巴斯卡地区是这几个矿区中储量最为丰富的地区，其地质储量预计为1.34×1012桶。阿萨巴斯卡地区的油砂埋藏深度较浅，属于地表油砂，可以进行露天开采。加拿大地区的油砂资源储量丰富而且大部分开采已经实现了工业化生产。

俄罗斯油砂资源也很丰富、分布较为广泛，各含油气的盆地均发现了油砂资源的存在。其储量大约为7×1011桶。分布在伏尔加乌拉尔盆地、提曼伯朝拉盆地、西伯利盆地、亚滨里海盆地等地区[6]。

印度尼西亚有着丰富的油砂资源，而且油砂的含油量较高。印尼的油砂主要分布在布敦岛，储量大约为30亿t。由于印尼地理位置和地质环境的原因，印尼油砂的质地较软，多数油砂使粘结在一起，表面颜色成黑色或是黄褐色。印尼油砂具有高含油率、低含水率的特点。由于含水量较低，印尼油砂基本属于亲油性油砂，具有很高的开采价值。

委内瑞拉也有着大量的油砂资源，根据有关数据显示，主要分布在在委内瑞拉东部奥利诺科河以北地区。由于地理环境的原因，委内瑞拉地下温度较高，油砂油的流动性较好，利于油砂资源的开发利用。但是直接开采出的稠油粘度较大，利用管道输送仍然存在很大的难度。

美国也有着丰富的油砂资源，大约为6.9×1010桶，主要分布在于Alaska和Utah地区。

2.3 我国油砂资源

中国油砂资源潜力巨大，可能大于稠油资源的储量，初步估我国的油砂储量可达千亿吨，其中含有的稠油资源约为100亿t左右，有着广阔的开发前景。2003年，我国对油砂开展了系统全面的评估，通过地质调查的结果看出，我国的油砂资源主要分布在新疆地区和内蒙古地区等[7]。1991～1994年新疆石油管理局勘探开发研究院对准噶尔盆地和内蒙古二连盆地的油砂资源进行了分析评估，勘察结果得出准噶尔盆地西北缘油砂稠油地质储量2.29×108t ，可采储量大约为6.4×107t ，油砂平均含油率约7.7%[8]。

我国的油砂资源，主要是分布在中生界和新生界，沿环太平洋地带分布。其储存的地质集层大多为碎屑层。油砂资源分布范围较广、层位较多，但是油砂的含油率普遍较低、油砂层的厚度小[9]。层位多、厚度小、含油率低的特点。我国在油砂领域的研究程度较低，大部分盆地油砂资源量不清楚，基本清楚的少数盆地油砂资源量达到4.0×1010桶。

3 油砂的开采方法

油砂的开采方式有露天开采和就地开采。露天开采是针对厚度在30～40之间，埋藏深度<100 m的油砂矿。就地开采一般是埋藏深度>100 m的油砂。

3.1 露天开采

露天矿采主要包含两个部分：采矿和萃取。这种方法主要适用于埋深较浅的油砂矿，露天矿采[5,10]主要的开采方法是：(1)利用铲车将上层覆盖的层砂铲除，然后挖掘油砂；(2)将油砂挖掘出后，输送到破碎装置，粉碎油砂；(3)将粉碎后的油砂混合成砂浆；(4)将油砂输送至分离装置；(5)在分离装置中进行油砂分离，分离得到沥青油和砂子。露天开采技术主要适用于浅表地层的油砂开采，它采用大型化的挖掘和输送装置，具有劳动效率高、资源回收率高的特点。加拿大和委内瑞拉地区的油砂产业几乎都是采用这种方法。

3.2 就地开采

就地开采一般是针对埋藏深度大于75 m的油砂，因为埋藏深度较深，需要剥除的覆盖层较大。目前全球的油砂资源中，大约85%的油砂埋藏深度较大，只能采用就地开采的方式进行。就地开采不是直接将油砂挖掘出来，而是通过一定的技术手段直接在地下分离得到沥青，在采用一定方法将沥青抽出。就地开采主要包括以下几种：蒸汽循环刺激法、蒸汽辅助重力泄油技术、注入溶剂技术、井下就地催化改质开采技术、水热裂解开采技术等[11]。

3.2.1 蒸汽循环刺激法

蒸汽循环刺激法分为三个阶段。第一阶段是向油砂中注入高温蒸汽，通过油砂矿的进口连续注入。第二个阶段是关井焖热，即注入的高温蒸汽由井孔周围持续向外扩散，具流动性的沥青油的范围会渐渐加大，这阶段也是为期几天到数周。第三个阶段是开井生产，抽取流动性的沥青原油，为期几周到数个月。

3.2.2 SAGD技术

蒸汽辅助重力泄油技术是目前国际上油砂就地开采的主要技术，这种方法必须通过两口平行井(即注汽井和采油井)来实现，采油井位于油砂矿的底部，注汽井位于其上5 m处。主要的工作机理是：向注汽井中连续注入低压蒸汽，利用蒸汽的热量对油砂层进行加热，此阶段为油层预热阶段。油砂油被高温软化，受到重力作用的影响会下落到采油井，在运用动力输送装置将稠油运输到地面[12]。

