瀝青砂特性

瀝青砂動(dòng)態(tài)剪切蠕變特性

瀝青砂是由粒徑小于 2. 36 mm 的機(jī)制砂、礦粉和瀝青組成的瀝青混合料，分析瀝青砂的黏彈特性有助于理解瀝青砂及瀝青混合料復(fù)雜的力學(xué)行為，對(duì)瀝青混合料細(xì)觀力學(xué)的建模研究以及較細(xì)集料的瀝青砂力學(xué)性能的分析均具有重要的意義，國(guó)內(nèi)外研究人員主要采用離散元技術(shù)、有限元方法及數(shù)字圖像處理技術(shù)對(duì)瀝青混合料的細(xì)觀力學(xué)特性進(jìn)行研究，其中獲取準(zhǔn)確的瀝青砂蠕變力學(xué)參數(shù)是確保細(xì)觀力學(xué)分析結(jié)果可靠的關(guān)鍵因素之一，此外，瀝青砂在路面灌縫養(yǎng)護(hù)、壓電材料制備和橋面鋪裝等工況下也有應(yīng)用的黏彈性力學(xué)性能對(duì)瀝青砂性能評(píng)價(jià)及施工應(yīng)用具有借鑒意義，對(duì)于瀝青砂的性能研究已由簡(jiǎn)單的強(qiáng)度分析轉(zhuǎn)移到更復(fù)雜的蠕變力學(xué)行為研究上來(lái)在靜態(tài)力學(xué)測(cè)試條件下建立了瀝青砂的蠕變模型，并充分分析了瀝青砂的蠕變行為。但是，由于材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)行為更能反映材料在使用條件下的力學(xué)性能，動(dòng)態(tài)黏彈測(cè)試方法已成為有效模擬路面動(dòng)荷載作用下的變形特性以表征瀝青性能的最有效手段之一 。大量研究采用動(dòng)態(tài)剪切流變儀分析瀝青的流變性質(zhì)，取得了十分有效的研究數(shù)據(jù)。侯航艦等人采用流變儀對(duì)瀝青瑪蹄脂施加靜態(tài)剪切荷載，分析了溫度對(duì)瑪蹄脂黏彈性參數(shù)的影響規(guī)律 但是沒(méi)有明確瀝青砂的成型方法，試驗(yàn)過(guò)程中施加靜荷載; M ITCHELL 等人采用動(dòng)態(tài)剪切流變儀研究了瀝青砂的疲勞性能 。張延雙等人采用動(dòng)態(tài)剪切流變儀對(duì)不同老化條件下的瀝青砂低溫松弛性能進(jìn)行了測(cè)試 。可見(jiàn)動(dòng)態(tài)力學(xué)測(cè)試已成為瀝青砂性能分析的重要手段，為此，本研究采用 DHR( discov-ery hybrid rheometer) 動(dòng)態(tài)剪切流變儀、自主開(kāi)發(fā)的瀝青砂成型及試驗(yàn)夾具對(duì)幾種瀝青混合料的瀝青砂動(dòng)態(tài)剪切蠕變曲線進(jìn)行測(cè)試，采用 Burgers 模型對(duì)幾種瀝青混合料的黏彈性參數(shù)進(jìn)行擬合分析。

原材料及配比設(shè)計(jì)

1.1 原材料

試驗(yàn)采用 70 #基質(zhì)瀝青、SBS 改性瀝青和橡膠瀝青三種瀝青，瀝青的檢測(cè)結(jié)果如表 1 所示。礦料采用安山巖機(jī)制砂。

1. 2 配合比設(shè)計(jì)

