加拿大油砂开采环保对策对新疆油田的启示*

何玉春 查明 刘太勋 马海龙 黄文华

（1.中国石油大学（华东）地球科学与技术学院；2.中国石油新疆油田分公司勘探开发研究院）

加拿大油砂开采环保对策对新疆油田的启示*

何玉春1查明1刘太勋1马海龙2黄文华2

（1.中国石油大学（华东）地球科学与技术学院；2.中国石油新疆油田分公司勘探开发研究院）

针对油砂露天开采所存在的水资源利用、尾矿处理以及温室气体排放3方面的环境问题。在分析加拿大油砂露天开采情况及其工艺流程的基础上，介绍了其采取的环保对策：尾矿水处理后循环利用以减小新鲜水用量及对水环境的污染；采取复合尾矿处理技术（C T技术）和尾矿干化复垦技术（T R O技术）处理尾矿；应用蒸汽辅助重力泄油（S A G D）、火烧油层（T H AI）等就地开采技术及碳捕捉和碳封存技术以减少温室气体的排放。从储层性质、重油沥青性质方面将加拿大油砂与新疆风城油砂进行对比，根据风城油砂处理难度大、尾矿水循环利用难度大、温室气体排放量大、尾矿处理难度大的特点，结合新疆地区实际情况，提出使用注蒸汽开发后的循环水、将尾矿水收集处理、引进相关技术即时处理尾矿、高效全自动燃气蒸汽锅炉、密闭集输、采用环境友好型的就地处理技术等减小油砂开采带来的环境污染。

油砂；露天开采；环保问题；水资源利用；尾矿处理；温室气体排放；加拿大；新疆油田

0 引 言

油砂属于非常规油气资源，是重要的常规油气资源替代品。加拿大的油砂资源、开采技术都处于世界领先水平。目前，加拿大油砂开采主要采取露天开采（O pen-pit Mining）和就地开采（In Situ）两种方式［1-2］。露天开采适用于埋藏相对较浅（埋深＜75 m）的油砂矿，该方式主要在水资源利用、尾矿处理和温室气体排放3个方面涉及环境问题，与其相应的措施效果如何决定着露天开采方式的可持续性。

我国油砂资源丰富，分布广泛，新疆、青海、内蒙古、四川等地均有分布，其中，以新疆准噶尔盆地西北缘油砂资源条件最优、油砂品位最好，具有良好的开发前景［3-8］。新疆油砂地处荒漠环境，气候干旱、降雨量小、多风且风大、植被稀少，生态环境极其脆弱，因此，不能照搬加拿大的工艺技术，具体环保措施应当有所差别。

1 加拿大油砂露天开采

油砂又称为沥青砂，是指砂或其他造岩矿物中的天然沥青［6］，通常是由沥青、富矿黏土、砂、水组成的混合物。油砂资源的这一特殊性质，决定了其开采方式与常规油气资源开采存在较大的差异，并且，不同的埋藏深度，其开采方式也不一样。

加拿大阿尔伯达油砂开采方式与埋深关系见图1［9］。

图1 加拿大阿尔伯达油砂开采方式与埋深关系

油砂露天开采的经济可行性取决于价格、成本和含油率，其中关键的成本因素是表层厚度和清除的工程。表层厚度与油砂厚度比值的关系式，称为露天开采系数S M F（Surface Mineabil ity Factor）。当S M F＞5时，油砂工业化开采在经济上是可行的。

S M F表达式见公式（1）。

式中：C0为油砂含油率，%；hw为表层厚度，m；h0为油砂厚度，m。

露天开采工艺处理油砂大致为四个环节：油砂露天采掘、重油沥青提取、重油沥青改质和废物处理［8］。目前加拿大阿尔伯达省露天油砂处理主要以热碱水水洗工艺为主，从野外露天开采油砂到用热碱水洗工艺处理油砂的流程见图2。

图2 油砂露天开采工艺流程

采掘油砂经破碎筛分加入90℃热碱水，经泵增压管道输送至油砂处理浮选机。在浮选机内通过空气的浮选搅拌作用，粗砂迅速沉入设备底部排出，沥青泡沫黏附到微小气泡表面浮升至设备上部，中部为含微小细砂颗粒及黏土的悬浊液。设备底部的粗砂称为粗尾矿，经旋流分离进一步脱水，脱出的含水液排放至细土尾矿池，脱水后的粗尾矿（含水率20%，含固量80%）投加絮凝剂后排入干化池填埋。中部含微小细砂颗粒及黏土的悬浊液（称为细土尾矿）排入细土尾矿池自然沉降分离。分离时间达数年才有上清液析出，上清液回收至油砂处理系统循环利用。而沥青浮渣进入斜板沉降罐沉降分离（或旋流设备分离）进一步脱水，沉降罐上部回收油砂油含水率≤3%，即可输送至炼厂提级，底部含油污水排放到细土尾矿池。

2 环保问题及对策

2.1 水资源及尾矿水处理

加拿大油砂开采及处理的前两年完全使用新鲜水处理油砂，耗水量巨大，通常耗水量为洗出油量的10倍。加工1 m3合成低硫原油混合物（SSB）约需要17 m3水，但是，随着循环水技术的使用，平均只需要2～3 m3新鲜水［10］。截至2007年，生产1 m3油取用新鲜水用量降低到2.03 m3。阿萨巴斯卡油砂提取中新鲜水用量随时间变化趋势见图3。