3.2.3 Vapor Extraction Process VAPEX工艺

溶剂地下抽提工艺(Vapor Extraction Process VAPEX)与SAGD技术类似。它是SAGD技术的一个发展。其开采原理是向注汽井中注入烃类溶剂的混合气，溶解油砂中的沥青油。采出的沥青油和混合溶剂通过分离，分离出来的溶剂可以重复使用，再次注入矿层中。

3.2.4 出砂冷采技术

在油砂开采的过程中加入一些适当的化学试剂来达到降粘的目的。主要的开采步骤是：1)在油砂层中形成“蚓孔”，便于油砂油的流动和输送；2)加入的化学试剂，降低沥青油的粘度；3)随着油砂中沙砾的采出，油砂层的强度被降低，加之泡沫油的作用产生的驱动力会增强。

4 油砂的分离技术

4.1 热水洗法

热水洗法主要是利用表面活性剂的渗透作用，使沥青在砂子表面的吸附力降低，然后将分离后的沥青在热水的环境下进行漂油处理，由于各组分在的密度差别最终实现油和砂子的分离[13]。热水洗法的主要有三个操作步骤：第一步，将油砂粉碎成小块，然后与热水混合。在搅拌外力的作用下，沥青慢慢从油砂表面脱落。第二步，静置沉降一段时间后，由于重力的差别，油砂油上浮，砂子和粘土则下沉到底部，实现了油和砂子的分离。第三步，油砂分离分为三层，上部为沥青油，中间为水剂，底部为砂子和粘土。中间的浆液中仍含有部分未上浮的油，后期可采用空气浮选的方法回收。

4.2 溶剂萃取技术

该分离方法主要是利用物质的相似相溶原理，利用配制的溶剂萃取油砂油，然后再将油砂油和溶剂分离，蒸馏回收的萃取剂可以循环使用到抽提过程中。张凯华[14]等对印度尼西亚的油砂进行了溶剂抽提试验，确定出了针对印尼油砂的最佳工艺参数。陈德军等[15]对加拿大油砂进行抽提实验研究。其结果表明，在萃取温度为80℃、溶剂流量60 mL/min 、萃取时间60 min 、操作压力1.0 MPa的条件下，油砂沥青提取率达到92.74%。

4.3 热干馏工艺

热干馏工艺就是将油砂在高温作用下进行裂解和干馏，经过裂解后组分较重的沥青变为了小分子的轻质油[16]。干馏法是通过加热分解实现油和砂的分离，但是干馏法对油砂有一定的选择性，一般是含油率高、含水量低的油砂干馏效果较好。热干馏技术是采用高温加热的方式进行的，所以在这个过程中需要消耗大量的热能。但是裂解干馏后的油砂油分子结构发生改变，油品有所提高。热干馏工艺的操作条件不是固定不变的，这需要根据油砂的性质做出适当的调整，一般干馏的温度控制在500℃以上。Haensetl的研究[17]表明，在热干馏过程中可以同时发生油砂的分离和热裂解，生成的轻质油和沥青稠油调和可生成合成原油。

4.4 油砂清洗剂洗油法

清洗剂分离油砂的方法是采用一定的复配剂作为主要的分离手段，将油砂与复配剂按照一定的比例混合，混合均匀后置入搅拌釜中加热搅拌(高温可以降低沥青的粘度，便于油砂的分离；搅拌起到外力分离的作用，促进沥青的脱落)。加热搅拌一定时间后，将油砂和复配剂的混合物放入离心装置中进行油、砂子、复配剂的分离。董知军[18]等通过分析扎赉特旗油砂的性质，研制了YSFL-F1复合型油砂清洗剂。

4.5 水剂空气化法

该分离方法主要是利用密度差和重力的作用进行油砂分离的，在分离过程中油砂中的砂子、油砂油、粘土因为在水中的浮力不同，所以最终会出现分层的现象而实现油砂的分离目的[19]。前期分离需要加入一定的浆化剂，降低沥青与砂子的表面张力，但是这还不足以达到分离的效果。需要加入一定量的空气。加入的空气增加了沥青小颗粒在水剂中的浮力，减少了其表面张力，更有利于沥青与砂子的分离。

4.6 超声波处理技术

该分离方法主要是利用它的超声空化作用[20]，超声波作用还可以增强分离试剂的湍动，使搅拌作用增强，使沥青油和砂最终分离开来。孙微微等针对内蒙古扎赉特旗油砂的性质，研发出了热碱水洗剂进行油砂分离。在超声波的作用下进行油砂处理，发现油砂油的提取率明显提高。