為了使本研究瀝青砂的級(jí)配與瀝青混合料的級(jí)配具有很好的對(duì)應(yīng)性，以便為瀝青混合料細(xì)觀力學(xué)的研究提供參考，首先設(shè)計(jì)了 AC20 － 1、AC20 － 2和 SM A16 三種級(jí)配。分別采用 70 # 瀝青、SBS 改性瀝青和橡膠瀝青及AC20 － 1 級(jí)配進(jìn)行馬歇爾擊實(shí)試驗(yàn)，確定瀝青用量( 質(zhì)量分?jǐn)?shù)) 分別為 4. 1% 、4. 5% 和 5. 0% ;采用 70#瀝青及 AC20 － 2 和 SM A16 級(jí)配進(jìn)行馬歇爾擊實(shí)試驗(yàn)，確定瀝青用量分別為 4. 4% 和5. 7% 。依據(jù)文獻(xiàn)[18]在 SM A16 中摻加了優(yōu)質(zhì)纖維，用量為 0. 3% ( 質(zhì)量分?jǐn)?shù)) 。然后根據(jù)文獻(xiàn)[19]附錄 B 中公式B． 6. 8-1 和公式 B． 6. 8-2 可計(jì)算出被集料吸收利用瀝青的比例及瀝青混合料中有效瀝青用量( 計(jì)算過(guò)程中采用的瀝青膜厚度為 8 μm) ，再采用礦料中 0. 075 mm 通過(guò)率與有效瀝青用量的比值計(jì)算粉膠比，以粉膠比恒定為原則，可計(jì)算出瀝青砂中瀝青含量，即瀝青砂中的瀝青用量，得到瀝青砂的配合比。共采用 7 種瀝青砂，配合比如表 3 所示。其中采用70#瀝青及 AC20 － 1 級(jí)配，將瀝青用量上下浮動(dòng) 0. 3% ，分析瀝青用量對(duì)瀝青砂黏彈性參數(shù)的影響。

2 瀝青砂動(dòng)態(tài)剪切蠕變?cè)囼?yàn)設(shè)計(jì)

2.1 瀝青砂試件成型方式

本研究參照馬歇爾擊實(shí)儀進(jìn)行瀝青砂成型裝置的設(shè)計(jì)，因?yàn)r青砂的最大粒徑為2. 36 mm，對(duì)應(yīng)的瀝青混合料為AC20，最大粒徑為19 ～26. 5 mm，兩者最大粒徑相差10 倍左右。按照幾何尺寸的比例進(jìn)行相似性設(shè)計(jì)，將馬歇爾擊實(shí)儀縮尺10 倍，設(shè)計(jì)了瀝青砂的擊實(shí)裝置來(lái)成型可用于 DHR 測(cè)試的試件。首先采用拌和鍋每次拌制不少于100 g 砂漿，按照最大理論密度和試件尺寸取樣，本研究成型瀝青砂試件尺寸為直徑 × 高 = 6 mm ×40 mm的圓柱，取樣質(zhì)量約為 12 g。將瀝青砂裝入模具后，進(jìn)行插搗，正反兩面擊實(shí) 75 次。成型后脫模冷卻備用。為了驗(yàn)證成型方式的可行性，將采用本方法成型的砂漿試件與旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型砂漿試件的毛體積相對(duì)密度進(jìn)行了比對(duì)。測(cè)試結(jié)果表明，采用本方法成型的表 3 中 1 # 砂漿的毛體積相對(duì)密度為1. 981，而旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型試件的毛體積相對(duì)密度為1994，相差僅為0. 7% ，因此該成型方法是可行的?？梢钥闯?，不同工況下瀝青砂的動(dòng)態(tài)剪切蠕變曲線明顯不同，級(jí)配類(lèi)型、瀝青品種、瀝青用量和試驗(yàn)溫度對(duì)瀝青砂的剪切蠕變曲線均有顯著影響。SM A16 瀝青混合料對(duì)應(yīng)的瀝青砂剪切蠕變變形速度很快，在 180 s 的試驗(yàn)時(shí)間內(nèi)即表現(xiàn)出明顯的三階段變形特性，出現(xiàn)了明顯的加速失穩(wěn)變形階段，140 s 時(shí)，其剪切蠕變應(yīng)變達(dá)到 300，而 AC類(lèi)瀝青混合料對(duì)應(yīng)的瀝青砂漿剪切蠕變應(yīng)變僅僅為0. 2 ～ 1. 2，分析原因可能在于 SM A16 瀝青混合料瀝青砂漿含有大量的礦粉及較大的瀝青用量，而2. 360 ～ 0. 075 mm 粒的機(jī)制砂含量很少，所拌制而成的瀝青砂漿在高溫變形時(shí)難以具有骨架作用，因此剪切蠕變速度較快。

2.2 動(dòng)態(tài)剪切蠕變?cè)囼?yàn)方法

進(jìn)行瀝青砂的剪切蠕變?cè)囼?yàn)前，采用 AB 膠將試件兩端黏接到固定端子上，待 AB 膠完全固化后，將試件裝到 DHR 試驗(yàn)儀上進(jìn)行試驗(yàn)，試件安裝在試驗(yàn)前加載 5 N 的荷載并保持 20 s，消除夾具與試件端子之間的空隙。本研究進(jìn)行了不同溫度下瀝青砂的剪切蠕變測(cè)試，試驗(yàn)溫度分別為45、60 和 75 ，在控溫到達(dá)試驗(yàn)溫度后，持續(xù)控溫30min 再進(jìn)行試驗(yàn)。相關(guān)研究表明，瀝青砂的抗剪強(qiáng)度在 400 kPa 左右究選擇了約為 75% 的應(yīng)力比進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)應(yīng)力設(shè)置為 300 kPa，數(shù)據(jù)采集時(shí)間為 180 s，試驗(yàn)過(guò)程中實(shí)時(shí)采集剪切蠕變應(yīng)變和加載時(shí)間數(shù)據(jù)。

