油砂開發及油砂油應用的研究進展

張 亮

(山東齊勝工貿股份有限公司，山東 淄博 255400)

1 油砂的基礎知識

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。

具有高密度、高黏度、高碳氫比和高金屬含量的特點。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(瀝青)組成的混合物；②特指油砂中包含的稠油資源，當特指瀝青資源時，油砂也稱為瀝青砂，其相對密度一般大于1[1-2]。

1.2 油砂結構分類

油砂一般分為親水性和親油性，主要是根據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，就是通常所說的油包水類型；親油性油砂是指稠油粘結在砂子的表層，水分在最外層，就是通常所說的水包油類型；對于親油性的油砂，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來。親油性的油砂，稠油粘結在砂子顆粒之間，有的滲透到砂子內部，采用溶劑抽提的方法提取相對容易一些。

2 油砂資源的儲量及分布概況

2.1 油砂的儲量

全世界油砂儲量大約3.7×1012桶[2]，其中加拿大油砂資源巨大，儲量居世界第一，儲量大約為2.9×1012桶。俄羅斯油砂儲量約為0.7×1012桶，位居世界第二。美國油砂儲量約為6.9×1010桶，位居世界第三。我國也有著豐富的油砂資源，主要分布在新疆和內蒙古地區，具體的油砂資源儲量尚未進行詳細評估[3]。

2.2 國外油砂的分布概況

加拿大油砂資源的儲量位居世界第一位，其儲量大約為2.9×1012桶。主要分布在加拿大的阿斯巴斯卡地區、冷湖地區以及和平湖流域，整個地區的油砂資源占據全世界的95%左右[4-5]。如果這些稠油資源能夠被很好的開發利用，將會大大緩解世界能源緊張的局勢，也會使加拿大在整個北美地區的能源結構中發揮重要的作用。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中數據可以看出，阿薩巴斯卡地區是這幾個礦區中儲量最為豐富的地區，其地質儲量預計為1.34×1012桶。阿薩巴斯卡地區的油砂埋藏深度較淺，屬于地表油砂，可以進行露天開采。加拿大地區的油砂資源儲量豐富而且大部分開采已經實現了工業化生產。

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現了油砂資源的存在。其儲量大約為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[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，儲量大約為30億t。由于印尼地理位置和地質環境的原因，印尼油砂的質地較軟，多數油砂使粘結在一起，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。由于含水量較低，印尼油砂基本屬于親油性油砂，具有很高的開采價值。

委內瑞拉也有著大量的油砂資源，根據有關數據顯示，主要分布在在委內瑞拉東部奧利諾科河以北地區。由于地理環境的原因，委內瑞拉地下溫度較高，油砂油的流動性較好，利于油砂資源的開發利用。但是直接開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。

2.3 我國油砂資源

中國油砂資源潛力巨大，可能大于稠油資源的儲量，初步估我國的油砂儲量可達千億噸，其中含有的稠油資源約為100億t左右，有著廣闊的開發前景。2003年，我國對油砂開展了系統全面的評估，通過地質調查的結果看出，我國的油砂資源主要分布在新疆地區和內蒙古地區等[7]。1991～1994年新疆石油管理局勘探開發研究院對準噶爾盆地和內蒙古二連盆地的油砂資源進行了分析評估，勘察結果得出準噶爾盆地西北緣油砂稠油地質儲量2.29×108t ，可采儲量大約為6.4×107t ，油砂平均含油率約7.7%[8]。

我國的油砂資源，主要是分布在中生界和新生界，沿環太平洋地帶分布。其儲存的地質集層大多為碎屑層。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。我國在油砂領域的研究程度較低，大部分盆地油砂資源量不清楚，基本清楚的少數盆地油砂資源量達到4.0×1010桶。

3 油砂的開采方法

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

3.1 露天開采

露天礦采主要包含兩個部分：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]主要的開采方法是：(1)利用鏟車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)在分離裝置中進行油砂分離，分離得到瀝青油和砂子。露天開采技術主要適用于淺表地層的油砂開采，它采用大型化的挖掘和輸送裝置，具有勞動效率高、資源回收率高的特點。加拿大和委內瑞拉地區的油砂產業幾乎都是采用這種方法。

