1前言
世界原油价格的上涨，引起了对非常规石油资源的关注。油砂(Oil Sand)亦称焦油砂(Tar Sand)，由砂粒或岩石、水和稠油组成，是一种重要的非常规石油资源。油砂稠油的密度通常大于1g/cm 3，黏度大于1×104mPa ·s (通常黏度超过1×104mPa ·s 的稠油也称为沥青)，流动性极差，所以不能以一般打井开采原油、稠油的方法获取油砂稠油。对于埋藏较浅的油砂，通常用挖掘机在露天开采出来后用热碱水抽提出稠油，再进行加工改质制取油品。对于埋藏较深的油砂，通常有蒸汽就地抽取稠油及巷道采掘油砂运至地面处理等工艺。 世界油砂资源折算为稠油的量大于天然石油的探明储量。加拿大具有世界上最大的油砂储量，其次为委内瑞拉、前苏联和美国等。中国有较丰富的油砂资源，但未经详查。世界上只有加拿大有大规模的油砂开采和油砂稠油加工利用生产“合成原油”(Syncrude Crude Oil ，SCO)的工业，且获利颇丰；其他如美国、中国等则正在进行油砂开发利用的研究工作。 2世界及中国油砂资源
世界油砂资源折算为油砂稠油约4000×108t [1]，
大于天然石油探明储量(2000×108t)[2]。维基帕迪亚百科全书(Wikipedia)油砂条目中也提到世界油砂稠油可能占全球液态烃类总资源的三分之二[3]。
世界上最大的油砂矿在加拿大西部的沉积盆地，以阿萨巴斯卡(Athabasca)的白垩纪油砂闻名于世，其他还有和平河(Peace River)、冷湖(Cold Lake)等，早已开发利用、大规模工业生产，总储量约占世界储量的50%。委内瑞拉也拥有巨大的油砂稠油资源，并有小规模的工业开采，如摩莱卡(Morichal)等。俄罗斯的油砂矿藏分布较广，多数矿藏尚未评价，主要产地在伏尔加—乌拉尔盆地，其他还有西伯利亚等盆地。美国的油砂布及16个州，主要是犹他州
(Utah)、阿拉斯加州(Alaska)、得克萨斯州(Texas)、加里福尼亚州(California)等，但没有工业生产[4~7]。世界各国油砂矿储量见表1[4，8~11]。
世界油砂资源的研究及开发利用
李术元，王剑秋，钱家麟
(中国石油大学(北京)，北京102249)
摘要
油砂是一种重要的非常规石油资源，世界油砂资源折算为油砂稠油约4000×108t ，大于天然石油探明储量。世界上最大的油砂矿在加拿大西部的沉积盆地，总储量约占世界储量的50%。委内瑞拉也拥有巨大的油砂稠油资源，其次为俄罗斯和美国等，中国的油砂资源尚未经详细勘察。油砂的结构可以分为亲水
性和亲油性两类，亲水性油砂较易将稠油与固体颗粒分开，而亲油性油砂则较难将稠油与固体颗粒分开。油砂开发、稠油提取以及油砂干馏主要有露天开发和稠油提取、油砂干馏、地下就地提取稠油三类工艺。工业上油砂露天开采、经热碱水抽提制取的稠油除了直接出售，也可加工改质制成合成原油或轻质油品出售，加工改质主要有延迟焦化和流化焦化两种工艺流程。目前世界上只有加拿大有大规模的油砂开发和提取稠油及稠油加工工业，阿尔伯达省油砂稠油等油品的总产量达到130×
104bbl/d ，占加拿大总原油产量的45%，盈利较丰厚。美国有几家公司正在进行美国油砂的抽提研究和中型试验，尚无工业生产。中国石油大学等进行了中国及其他一些国家油砂的抽提和干馏研究；中国石油勘探开发研究院廊坊分院等进行了中国油砂抽提和干馏等研究及中试。中国三大石油公司都涉足加拿大油砂工业的开发利用。
关键词
油砂稠油储量亲水性亲油性合成原油抽提
作者简介：李术元，教授、博士生导师，1989年毕业于中国石油大学应用化学专业，获博士学位，现任中国石油大学应用化学系主任，主要从事石油化学和新能源化学方面，包括油页岩及油砂的研究开发工作，已发表论文150多篇，出版学术专著3部、译著1部，获发明专利4项，曾获省部级科技奖3项。
E-mail ：syli@cup.edu
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3.3油砂的结构和类别