3 結(jié)論

本研究采用DHR對(duì)瀝青砂進(jìn)行動(dòng)態(tài)剪切蠕變?cè)囼?yàn)，應(yīng)用Burgers 模型對(duì)剪切蠕變曲線進(jìn)行擬合，分析了該力學(xué)模式下瀝青砂的黏彈性參數(shù)規(guī)律，得出以下試驗(yàn)結(jié)論:

(1)測(cè)試溫度、瀝青用量、瀝青種類(lèi)及級(jí)配類(lèi)型對(duì)瀝青砂漿的動(dòng)態(tài)剪切蠕變特性影響很大，溫度越高、瀝青用量越大，瀝青砂的動(dòng)態(tài)剪切蠕變速度就越大，SM A16 瀝青混合料對(duì)應(yīng)的瀝青砂剪切蠕變變形速度很快，橡膠瀝青砂的抗剪切蠕變性能最優(yōu)。

(2)不考慮級(jí)配，瀝青砂的動(dòng)態(tài)剪切試驗(yàn)規(guī)律與瀝青砂所對(duì)應(yīng)的瀝青混合料抗車(chē)轍性能普遍規(guī)律相關(guān)性較好，可以作為評(píng)價(jià)瀝青混合料抗車(chē)轍性能的依據(jù)。

(3)采用Burgers 模型對(duì)瀝青砂動(dòng)態(tài)剪切蠕變曲線擬合得到的相關(guān)系數(shù)較高。不同溫度、瀝青用量、瀝青種類(lèi)和級(jí)配類(lèi)型均對(duì)Burgers 模型的參數(shù)具有顯著影響。SM A16 瀝青砂的抵抗高速荷載的瞬時(shí)變形能力較差，橡膠瀝青砂抗瞬時(shí)變形能力較好，AC 類(lèi)瀝青砂抵抗不可恢復(fù)殘余變形能力較強(qiáng)。

(4)通過(guò)擬合的Burgers 模型參數(shù)計(jì)算了瀝青砂的松弛模量，相對(duì)AC 類(lèi)瀝青混合料，SM A16 瀝青砂的松弛模量很小，松弛模量數(shù)據(jù)可以為瀝青砂的數(shù)值模擬提供數(shù)據(jù)支持。 2100433B

瀝青砂又稱為稠油砂或油砂, 是含有瀝青或其它重質(zhì)石油的沉積巖, 瀝青砂的基本組成為砂粒、粘土、稠油、水和少量礦物, 典型瀝青砂中砂粒和粘土含量占70 %～80 %,水分含量小于10 %,油含量約為0 ～18 %。瀝青砂屬于非常規(guī)油藏中的一種, 其儲(chǔ)量遠(yuǎn)大于常規(guī)石油的探明儲(chǔ)量。全世界的瀝青砂儲(chǔ)量估計(jì)有15 500 ×10t ,其中19 %屬可采儲(chǔ)量。而常規(guī)原油的儲(chǔ)量?jī)H為3 137.7 ×10t ,且已產(chǎn)出877.7 ×10t,剩余儲(chǔ)量尚可開(kāi)采65 a。預(yù)計(jì)今后10 a全球常規(guī)原油產(chǎn)量將會(huì)降低, 而儲(chǔ)量豐富的瀝青砂等重質(zhì)原油資源已經(jīng)引起國(guó)際社會(huì)的重視。 加拿大已經(jīng)大量開(kāi)采重油和瀝青并逐步取代傳統(tǒng)原油, 我國(guó)啟動(dòng)的全國(guó)新一輪石油天然氣資源評(píng)價(jià)工作中, 也將瀝青砂列入評(píng)價(jià)范圍。瀝青砂將是未來(lái)液體燃料的主要來(lái)源之一,是傳統(tǒng)原油的重要補(bǔ)充_。