5 油砂油的性质

油砂分离得到的沥青油，粘度较大、凝点较高、流动性差、组分比较重、含硫量高、残炭值高。

6 油砂油的热加工技术

由于分离得到的沥青油中含有较多的大分子烃类化合物，所以性质较差、组分偏重，所以大部分沥青油需要经过改质处理后，再输送到炼油厂加工。

沥青油的预处理主要有以下几个步骤：第一，采用蒸馏的方式，分离沥青和溶剂。回收后的溶剂，可以输送回油砂处理的装置进行反复使用。第二，采用原油加工的常减压装置，拔出沥青油中的部分常压馏分油和减压馏分油，然后进行加氢精制处理。第三，采用焦化和热裂解的方式，进行脱碳反应，得到汽油、柴油和渣油以及部分的焦炭。第四，将得到的馏分油进行加氢处理、加氢精制，是馏分油中的不饱和组分加氢饱和，同时拖出硫、氮以及金属杂质。经过以上几个步骤的操作，得到的改质油可以成为炼厂加工的合格原料。

Syncrude公司把油砂沥青分成两部分，由于沥青油的组分较重，大部分采用了焦化的加工方式。剩余的部分采用加氢裂化的方式处理，可以得到混合的合成原油。

加氢和脱碳是渣油加工的主要技术手段，由于沥青油和渣油的性质较为相似，所以将油砂沥青改质为合成原油的首要选择也是加氢和脱碳，脱碳主要是裂解和焦化，将沥青油的长链分子断裂为小分子的烃类。加氢处理是将其中的不饱和烃类家轻微富烃分子，这样就可以达到炼油厂的炼制要求。目前，针对沥青油的改质工艺，主要有四种，分别为蒸馏、热转化(主要为焦化)、催化裂化、加氢处理。经过四个工艺的处理后，大部分的沥青油都可以被合成质量不等的原油。在整个过程中，加氢处理阶段的加氢深度和广度对于沥青油改质具有重要作用。

6.1 焦炭化过程

焦化是渣油焦炭化的简称，适宜重油、减压渣油、裂化渣油等重质油为原料，在500℃左右的高温下进行裂化和缩合反应，生产汽柴油、蜡油和焦炭的过程。目前焦化工艺的主要工艺流程有延迟焦化、釜式焦化、平炉焦化、流化焦化和灵活焦化。焦化是处理重质油的主要加工手段，它的主要优点是：(1)焦化过程对原料的适应性较强，可以处理含有高金属含量的渣油；(2)焦化工艺流程简单、操作简单，投资费用也相对较低；(3)焦化过程产生的柴汽比较高，柴油的十六烷值较高；(4)焦化过程可以为乙烯生产提供石脑油原料，也可以生产优质的焦炭。

6.2 渣油溶剂脱沥青

溶剂脱沥青工艺是处理渣油的一个主要工艺手段，主要是去除渣油中的沥青。渣油中含有饱和烃、芳香烃、胶质和沥青质，其中饱和烃是非极性的，而其他组分是极性的和强极性的。溶解过程中是一个相似相溶的过程，渣油中的沥青质以胶束状态存在，芳烃和胶质对这种状态起着稳定作用。在加入低分子烷烃后，这种稳定状态被破坏，沥青质也可能沉淀出来。因此渣油溶剂脱沥青也被称为“抽提-沉淀分离”过程。

6.3 减粘裂化

减粘裂化是针对渣油的性质，通过控制反应深度进行热裂化的一种加工方式。该工艺对原料的适应性强，可以灵活的应对市场的需求和原料的变化。减粘裂化一般是采用较低的反应温度和较长的反应时间。其主要目的是降低原料油的粘度、改善油品质量、最大限度的拔出轻质馏分油。其中生产合格燃油要考虑降低渣油的粘度，并保证减粘渣油的储存安定性，生产馏分油或作为下游装置的进料要求要考虑获得最大馏分油产率。减粘裂化具有以下优点：装置的设备简单、工艺流程稳定可靠、能够适应原料和市场变化的需求[21]。

6.4 催化裂化

催化裂化是重质油烃类在催化剂的作用下反应产生液化气、汽油和柴油等轻质油品的主要过程。由于对轻质油品需求的不断加大，一些重质油或渣油也可以作为催化裂化的原料，例如减压渣油、溶剂脱沥青油、加氢处理重质油等。催化裂化是重油加工生产轻质油(汽油、柴油)的主要方式，在炼厂中占据着重要的位置。

7 结束语

在目前的紧张局势下，油砂资源已经越来越受到人们的关注，加大油砂的研究和开发技术力度，极力开采油砂中的油砂油资源，将会大大缓解世界能源的紧张局势。随着科学的发展，油砂的科研技术日益更新，油砂开采的消耗成本在不断下降，而且油砂的开采和分离将会逐渐步入正轨。目前，由于人们对于油砂资源的关注不断提高，世界各国的科研机构都在积极的进行油砂研究。随着科研技术的不断发展，相信在不久的将来对于油砂的利用和开采费用将会不断的降低，油砂分离技术也会日益成熟，油砂产业将会步入正规化发展。带来巨大的经济效益，也会发挥重要的战略作用。