油砂的结构可以分为亲水性和亲油性两类。亲水性的油砂是有水渗透在固体颗粒的孔隙中，有一层很薄的水膜包裹在固体颗粒的外表面，而稠油则包裹在水膜的外面，即所谓的油包水、水包矿粒；亲油性的油砂乃是稠油渗透在固体颗粒的孔隙中，有一层油膜包裹在固体颗粒的外表面，而水则包裹在油膜的外面，即所谓的水包油、油包矿粒。对于亲水
中国油砂资源尚未经全面系统的勘察，新疆、内蒙古、青海和四川等地均有较丰富的油砂资源。
中国石油新疆石油管理局勘探开发研究院于1991~1994年开展了新疆准噶尔盆地和内蒙古二连盆地的初步勘察，测算准噶尔盆地西北缘油砂稠油地质储量约2.29×108t，可采储量约6384×104t，油砂平均含油率约7.7%[12]。
2003年，中国石油通过系统开展油砂野外地质调查与资源评价，认为中国油砂资源主要分布在大盆地中，
其中包括准噶尔盆地、塔里木盆地、羌塘盆地、柴达木盆地、松辽盆地、四川盆地、鄂尔多斯盆地等[13]。
国土资源部于2004~2006年委托吉林大学开展了新一轮的中国油砂资源评价[13，14]。通过对106个油砂矿进行资源量计算，我国油砂稠油地质储量为59.7×108t，可开采资源量22.58×108t。其中100m 内埋深的油砂稠油地质资源量为18.56×108t，油砂稠油可开采资源量为11.31×108t；100~500m埋深预测油砂稠油地质资源量为41.14×108t，油砂稠油可开采资源量为11.27×108t[13~15]。
2006年，中国石油对油砂矿进行排队和优选，预测出5个油砂矿分布有利区，分别为准噶尔盆地西北缘、松辽西斜坡、吉尔嘎朗图、四川厚坝、玉门石油沟。尤其是在准噶尔盆地西北缘，通过地质调查及钻探已初步查明，埋深100m以浅的油砂稠油资源量为9881×104t；100~300m埋深范围内的油砂稠油资源量为1.5×108t以上，并发现其中有大面积品质好的油砂，含油率高达15%[13]。
2007年，中国石油贾承造等在编著出版的《油砂资源状况与储量评估方法》中，较详细地阐述了世界和中国的油砂资源。关于中国油砂的品位，含油率3%~6%者占可采资源量11.67×108t的51.7%；含油率6%~10%者占46.4%；含油率大于10%者只占1.9%。研究表明，中国油砂资源的层系主要集中于新生界及中生界[15]。
3油砂组成结构及含油率等性质
3.1油砂的组成
油砂通常含有80%~90%的无机矿物质(砂、黏土等)、3%~6%的水、6%~20%的稠油。通常油砂稠油是烃类和非烃类有机物质，是黑、黏稠的半固体，约含80%的碳元素，还有氢元素和少量的氮、硫、氧以及微量金属，如钒、镍、铁、钠等[1]。
3.2世界油砂含油率
油砂含油率的测定即油砂稠油含量的测定，是评价油砂资源的最重要指标，目前世界上标准的测定油砂含油率的方法是改良式索氏抽提法，在测定含油率的同时测得含水量。该方法以甲苯为溶剂。
中国新疆克拉玛依、内蒙古二连以及加拿大阿萨巴斯卡等地油砂所含稠油、水、无机矿物质的组成见表2[16~19]。
表1世界油砂储量
国家
矿藏数
(1981年)
1981年储量
(折算为油)/106m3
2007年储量
(折算为油)/106m3
加拿大7186752.5270000
委内瑞拉4158989.2120000
前苏联1088559.6
美国535467.68600
马达加斯加23942.9
意大利42250.5
扎伊尔1306.0
阿尔巴尼亚139.0
秘鲁110.5
特立尼达
和多巴哥
19.5
罗马尼亚1 4.0
表2中国、加拿大油砂组成%(质量分数)
项目
中国新疆中国内蒙古二连加拿大阿萨巴斯卡
小石油沟克拉扎背斜吉尔嘎朗图泥岩吉尔嘎朗图砂岩高品位中品位低品位
油砂稠油9.012.19.09.914.812.3 6.8水0.7 1.7 1.7 1.6 3.4 4.27.4矿物质90.386.289.388.581.883.585.8