瀝青砂與常規(guī)石油及天然氣有很大不同,在原有狀態(tài)下難以用普通的石油開(kāi)采方法采出,需要進(jìn)行特別處理。根據(jù)瀝青砂儲(chǔ)藏深度的差異,瀝青砂的開(kāi)采可以分為就地開(kāi)采方法和地表開(kāi)采方法兩大類(lèi)。就地開(kāi)采方法通過(guò)加熱或者使用化學(xué)劑等特殊途徑降低瀝青的粘度使其流動(dòng)而收集泵出, 主要涉及熱采工藝、化學(xué)工藝及冷采技術(shù);地表開(kāi)采方法是通過(guò)露天采礦法采出瀝青砂,然后使用熱水洗、溶劑萃取和焦化處理等工藝從中回收稠油。較全面地對(duì)瀝青砂資源的各種開(kāi)采技術(shù)進(jìn)行了評(píng)述,討論了各自的優(yōu)缺點(diǎn)和適用范圍, 介紹了主要的工程實(shí)例,提出了瀝青砂開(kāi)采技術(shù)中一些有前景的研究方向。

瀝青砂就地開(kāi)采方法

就地開(kāi)采法是利用熱蒸汽、燃燒、化學(xué)劑或振動(dòng)、聲學(xué)和電磁等方法處理瀝青砂礦藏, 以降低瀝青粘度使其流過(guò)基巖而聚集,然后從油井中采出的方法。這類(lèi)方法主要用于開(kāi)采儲(chǔ)藏較深的瀝青砂礦藏。 就地開(kāi)采方法包括熱采工藝、化學(xué)工藝和冷采工藝。

1.1 熱采工藝

熱采工藝主要包括蒸汽吞吐、蒸汽驅(qū)油、火燒油層、注熱水以及在鉆井中通過(guò)射頻和電流加熱油井和儲(chǔ)集層等。熱采法的目的是通過(guò)大幅度地降低重油的粘度, 使之在較低的壓降下流過(guò)儲(chǔ)集層, 達(dá)到經(jīng)濟(jì)開(kāi)采的流量。

1.1.1 蒸汽吞吐

蒸汽吞吐又稱周期性注蒸汽、蒸汽浸泡或蒸汽激產(chǎn)等,就是先向油井注入一定量的蒸汽, 關(guān)井一段時(shí)間,待蒸汽的熱能向油層擴(kuò)散后,再開(kāi)井生產(chǎn)的一種開(kāi)采重油的增產(chǎn)方法。 蒸汽吞吐包括注蒸汽、燜井和開(kāi)井生產(chǎn)3 個(gè)階段?？啥啻沃貜?fù)這一過(guò)程。另外,通過(guò)應(yīng)用化學(xué)劑降低重質(zhì)原油的粘度可以改善重油在油藏和地面的流動(dòng)性,改善蒸汽吞吐?tīng)顟B(tài),提高采收率。該技術(shù)由于對(duì)增加初始產(chǎn)量非常有效而被廣泛應(yīng)用。蒸汽吞吐方法相對(duì)比較簡(jiǎn)單, 反饋迅速,但采收率相對(duì)來(lái)說(shuō)比較低, 很少超過(guò)20%。蒸汽吞吐在超重油和瀝青砂沉積層,如在加拿大和委內(nèi)瑞拉所發(fā)現(xiàn)的那些大沉積層內(nèi)所完成的吞吐井中似乎最有效。

1.1.2 蒸汽驅(qū)

蒸汽驅(qū)是把蒸汽連續(xù)注入油藏加熱和驅(qū)替稠油的一種方法。在一般情況下,蒸汽是從地表按適當(dāng)井組配置而注入井中。 蒸汽驅(qū)在工業(yè)中應(yīng)用的歷史相當(dāng)長(zhǎng),而且在各個(gè)國(guó)家都取得了成功。該方法已被證實(shí)是提高采收率的成功方法,而且還具有更大的應(yīng)用潛力,特別是在其它方法效果較差的重油和瀝青砂層中更為有效。除了廣泛應(yīng)用蒸汽驅(qū)方法外,還將熱采與水平井技術(shù)相結(jié)合,產(chǎn)生了熱水蒸汽交替注入方法和蒸氣輔助重力驅(qū)方法。