3.2 就地開采

就地開采一般是針對埋藏深度大于75 m的油砂，因為埋藏深度較深，需要剝除的覆蓋層較大。目前全球的油砂資源中，大約85%的油砂埋藏深度較大，只能采用就地開采的方式進行。就地開采不是直接將油砂挖掘出來，而是通過一定的技術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。就地開采主要包括以下幾種：蒸汽循環刺激法、蒸汽輔助重力泄油技術、注入溶劑技術、井下就地催化改質開采技術、水熱裂解開采技術等[11]。

3.2.1 蒸汽循環刺激法

蒸汽循環刺激法分為三個階段。第一階段是向油砂中注入高溫蒸汽，通過油砂礦的進口連續注入。第二個階段是關井燜熱，即注入的高溫蒸汽由井孔周圍持續向外擴散，具流動性的瀝青油的范圍會漸漸加大，這階段也是為期幾天到數周。第三個階段是開井生產，抽取流動性的瀝青原油，為期幾周到數個月。

3.2.2 SAGD技術

蒸汽輔助重力泄油技術是目前國際上油砂就地開采的主要技術，這種方法必須通過兩口平行井(即注汽井和采油井)來實現，采油井位于油砂礦的底部，注汽井位于其上5 m處。主要的工作機理是：向注汽井中連續注入低壓蒸汽，利用蒸汽的熱量對油砂層進行加熱，此階段為油層預熱階段。油砂油被高溫軟化，受到重力作用的影響會下落到采油井，在運用動力輸送裝置將稠油運輸到地面[12]。

3.2.3 Vapor Extraction Process VAPEX工藝

溶劑地下抽提工藝(Vapor Extraction Process VAPEX)與SAGD技術類似。它是SAGD技術的一個發展。其開采原理是向注汽井中注入烴類溶劑的混合氣，溶解油砂中的瀝青油。采出的瀝青油和混合溶劑通過分離，分離出來的溶劑可以重復使用，再次注入礦層中。

3.2.4 出砂冷采技術

在油砂開采的過程中加入一些適當的化學試劑來達到降粘的目的。主要的開采步驟是：1)在油砂層中形成“蚓孔”，便于油砂油的流動和輸送；2)加入的化學試劑，降低瀝青油的粘度；3)隨著油砂中沙礫的采出，油砂層的強度被降低，加之泡沫油的作用產生的驅動力會增強。

4 油砂的分離技術

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境下進行漂油處理，由于各組分在的密度差別最終實現油和砂子的分離[13]。熱水洗法的主要有三個操作步驟：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，實現了油和砂子的分離。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

該分離方法主要是利用物質的相似相溶原理，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使用到抽提過程中。張凱華[14]等對印度尼西亞的油砂進行了溶劑抽提試驗，確定出了針對印尼油砂的最佳工藝參數。陳德軍等[15]對加拿大油砂進行抽提實驗研究。其結果表明，在萃取溫度為80℃、溶劑流量60 mL/min 、萃取時間60 min 、操作壓力1.0 MPa的條件下，油砂瀝青提取率達到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行裂解和干餾，經過裂解后組分較重的瀝青變為了小分子的輕質油[16]。干餾法是通過加熱分解實現油和砂的分離，但是干餾法對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。熱干餾技術是采用高溫加熱的方式進行的，所以在這個過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構發生改變，油品有所提高。熱干餾工藝的操作條件不是固定不變的，這需要根據油砂的性質做出適當的調整，一般干餾的溫度控制在500℃以上。Haensetl的研究[17]表明，在熱干餾過程中可以同時發生油砂的分離和熱裂解，生成的輕質油和瀝青稠油調和可生成合成原油。

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配劑作為主要的分離手段，將油砂與復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，促進瀝青的脫落)。加熱攪拌一定時間后，將油砂和復配劑的混合物放入離心裝置中進行油、砂子、復配劑的分離。董知軍[18]等通過分析扎賚特旗油砂的性質，研制了YSFL-F1復合型油砂清洗劑。

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行油砂分離的，在分離過程中油砂中的砂子、油砂油、粘土因為在水中的浮力不同，所以最終會出現分層的現象而實現油砂的分離目的[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

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分離試劑的湍動，使攪拌作用增強，使瀝青油和砂最終分離開來。孫微微等針對內蒙古扎賚特旗油砂的性質，研發出了熱堿水洗劑進行油砂分離。在超聲波的作用下進行油砂處理，發現油砂油的提取率明顯提高。