性的油砂，较易将稠油与固体颗粒分开；而亲油性的油砂则较难将稠油与固体颗粒分开。典型的加拿大阿萨巴斯卡油砂属于亲水性油砂，其结构如图1所示[16，17]。该地砂粒的主要组成是圆形或略带尖角的石英，每一个砂粒被水薄膜所湿润，稠油层包围在水薄膜的外层及充填空间，填满空间的还有原生水及少量的空气或甲烷。
对阿萨巴斯卡油砂显微结构的研究表明[16]，对于高品位的油砂，存在于砂粒表面水膜中的水约为2%~3%(质量分数)，水膜厚度约为0.01μm，此膜由带负电荷的稠油和砂子相互排斥，稳定地存在于砂粒表面。低品位的油砂，由于粉尘呈团被水饱和，其含水量随粉末的增加而直线上升。阿萨巴斯卡油砂粒径分布在147~417μm之间的约占87%[16]。
对中国新疆和内蒙古的油砂，利用粉末接触角和显微镜测量法研究其润湿性表明[18]，新疆小石油沟油砂为亲水性，油砂的固体颗粒与稠油之间存在一层约0.015μm的很薄的水膜。新疆克拉扎背斜油砂对水相和油相亲和性都不强，属于中等润湿性，亲水性大颗粒部分也具有类似厚度的薄膜，而其亲油性细颗粒及黏土部分则直接与沥青相连，其间无水膜。内蒙古吉尔嘎朗图泥岩和砂岩油砂则为亲油性，其砂体与稠油直接相连，无水膜。新疆和内蒙古油砂的结构模型如图2所示[18，19]。新疆亲水性的油砂由于水膜的存在有利于稠油从砂粒抽提分离，内蒙古亲油性的油砂不利于稠油从砂粒抽提分离。3.4油砂干馏分析和热解油收率
油砂可以在实验室中用甲苯溶剂抽出稠油，也可以加热干馏，使其所含的稠油热解生成热解油、气及固体炭粒(与砂粒结合在一起，称为半焦)。用铝甄进行干馏的分析装置是标准的用于煤、油页岩的干馏方式，即国外的Fischer Assay法。另外，也可用葛金氏干馏分析法(Gray King)。同一试样用两种分析方法所得的含油率是相当的。表3为加拿大阿萨巴斯卡油砂葛金氏干馏的油气收率[1]。
3.5油砂稠油的一般性质
油砂中的有机质即为油砂稠油，也称为沥青，可溶于有机溶剂。用甲苯从油砂中抽出的稠油，虽然其元素组成与天然石油相仿，但由于相对分子质量更大而更复杂，约含有数千种化合物，以目前的分析水平，尚不能完全分成单个化合物予以鉴定，各国油砂沥青的性质见表4[1，16]。
油砂稠油中的饱和烃主要是烷基环烷烃，以一元至五元环为主，六元环较少。芳香烃主要由单环、双环和三环芳香烃结构组成。胶质主要由二元至四元环的芳烃及含氧、氮、硫等杂原子化合物和微量元素组成[20~26]。
应该指出的是，油砂用干馏方法生成的热解油会比用热碱水或有机溶剂抽提获得的稠油轻得多，但其收率则较低。
3.6油砂的矿物质
加拿大阿萨巴斯卡油砂的矿物质以石英为主，易与稠油分离。中国新疆克拉玛依油砂含石英岩屑较多，也易与稠油分离；但内蒙古二连油砂含长石多，稠油不易分离[1，16]。
砂粒膜水层
细粒
砂粒
砂粒
碎屑与黏土
石英水
稠油
水
稠油
石英
(a)新疆克拉扎背斜油砂
碎屑与黏土
石英
稠油
(b)新疆小石油沟油砂
(c)内蒙古吉尔嘎朗图泥岩、砂岩油砂
图2中国新疆和内蒙古油砂显微结构模型
表3阿萨巴斯卡油砂干馏分析(收到基)试样热解油收率水分半焦干馏气阿萨巴斯卡油砂8.40.8(干基)90.5 3.2(干基)
%
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阿萨巴斯卡油砂矿物质的粒度范围主要在
150~420μm 。克拉玛依为100~500μm ，二连砂岩为
200~1000μm ，二连泥岩为100~250μm 。凡是油砂颗粒较小，则其稠油较难与砂粒分离[1，27，28]。
4加拿大油砂开采及加工生产合成原油工艺
油砂开发、稠油提取以及油砂干馏主要有三类工艺[3，10，16，29]：接近地表的油砂矿通常是露天开采出油砂，再在地面上将油砂用热碱水处理，使稠油从油砂中抽提出来，此为油砂的露天开发和稠油提取工艺；也可以在地面上将油砂在专门的干馏装置中加热至500℃左右，使其所含的稠油热分解产生热解油、热解气和半焦，即所谓的油砂干馏工艺，这主要适用于不能用热碱水抽提出稠油的那种油砂；对于地下深埋的油砂矿(一般在地下75~400m)，通常是向地下注入蒸汽或热空气、甚或溶剂，使油砂稠油降低黏度，具有流动性，可以从砂砾(固体矿物颗粒)分离出来，再用泵送至地面，此为油砂的地下就地提取稠油工艺。