熱水蒸汽交替注入方法采用2 口垂直井和1口水平井作為1 個(gè)井組。首先水平井注蒸汽,在油層底部形成一個(gè)可流動(dòng)區(qū),然后由1口垂直井交替注入熱水和蒸汽。 每次注蒸汽都將油加熱并驅(qū)入油層底部的流動(dòng)通道,再由注入的熱水驅(qū)至另1口垂直井采出。蒸汽輔助重力驅(qū)方法是采用上、下平行排列的2 口水平井作為井組,由上面的水平井注入蒸汽加熱重油和瀝青,這些加熱的重油和瀝青在重力的作用下流入下部的水平井并被采出。 從蒸汽輔助重力驅(qū)的效價(jià)比看, 這種方法及其相關(guān)的開(kāi)采技術(shù)很可能成為主要的商業(yè)性開(kāi)采方法。

1.1.3 火燒油層

火燒油層就是用電學(xué)和化學(xué)等方法使油層溫度達(dá)到原油燃點(diǎn),并向油層注入空氣使油層原油持續(xù)燃燒。點(diǎn)火之后, 輕烴蒸發(fā), 并在兩相流中起驅(qū)動(dòng)力的作用。重分子和碳受到氧化產(chǎn)生一個(gè)燃燒前緣, 并在它的前面形成一個(gè)熱水帶, 燃燒產(chǎn)生的熱量降低了油的粘度。在儲(chǔ)集層中大約燒掉10 %～20 %的原地油,其余的大部分油被驅(qū)向生產(chǎn)采用火燒油層方法可以開(kāi)采高粘度稠油,并通過(guò)燃燒將部分重質(zhì)油分裂解而采出輕質(zhì)油分。 這種方法沒(méi)有深度限制, 但更適宜相對(duì)較薄的儲(chǔ)集層?；馃蛯拥娜秉c(diǎn)是實(shí)施工藝難度大,不易控制地下燃燒, 同時(shí)高壓注入大量空氣的成本比較高,通常在蒸汽驅(qū)方法不適用的情況下使用, 尤其是在具有中等密度原油的薄層或深層中應(yīng)用較多。

1.2 化學(xué)工藝

提高回收率的化學(xué)劑主要有聚合物、表面活性劑和CO2。向油井注入化學(xué)劑可以降低油、水和砂粒間的表面張力, 從而達(dá)到降低瀝青砂粘度的目的。芳烴類(lèi)溶劑在高壓下能被CO2及氣態(tài)烴所飽和,如在高壓下注入油井也可以使粘性油、水乳化液脫乳, 使蠟沉淀, 穩(wěn)定瀝青。用化學(xué)劑提高回收率一般僅限于輕質(zhì)油和中等密度的油,但如果與熱采法一起使用, 對(duì)重油和超重油也有效果。例如蒸汽抽提法, 就是注入乙烷、丙烷、丁烷等汽化的溶劑以產(chǎn)生蒸汽室,在蒸汽室中通過(guò)重力作用而驅(qū)動(dòng)原油。

1.3 冷采法

冷采就是油和砂同采,是通過(guò)一定的方式在膠結(jié)程度較低的砂層中形成多個(gè)高滲透性的孔道(稱“蚯蚓洞”),砂粒隨溶解氣體驅(qū)油而產(chǎn)生的泡沫油流一起流動(dòng),瀝青和砂一起被采出時(shí),孔道周?chē)皩又械臑r青將會(huì)流入井孔。 冷采法與常規(guī)原油開(kāi)采方法類(lèi)似, 常稱為重油伴砂冷采法, 但采出的砂量是常規(guī)原油開(kāi)采方法的2 ～3 倍。冷采法的主要優(yōu)點(diǎn)是改善了油藏流體的流動(dòng)能力,提高了原油量(與一次采油相比), 降低了生產(chǎn)成本。 主要的技術(shù)問(wèn)題是砂處理問(wèn)題、堵水造成的“蚯蚓洞” 堵塞、最終采收率低和排砂問(wèn)題。這項(xiàng)技術(shù)的關(guān)鍵是通過(guò)低熱處理方法使超重油流動(dòng), 對(duì)于薄層不可動(dòng)油藏比較有應(yīng)用前景。綜上所述, 熱采工藝、化學(xué)工藝和冷采工藝各有利弊,以蒸汽驅(qū)為主要代表的熱采法具有采油速度快、采收率高、應(yīng)用范圍廣等優(yōu)點(diǎn), 但其能耗比較大,開(kāi)采程度也不高?；瘜W(xué)工藝若與熱采法結(jié)合使用,則對(duì)瀝青砂等重質(zhì)原油有效。 冷采法主要用于具有一定流動(dòng)度的重油油藏,但最終采收率偏低且存在排砂問(wèn)題。