5 油砂油的性質

油砂分離得到的瀝青油，粘度較大、凝點較高、流動性差、組分比較重、含硫量高、殘炭值高。

6 油砂油的熱加工技術

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

瀝青油的預處理主要有以下幾個步驟：第一，采用蒸餾的方式，分離瀝青和溶劑。回收后的溶劑，可以輸送回油砂處理的裝置進行反復使用。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，然后進行加氫精制處理。第三，采用焦化和熱裂解的方式，進行脫碳反應，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，同時拖出硫、氮以及金屬雜質。經過以上幾個步驟的操作，得到的改質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手段，由于瀝青油和渣油的性質較為相似，所以將油砂瀝青改質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，將瀝青油的長鏈分子斷裂為小分子的烴類。加氫處理是將其中的不飽和烴類家輕微富烴分子，這樣就可以達到煉油廠的煉制要求。目前，針對瀝青油的改質工藝，主要有四種，分別為蒸餾、熱轉化(主要為焦化)、催化裂化、加氫處理。經過四個工藝的處理后，大部分的瀝青油都可以被合成質量不等的原油。在整個過程中，加氫處理階段的加氫深度和廣度對于瀝青油改質具有重要作用。

6.1 焦炭化過程

焦化是渣油焦炭化的簡稱，適宜重油、減壓渣油、裂化渣油等重質油為原料，在500℃左右的高溫下進行裂化和縮合反應，生產汽柴油、蠟油和焦炭的過程。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。焦化是處理重質油的主要加工手段，它的主要優點是：(1)焦化過程對原料的適應性較強，可以處理含有高金屬含量的渣油；(2)焦化工藝流程簡單、操作簡單，投資費用也相對較低；(3)焦化過程產生的柴汽比較高，柴油的十六烷值較高；(4)焦化過程可以為乙烯生產提供石腦油原料，也可以生產優質的焦炭。

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、膠質和瀝青質，其中飽和烴是非極性的，而其他組分是極性的和強極性的。溶解過程中是一個相似相溶的過程，渣油中的瀝青質以膠束狀態存在，芳烴和膠質對這種狀態起著穩定作用。在加入低分子烷烴后，這種穩定狀態被破壞，瀝青質也可能沉淀出來。因此渣油溶劑脫瀝青也被稱為“抽提-沉淀分離”過程。

6.3 減粘裂化

減粘裂化是針對渣油的性質，通過控制反應深度進行熱裂化的一種加工方式。該工藝對原料的適應性強，可以靈活的應對市場的需求和原料的變化。減粘裂化一般是采用較低的反應溫度和較長的反應時間。其主要目的是降低原料油的粘度、改善油品質量、最大限度的拔出輕質餾分油。其中生產合格燃油要考慮降低渣油的粘度，并保證減粘渣油的儲存安定性，生產餾分油或作為下游裝置的進料要求要考慮獲得最大餾分油產率。減粘裂化具有以下優點：裝置的設備簡單、工藝流程穩定可靠、能夠適應原料和市場變化的需求[21]。

6.4 催化裂化

催化裂化是重質油烴類在催化劑的作用下反應產生液化氣、汽油和柴油等輕質油品的主要過程。由于對輕質油品需求的不斷加大，一些重質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、加氫處理重質油等。催化裂化是重油加工生產輕質油(汽油、柴油)的主要方式，在煉廠中占據著重要的位置。

7 結束語

在目前的緊張局勢下，油砂資源已經越來越受到人們的關注，加大油砂的研究和開發技術力度，極力開采油砂中的油砂油資源，將會大大緩解世界能源的緊張局勢。隨著科學的發展，油砂的科研技術日益更新，油砂開采的消耗成本在不斷下降，而且油砂的開采和分離將會逐漸步入正軌。目前，由于人們對于油砂資源的關注不斷提高，世界各國的科研機構都在積極的進行油砂研究。隨著科研技術的不斷發展，相信在不久的將來對于油砂的利用和開采費用將會不斷的降低，油砂分離技術也會日益成熟，油砂產業將會步入正規化發展。帶來巨大的經濟效益，也會發揮重要的戰略作用。