据统计，加拿大阿尔伯达油砂的80%以及全部的委内瑞拉油砂埋藏较深，无法露天开采，只能地下提取稠油。但加拿大阿萨巴斯卡还是有大量的油砂埋藏很浅、适合露天开采，实际上加拿大阿萨巴斯卡油砂工业大部分的油砂采用的是露天开采、再
将油砂用热碱水抽提出稠油的工艺；小部分油砂采用的是地下就地抽取稠油的工艺[3]。露天采掘出的油砂经热碱水抽提得到的稠油，在工业上通常进行焦化生成焦化馏出油及焦炭，馏出油进行加氢制取“合成原油”[3，10，16，29]。
4.1加拿大油砂地下就地提取稠油工艺
在加拿大，油砂地下就地提取稠油(In-situ ex
traction of oil sands heavy oil)主要有循环蒸汽激励(Cyclic Steam Stimulation ，CSS)和蒸汽辅助重力驱油(Steam Assisted Gravity Drainage ，SAGD)两种工艺，其他一些工艺则处于试验阶段[3，10，16，29]。
4.1.1循环蒸汽激励(CSS)工艺
循环蒸汽激励也称为蒸汽吞吐、循环注蒸汽[1]。乃是先将高温(300~400℃)高压、湿饱和蒸汽通过井筒注入地下油砂层，达数周甚至数月，然后关井，焖井数天甚至数周，使热量浸透油砂层，从而使稠油黏度降低，从砂砾分离流出，由泵经井筒打至地面，约可持续数周甚至数月。待稠油基本流出后，再将过热蒸汽自井筒打入，自此形成循环，循环次数直
表4各国油砂稠油性质
项目 1.00~1.04
1.01~1.10
0.98~1.10
1.06 1.010.96~1.12
3.70.10.1
5.5310
20
元素分析，%
C
83.182.283.784.586.0580.80H 10.610.110.511.311.219.80S 4.8 5.6 4.7 2.1 3.7
0.860.45 4.23N 0.40.10.20.53
1.140.300.30O
1.1
2.10.9 2.20 1.99 4.91H/C 原子比 1.54 1.46 1.32 1.60
1.56 1.46相对分子质量
600520
490族组成，%
饱和烃
223341.9813.94芳香烃212914.717.77胶质3923
37.9
54.39沥青质
181981510.88.6 6.2
23.90
金属/
(μg ·g -1)
V 2502402503907Ni 100706510696
残炭，%
13.512.614.0
14.1
初馏点
26017027810%32030036345430%425405481
546
50%
530
555
加拿大
阿萨巴斯卡
和平河
冷湖
委内瑞拉
摩利恰尔
匹龙
中国
克拉玛依
内蒙古二连
相对密度
美国犹他
运动黏度(60℃)/(Pa ·s)
倾点/℃
馏程/℃
至蒸汽消耗的费用抵不上稠油生产的收益为止。此工艺可回收稠油20%~25%，但注蒸汽成本较高[3]。
该工艺自1988年即由加拿大皇家油(Imperial Oil)公司在冷湖进行小规模工业应用，尔后又由加拿大自然资源公司(Canadian Natural Resources)在Primase and Wolf Lake及加拿大壳牌公司(Shell Canada)用于小规模生产[3]。
4.1.2蒸汽辅助重力驱油(SAGD)工艺
在油砂矿层里钻两个水平井，一个位于油砂矿底部，另一个位于其上5m，蒸汽注入上面的井，加热油砂