瀝青砂地表開(kāi)采法

地表開(kāi)采法就是首先移開(kāi)瀝青砂之上的覆蓋物,然后通過(guò)露天采礦技術(shù)進(jìn)行開(kāi)采。采出的瀝青砂被運(yùn)到工廠后進(jìn)行瀝青、砂粒及其它非烴類(lèi)物質(zhì)的分離,最后將分離出來(lái)的瀝青轉(zhuǎn)變?yōu)楹铣稍?。地表開(kāi)采法可采出90 %以上的油,瀝青砂中的烴、硫、金屬和巖石都得到最充分的利用, 但是地表開(kāi)采法的投資和生產(chǎn)成本比較高。根據(jù)瀝青砂礦藏中是否存在束縛水可將瀝青砂分為2 類(lèi):存在束縛水的瀝青砂稱為水潤(rùn)性瀝青砂,不存在束縛水的瀝青砂稱為油潤(rùn)性瀝青砂。開(kāi)采時(shí)2 者分別以水和有機(jī)溶劑為介質(zhì)進(jìn)行抽提。地表開(kāi)采法分為熱堿水溶液洗脫法、 熱堿水溶液結(jié)合表面活性劑洗脫法、有機(jī)溶劑抽提法和焦化法。其開(kāi)采流程基本一致, 都是通過(guò)露天采礦將瀝青砂采出, 運(yùn)到工廠后采用一定的工藝分離出瀝青,然后加工成各種石油產(chǎn)品。

2.1 熱堿水溶液洗脫法

熱堿水溶液洗脫法就是通過(guò)含堿的熱水將瀝青砂上的瀝青洗脫下來(lái), 然后從洗脫液中回收瀝青。其主要流程是在50 ～80 ℃的熱水中加入堿,并與瀝青砂一起在旋轉(zhuǎn)鼓中進(jìn)行攪拌, 瀝青以氣泡狀從砂粒上釋放出來(lái),隨后在重力分選器和浮選器中將瀝青分離出來(lái), 并用石腦油稀釋以降低其粘性,經(jīng)過(guò)進(jìn)一步提純后將石腦油去除掉就得到了純的瀝青_。熱堿水抽提法的主要優(yōu)點(diǎn)是抽提效率較高,瀝青砂中的所有成分可以得到充分利用。 局限是只適用于上覆層薄、埋藏深度較淺(一般小于75 m) 的水潤(rùn)性瀝青砂礦藏。從提高效率和降低成本的角度已經(jīng)對(duì)熱水抽提法進(jìn)行了改進(jìn)。改進(jìn)后的方法主要有溫水法、加溶劑助劑法和OSLO 冷水法等,這些方法在實(shí)驗(yàn)規(guī)模操作下已經(jīng)取得了成功。

2.2 熱堿水溶液結(jié)合表面活性劑洗脫法

表面活性劑可以降低油水界面張力,使原油更易于從砂粒上脫離出來(lái), 從而增加洗油效率。同時(shí),由于原油與堿作用可以生成石油皂, 而加入的表面活性劑與石油皂能夠產(chǎn)生復(fù)配增效作用,進(jìn)一步提高了表面活性。 有些高效表面活性劑有很高的表面活性,但是成本往往很高?？梢圆捎昧畠r(jià)的表面活性劑作為主要添加劑, 如石油磺酸鹽、石油羧酸鹽、天然羧酸鹽等, 然后復(fù)配極少量的高效表面活性劑,由于表面活性劑的高表面活性和復(fù)配性能, 這樣的驅(qū)油體系會(huì)有更好的驅(qū)油效果。

瀝青砂開(kāi)采早期曾較多采用有機(jī)溶劑抽取法、熱處理法等方法提取瀝青砂中的原油, 但其成本高, 能耗大、污染嚴(yán)重,因而近期大都趨向于采用熱堿水溶液或熱堿-表面活性劑洗脫法。熱堿-表面活性劑洗脫法的主要優(yōu)點(diǎn)是投入低、效益高, 原油回收率很高,廢液處理簡(jiǎn)單,但是只適合于淺層的水潤(rùn)性瀝青砂。

2.3 有機(jī)溶劑抽提法

有機(jī)溶劑抽提法就是使用各種溶劑將瀝青砂中的原油抽提出來(lái),并通過(guò)蒸餾回收混合溶液中的絕大部分溶劑, 并循環(huán)應(yīng)用于抽提過(guò)程。Rosen-bloom William 等闡述了用溶劑抽提法從瀝青砂中抽提瀝青的方法和裝置,這是一個(gè)商業(yè)化規(guī)模的系統(tǒng)。關(guān)于瀝青砂的溶劑抽提, 李俊嶺等也進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室研究。他們以新疆小西溝和風(fēng)城瀝青砂為原料,采用甲苯抽提方法得到稠油。

