李 敏， 楊振興， 陳鴻漢， 閻光緒， 郭紹輝

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京) 水資源與環(huán)境學(xué)院，北京 100083； 2. 中國(guó)石油大學(xué)(北京) 油氣污染防治北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102249)

全球油氣勘探領(lǐng)域正在呈現(xiàn)非常規(guī)與常規(guī)并進(jìn)、深層與淺層并進(jìn)、海洋與陸地并進(jìn)“三個(gè)并進(jìn)”態(tài)勢(shì)[1]。隨著全球能源需求的持續(xù)強(qiáng)勁和原油價(jià)格的節(jié)節(jié)攀升，油砂作為一種非常規(guī)能源，已受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛研究與關(guān)注[2]。中國(guó)的油砂資源量排名世界第五[3]，油砂主要分布于西部和東部盆地[4]。我國(guó)準(zhǔn)格爾盆地烏爾禾地區(qū)油砂裸露的表面積大，分布連片集中，形成了大片的油砂山丘，且具有含油率中等、黏土顆粒較多、油質(zhì)較好等特點(diǎn)[5]。目前我國(guó)油砂資源利用研究還處于起步階段，研究主要集中于油砂儲(chǔ)量評(píng)估、地質(zhì)成因和油砂提取實(shí)驗(yàn)等方面[6]。由于油砂的固體組成及粒徑大小對(duì)油砂分離具有重要影響[7-8]，而油砂的特性又直接影響其分離方案的選取，所以研究油砂中固相特性對(duì)油砂分離方案選取和瀝青后續(xù)加工具有一定的指導(dǎo)意義。油砂的應(yīng)用價(jià)值及油氣生成潛力，實(shí)質(zhì)上取決于其內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征和化學(xué)組成[9]。為了深入了解烏爾禾油砂的組成和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，本研究利用自動(dòng)元素分析儀、激光粒度儀、X射線衍射儀和掃描電子顯微鏡等儀器，研究了烏爾禾油砂的基本組成、有機(jī)組成、元素組成、顆粒粒徑以及微觀結(jié)構(gòu)等，為后續(xù)烏爾禾油砂的分離及處理技術(shù)研究提供了借鑒。

1 材料及方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料和儀器

烏爾禾油砂；甲苯(分析純，北京化工廠)；正庚烷(分析純，北京化工廠)；中性氧化鋁(層析用，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司)；正庚烷(化學(xué)純，北京化工廠)；石油醚(分析純，北京化工廠)；無(wú)水乙醇(分析純，北京化工廠)。

激光粒度儀(Mastersizer 3000，英國(guó)Malvern)；電子掃描顯微鏡(G300 70-81，德國(guó)ZEISS)；自動(dòng)元素分析儀(ECS 4010，意大利Costech)；低速離心機(jī)(LD5-2B，北京雷勃爾離心機(jī)有限公司)；馬弗爐(SGM·M6/10，洛陽(yáng)西格馬爐業(yè)股份有限公司)；X 射線衍射儀(Pert Pro MPD型，荷蘭帕納科)；瀝青質(zhì)測(cè)定器(DYH-153，大連雨禾石油儀器有限公司)；旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀(RE-6000，上海研承儀器有限公司)等。

1.2 研究?jī)?nèi)容及方法

1.2.1 油砂基本組成分析 利用甲苯做萃取劑，采用索氏抽提法提取油砂中的油，實(shí)現(xiàn)油與砂的分離，利用重量法測(cè)定油、水及固體組分含量。

1.2.2 油砂油組成分析 使用自動(dòng)元素分析儀分析油砂油元素組成與含量，采用NB/SH/T 0509—2010石油瀝青四組分測(cè)定法對(duì)烏爾禾油砂油開(kāi)展四組分分析。

1.2.3 油砂固體顆粒組成及微觀結(jié)構(gòu)分析 使用馬爾文激光粒度儀對(duì)經(jīng)過(guò)450 ℃高溫灼燒后的油砂顆粒在20～2 000 μm進(jìn)行粒徑分布測(cè)定，并用X射線衍射儀在40 kV、250 mA條件下，以8 (°)/min掃描度，在10°～80°掃描范圍內(nèi)對(duì)該油砂顆粒的礦物成分和含量進(jìn)行測(cè)定，同時(shí)使用電子掃描顯微鏡在加速電壓為5.0 kV條件下觀察并采集該部分油砂顆粒微觀結(jié)構(gòu)。

2 結(jié)果與討論

2.1 油砂基本組成分析

經(jīng)過(guò)多次測(cè)定，油砂中含油率、含砂率和含水率結(jié)果見(jiàn)圖1。

由圖1可以看出，油砂含油率為6%～16%，含砂率為82%～92%，含水率較低，在0.5%～2.0%。通常認(rèn)為含油率大于10%的油砂屬于高等級(jí)，回收其中的瀝青油具有一定經(jīng)濟(jì)可行性，因此烏爾禾油砂作為高品質(zhì)油砂，可對(duì)其進(jìn)行油砂瀝青提取分離研究。