层使稠油黏度降低，流入下面底部的井，再泵送至地面[3，10]。该工艺较循环蒸汽激励法便宜，且可回收地下所含稠油的60%，因而得到较广泛的工业应用。该工艺是20世纪80年代由阿尔伯达油砂工艺研究局(Alberta Oil Sands Technology and Re-search Authority)开发的，于90年代中期随着定向井工艺的改进而发展，因具有较高的经济效益，促进了加拿大稠油生产的快速增长。一些油公司当前已运用该工艺小规模开发阿尔伯达油砂稠油，包括Suncor公司、Japan Canada Oil Sands(JACOS)、Petro-Canada公司、Conoco Phillips公司等[3]。
当前，亦有先对地下油砂矿用循环蒸汽激励法提取部分稠油，再用蒸汽辅助重力驱油工艺抽提其余稠油的做法[3]。
4.1.3溶剂地下抽提工艺
溶剂地下抽提工艺(Vapor Extraction Process，VAPEX)与蒸汽辅助重力驱油工艺类似，只是用烃类溶剂代替蒸汽注入油砂层的上部水平井，以稀释稠油，使其流入下部的水平井而泵送至地面。此法尚在试验阶段[3]。
4.1.4空气注入工艺
空气注入工艺(Toe to Heel Air Injection，THAI)正在试验阶段，系将空气注入一垂直井，将油砂层的稠油
引燃一部分，使较轻的油进入一水平生产井而泵送至地面。该法不需能源来产生蒸汽驱动，但地下火焰的进展难以控制[3]。
4.2加拿大油砂露天开采及稠油提取工艺
4.2.1油砂大规模露天开采工艺
加拿大阿萨巴斯卡有大量埋深很浅的油砂，典型的矿藏埋深仅40~60m，适于露天开采，因此当前加拿大油砂在生产上多应用露天开采方案。Suncor 公司早在1967年即在阿萨巴斯卡开始露天开采工业生产油砂。地表主要是泥沙，Suncor和Syncrude 在开采前期是剥去地表后，用巨型轮式挖掘机挖出油砂，再用传送带输送至稠油抽提装置，后都改用巨型电动铲车和巨型卡车运送至抽提稠油装置。最大的电铲可铲100t以上的油砂，巨型卡车一车可运送400t油砂。采用这种露天采掘和运送的工艺比较便宜，从而降低了生产成本[3，10，16，29]。
4.2.2油砂地面抽提大规模生产稠油工艺
加拿大Suncor和Syncrude公司油砂地面抽提大规模生产稠油的工艺大致如下[3，10，29~33]：
油砂露天开采出来，运送至稠油抽提装置，先破碎成较小块，将油砂加入盛有50~80℃热碱水(热水和NaOH)的容器中(Suncor用的是直立圆筒形容器，Syncrude用的是水平回转筒的形式)，进行搅拌，并通
入空气气泡加以浮选，稠油会被空气气泡依附着而从颗粒分出，升至水面。稠油泡沫大约含60%的稠油、30%的水和10%的颗粒，再经处理除去夹带的水和细颗粒。由于稠油很稠，必须用轻油混合，才能由管道输送至加工改质装置生产合成原油。在加拿大工业上，油砂中的稠油早期约有75%能抽提出来，而大约2t油砂能生产1bbl(约1/8t)合成原油。如今，由于工艺上的改进，例如抽提尾矿中残留稠油的回收、残余轻油自泡沫的回收以及离心机分油的应用等，使油砂所含稠油的总回收率提高到90%以上。稠油自油砂抽出后，残留的颗粒送回矿区回填。
Suncor在2007年产油砂稠油23.9×104bbl/d[29]，2011年生产油砂稠油、柴油及合成原油等共计30×104bbl/d[32]。Syncrude在2007年生产稠油及合成原油30.7×104bbl/d[29]，2009年生产稠油10×104bbl/d及合成原油27.2×104bbl/d[33]。在阿萨巴斯卡的各油砂公司当前总计日产稠油等油品130×104bbl[29]。
4.2.3油砂地面干馏生产热解油工艺
油砂开采出来后，也可以在专门设计的干馏装置中将破碎后的油砂颗粒加热干馏至500℃左右，使所含的稠油热解生成热解油、热解气和固体焦(焦附着在砂砾上形成半焦)。加拿大UMATAC工程公司William Taciuk于1977年开发了一种油砂干馏工艺，称为塔瑟克炉，亦称阿尔伯达塔瑟克工艺(Alberta Taciuk Process)，简称ATP炉。塔瑟克炉设
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