有機(jī)溶劑抽取法提取瀝青砂中的原油,其優(yōu)點(diǎn)是對(duì)油潤(rùn)性的瀝青砂有效,彌補(bǔ)了熱水抽提法不能抽提油潤(rùn)性瀝青砂的缺點(diǎn)。但其成本高, 能耗大、污染嚴(yán)重, 因此很少利用此法進(jìn)行商業(yè)化生_產(chǎn)[ 35～37] _。

2.4 焦化法

對(duì)于油潤(rùn)性瀝青砂,使用有機(jī)溶劑抽提法會(huì)引起相當(dāng)嚴(yán)重的環(huán)境污染, 因此出現(xiàn)了各種焦化法:

(1)硫化床法,即在硫化床中干餾瀝青砂, 該技術(shù)還沒(méi)有得到商業(yè)化規(guī)模的應(yīng)用。

(2)TACIUK釜法, 即在旋轉(zhuǎn)窯的干餾帶內(nèi)蒸餾瀝青砂, 燃燒帶內(nèi)的廢砂層上沉淀碳, 并將加熱過(guò)的砂作為干餾帶熱源的方法。

(3)LR法,源于干餾煤方法, 其特點(diǎn)是反應(yīng)器的原料既可以是液體, 也可以是固體,且用熱裂解殘?jiān)鳛闊彷d體。

(4)延遲焦化, 即2個(gè)反應(yīng)器交替運(yùn)轉(zhuǎn), 輪流充填瀝青砂和排空瀝青砂的一種商業(yè)化方法。

(5)硫化焦化, 是將細(xì)粉狀石油焦用做循環(huán)熱載體 , 在硫化床中焦油砂直接焦化的方法 , 并于1954 年首次商業(yè)化。焦化法不僅可以從粗焦油砂中干餾出石油產(chǎn)品,還能起到脫碳及改善油的碳?xì)浔鹊淖饔谩?因此焦化法處理瀝青砂具有很大的發(fā)展?jié)摿?,可望在近年內(nèi)得到廣泛應(yīng)用。在地表開(kāi)采法中 ,熱堿水溶液洗脫法和熱堿水溶液結(jié)合表面活性劑洗脫法都是針對(duì)水潤(rùn)性瀝青砂的洗脫方法, 但后者的洗脫效率更高;有機(jī)溶劑抽提法是針對(duì)油潤(rùn)性瀝青砂的開(kāi)采方法 ,但其成本高,污染嚴(yán)重;焦化法對(duì)油潤(rùn)性瀝青砂和水潤(rùn)性瀝青砂都可以進(jìn)行處理 , 但其能耗較大 ,瀝青損失比例也較大。

瀝青砂應(yīng)用

3.1 現(xiàn)狀

瀝青砂的開(kāi)采技術(shù)很多 ,每種開(kāi)采技術(shù)都有自己的優(yōu)缺點(diǎn)和應(yīng)用范圍。

(1)瀝青砂的開(kāi)采工程在發(fā)達(dá)國(guó)家和發(fā)展中國(guó)家都有, 說(shuō)明瀝青砂的開(kāi)采技術(shù)要求并不太高, 開(kāi)采工程也不局限于技術(shù)先進(jìn)的發(fā)達(dá)地區(qū)。

(2)就地開(kāi)采法中的蒸汽吞吐、蒸汽驅(qū)和地表開(kāi)采法是采用最多的方法,其中蒸汽吞吐法的采收率不高,而蒸汽驅(qū)的產(chǎn)量較高,采收率也較蒸汽吞吐有所提高,是比較有前景的開(kāi)采方法之一;地表開(kāi)采法產(chǎn)量巨大, 工藝相對(duì)比較簡(jiǎn)單, 生產(chǎn)成本也不高, 因此是最先實(shí)現(xiàn)商業(yè)化生產(chǎn)的開(kāi)采方法,具有較好的前景。

(3)火燒油層法由于實(shí)施工藝難度大, 不易控制地下燃燒,同時(shí)高壓注入大量空氣的成本又十分昂貴, 因此未得到廣泛應(yīng)用;而焦化法由于應(yīng)用在瀝青砂熱加工方面的研究起步較晚,因此還沒(méi)有大規(guī)模的直接用于開(kāi)采瀝青砂, 多用于對(duì)已開(kāi)采出的瀝青進(jìn)行改性加工。