圖1 油砂基本組成Fig.1 Basic composition results of oil sands

2.2 油砂油組成分析

2.2.1 油砂油元素組成分析 使用自動(dòng)元素分析儀對(duì)油砂油進(jìn)行分析，得到了油砂油元素分布特點(diǎn)。具體分析結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 油砂油元素分析Fig.2 Elemental analysis of oil from oil sands

由圖2可知，烏爾禾油砂油中碳元素、氫元素、氧元素、氮元素和硫元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均值分別為81%、10%、7%、1%和1%；氫碳原子數(shù)比為1.48，初步說(shuō)明烏爾禾油砂油相具有縮合程度大和分子結(jié)構(gòu)復(fù)雜的特點(diǎn)；氧元素含量相對(duì)較高，主要是因?yàn)橛蜕坝椭泻写罅坑袡C(jī)酸類物質(zhì)，也說(shuō)明了我國(guó)的生油特性為陸相生油[10]。

2.2.2 油砂油四組分分析 四組分代表油砂油的族組成，最常用的測(cè)定方法為四組分分析法。油砂油四組分分析結(jié)果如表1所示。

由表1可知，烏爾禾油砂洗出油中膠質(zhì)、瀝青質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均值分別為27%、12%，飽和分質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高，約為40%；芳香分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為21%。瀝青質(zhì)的多少?zèng)Q定了油砂瀝青的膠體穩(wěn)定性，瀝青質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)越多，油砂瀝青膠體體系越不穩(wěn)定[11]。烏爾禾油砂洗出油中瀝青質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)相對(duì)較低。這樣油砂瀝青會(huì)比較容易從砂粒表面脫離，利于水洗分離。飽和分質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，這有利于油砂水洗分離，且在后續(xù)煉廠處理過(guò)程中也會(huì)有較高的輕質(zhì)組分收率。

表1 四組分分析結(jié)果Table 1 The results of four-component analysis

2.3 油砂固體顆粒組成及微觀結(jié)構(gòu)分析

2.3.1 油砂固體顆粒粒徑分布 使用馬爾文激光粒度儀對(duì)油砂固體顆粒粒徑分布情況進(jìn)行了測(cè)定，結(jié)果如圖3所示。

圖3 油砂固體顆粒粒徑分布

Fig.3Distributiondiagramofgrainsize

由圖3可知，油砂的體積平均粒徑為204 μm。粒徑分布有兩個(gè)比較明顯的峰：一個(gè)峰粒徑在10～50 μm，該粒徑范圍為黏土成分；另一個(gè)峰粒徑在100～400 μm，該粒徑范圍為砂粒成分。這也說(shuō)明了烏爾禾油砂的固體物質(zhì)主要是砂粒和黏土。

2.3.2 油砂顆粒礦物成分及相對(duì)含量分析 使用X射線衍射儀對(duì)油砂固體顆粒的礦物組成及相對(duì)含量進(jìn)行了分析，測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表2 油砂固體顆粒礦物成分及相對(duì)含量Table 2 Mineral composition and content of particles

續(xù)表2

由表2可知，油砂固相主要成分為SiO2，其次是Al2O3，兩者占據(jù)了油砂固相的85%以上，表明油砂中含有85%以上的黏土礦物質(zhì)，其中含量較高的礦物質(zhì)有：Na2O、K2O、CaO、Fe2O3、MgO。另外，烏爾禾油砂中黏土含量較高，這些超細(xì)顆粒和黏土顆粒在潤(rùn)濕的情況下很容易與油砂瀝青、水等發(fā)生乳化作用，形成乳狀液體，這對(duì)油砂分離會(huì)產(chǎn)生不利影響。

2.3.3 油砂固體顆粒微觀結(jié)構(gòu)分析 使用掃描電子顯微鏡在加速電壓5.0 kV條件下，對(duì)油砂固體顆粒的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了不同放大倍數(shù)下的圖像采集，具體結(jié)果如圖4所示。

觀察圖4中的油砂表面結(jié)構(gòu)，可知油砂表面多孔粗糙、膠結(jié)程度較高，將增加油砂瀝青提取分離的難度。

Fig.4Themicrostructureofsolidparticles

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)烏爾禾油砂的基本組成與結(jié)構(gòu)特性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，得到如下結(jié)論：

(1) 油砂含油率為6%～16%，含砂率為82%～92%，含水率較低，在0.5%～2.0%，屬于高品質(zhì)油砂。

(2) 油砂提取油中最主要的兩種元素為碳和氫，質(zhì)量分?jǐn)?shù)總和為91%，氧元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)相對(duì)較高，主要為有機(jī)酸類物質(zhì)；膠質(zhì)、瀝青質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為27%、12%。飽和分質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高，約為40%；芳香分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為21%。膠質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，不利于油砂油品從固相表面的分離。

(3) 油砂固體顆粒的體積平均粒徑為204 μm，主要成分為SiO2，其次是Al2O3，油砂固體顆粒中含有85%以上的黏土礦物質(zhì)。由于黏土含量較高，易與油砂瀝青、水等發(fā)生乳化作用，將會(huì)導(dǎo)致油砂分離效率降低。通過(guò)對(duì)油砂固體顆粒微觀結(jié)構(gòu)的觀察發(fā)現(xiàn)其表面結(jié)構(gòu)多孔粗糙、膠結(jié)程度較高，會(huì)對(duì)油砂分離造成不利影響。

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