3.2 實(shí)例分析

加拿大是世界上瀝青砂儲(chǔ)量最豐富、瀝青砂開(kāi)采量最大的國(guó)家,對(duì)瀝青砂開(kāi)采方法和利用進(jìn)行的研究也最多, 因此將加拿大的瀝青砂開(kāi)采作為典型案例進(jìn)行分析,可以更深入地了解瀝青砂開(kāi)采方法的應(yīng)用情況及發(fā)展趨勢(shì)。

加拿大在1996 ～2002 年間瀝青砂的開(kāi)采量非常大,而且持續(xù)增加。這反映了加拿大政府對(duì)瀝青砂工業(yè)的重視程度和投資強(qiáng)度,同時(shí)也說(shuō)明瀝青砂資源確實(shí)在一定程度上可以緩解常規(guī)原油的不足的狀況,對(duì)其它國(guó)家有較好的借鑒作用。在開(kāi)采方法方面,地表開(kāi)采方法的產(chǎn)量比就地開(kāi)采方法的產(chǎn)量高很多,說(shuō)明了地表開(kāi)采方法的優(yōu)越性。2002 年加拿大瀝青砂各種開(kāi)采技術(shù)的產(chǎn)量為例可以發(fā)現(xiàn),現(xiàn)階段瀝青砂開(kāi)采工藝主要是冷采法、循環(huán)蒸汽驅(qū)、蒸汽輔助重力驅(qū)和地表開(kāi)采熱水洗脫法, 其日產(chǎn)量分別為13 417、20 726、5 522和75585t 。產(chǎn)量最大的是地表開(kāi)采熱水洗脫法,其主要生產(chǎn)途徑是地表采礦—熱水洗脫—改質(zhì)生產(chǎn)成合成原油,這也是最先實(shí)現(xiàn)商業(yè)化生產(chǎn)的瀝青砂開(kāi)采技術(shù)。循環(huán)蒸汽驅(qū)和“冷”采法的產(chǎn)量也比較高,這兩種開(kāi)采技術(shù)也是瀝青砂開(kāi)采的主要方法。 蒸汽輔助重力驅(qū)是最才發(fā)展起來(lái)的開(kāi)采方法,雖然產(chǎn)量不高,但各石油公司對(duì)這一技術(shù)的開(kāi)發(fā)都很重視,2002年蒸汽輔助重力驅(qū)的項(xiàng)目有21個(gè),說(shuō)明了這一方法的發(fā)展前景。可以認(rèn)為,蒸汽輔助重力驅(qū)不久將可能成為主要的商業(yè)性開(kāi)采方法之一。

瀝青砂結(jié)論與建議

(1)世界能源消耗量持續(xù)增長(zhǎng), 常規(guī)原油的儲(chǔ)量逐年減少,瀝青砂資源的開(kāi)發(fā)與利用越來(lái)越受到人們的重視。當(dāng)前對(duì)瀝青砂資源進(jìn)行商業(yè)化開(kāi)發(fā)的國(guó)家有加拿大、委內(nèi)瑞拉和美國(guó)等, 這在一定程度上緩解了這些國(guó)家常規(guī)原油開(kāi)采量不足的狀況, 說(shuō)明瀝青砂資源是一種很有開(kāi)發(fā)前景的油氣資源。

(2)通過(guò)注入化學(xué)劑可以改變?yōu)r青砂中油、水和砂粒間的表面張力,使得油的粘度降低而宜于開(kāi)采或提高采收率。 熱采法與化學(xué)劑聯(lián)用可以大幅度提高采收率, 是當(dāng)前瀝青砂開(kāi)采技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)之一。

(3)蒸汽輔助重力驅(qū)及其衍生的開(kāi)采方法,采收率高,應(yīng)用范圍廣,但初始產(chǎn)油量不高。若將這一方法與化學(xué)劑聯(lián)用,則不僅可避免蒸汽輔助重力驅(qū)法的缺點(diǎn),還可提高采收率,因此,這是一個(gè)很有發(fā)展前景的開(kāi)采方法。

(4)表面活性劑能夠極大地提高瀝青砂瀝青的洗脫及破乳效率, 從而大幅度提高瀝青砂的回收率。但表面活性劑一般價(jià)格昂貴, 其應(yīng)用受到限制。因此,篩選或復(fù)配廉價(jià)而高效的表面活性劑便成為瀝青砂開(kāi)采技術(shù)中急需開(kāi)展的研究項(xiàng)目。