自1980年以来，加拿大阿尔伯达省每提取1桶重油沥青新鲜水的用量降低了至少70%。

无沥青尾矿在尾矿池中沉降和固结时间预测见图4。尾矿水自然分离即得到循环水，这一过程需要数年。同时，由于尾矿水的循环利用，大大降低了其对附近流域地表水及地下水污染的潜在威胁。

图3 阿萨巴斯卡油砂提取中新鲜水用量随时间变化趋势

图4 无沥青尾矿在尾矿池中沉降和固结时间预测

2.2 尾矿处理

加拿大油砂矿开采形成了大面积的矿坑及尾矿湖，截至2011年，矿区油砂开发面积520 k m2，形成尾矿面积超过170 k m2，尾矿水容积达到8.0×108m3，给环境带来巨大的破坏。

尾矿池的产生带来了严重的环境污染和大量的土地占用。加拿大一些油砂开发公司及研究公司一直在研究尾矿处理问题。其中，Suncor公司采用复合尾矿处理技术（C T技术）和尾矿干化复垦技术（T R O技术）处理尾矿。

C T技术是将油砂处理及沥青泡沫处理过程排放的尾矿投加石灰和絮凝剂排放到尾矿池，以加速尾矿中泥、砂、水的分离。

T R O技术是将已形成的尾矿中的细土尾矿水抽出，投加高分子絮凝剂排放到带有斜坡的矿坑中，通过自然蒸发、渗滤达到细土尾矿干化的目的。将干化的尾矿拉运到其他地方或就地复垦。该技术的实施是将流体细土尾矿迅速干化回填成可开垦种植的景观工程。在细土尾矿中投加聚合物絮凝剂敷设在斜坡沙坝的表层，经渗滤干化，形成可运输的固体物质，这个分离过程大约7 d可以完成。这种工艺有望改善尾矿管理现状，减少现有的尾矿池容积。T R O技术流程图见图5。

图5 尾矿干化复垦技术（TR O技术）流程

2.3 温室气体排放

考虑到油砂油的提炼、改质、精炼等过程中产生的温室气体，油砂开采过程中的碳排放问题似乎显得格外突出。随着新排放法规的颁布以及人们对于全球变暖的日益关注，减少温室气体的排放越来越重要。然而，据Jacobs Consulting公司研究证实，按照“从油井到车轮”的标准比较，油砂的温室气体排放仅比常规原油高5%～15%。

蒸汽辅助重力泄油（S A G D）、火烧油层（T H AI）等就地开采技术的应用［11-12］，有助于减少露天开采油砂时天然气燃烧产生的碳排放。同时，加拿大也投入研发碳捕捉和碳封存技术，以期减少温室气体的排放。Syncrude公司油砂分离过程中C O2排放量变化趋势见图6。

图6 Syncrude公司油砂分离过程中C O2排放量变化

从图6可以看出，油砂分离提取中，每得到1桶低硫合成原油，C O2排放量总体呈逐年下降的趋势，这对于缓解油砂开采中的温室气体排放意义重大。

3 油砂性质

油砂作为一种混合物，其各组分的性质直接影响油砂分离提取工作的难度，对于自然环境也会产生不同程度的影响。加拿大油砂沥青含量平均在13%～15%，风城油砂沥青含量较加拿大油砂沥青含量低约3%，平均含量在10%～12%，但是，风城油砂中的粉质土（粒径＜0.1 m m）含量却比加拿大油砂中的粉质土含量高。新疆油砂与加拿大油砂在这些方面的差异导致了新疆油砂开采过程中的环境问题更加突出［13-14］。

3.1 储层性质

露天采掘的油砂视其固结程度高低决定是否机械破碎后再输送到浮选机内分离提取。机械设备的使用提高了能源输入，也会增加温室气体的排放。通过对风城地区14口取心井岩心观察发现，风城白垩系油砂固结程度高，胶结较致密，破碎难度大；而加拿大油砂胶结疏松，易破碎。

油砂分离提取时，浮选机内经过浮选作用在中部形成的悬浊液排放到尾矿池后，自然沉降、完全分离时间预计需要130年，这一事实极大地阻碍了尾矿水的即时循环利用。而中部悬浊液中细沙和黏土的来源主要是油砂混合物中的粉质土。加拿大阿萨巴斯卡油砂黏土含量较低，粒径＜0.1 m m的粉质土含量低于7%；而新疆油砂黏土含量相对较高，粒径＜0.1 m m的粉质土含量占30%。阿萨巴斯卡油砂粒径分布见表1。风城白垩系清水河组油砂粒径分布见表2。

表1 阿萨巴斯卡油砂粒径分布

表2 风城白垩系清水河组油砂粒径分布

3.2 重油沥青性质

油砂黏度会对油砂分离提取产生较大的影响。当达到一定温度时，重油沥青处于黏流态，流动性增加有利于油砂分离提取。风城油砂与加拿大油砂黏度-温度关系对比见表3。

表3 不同温度下风城油砂与加拿大油砂黏度

风城油砂沥青黏度较加拿大油砂沥青的黏度高，以80℃黏度对比看，风城油砂沥青黏度为8 870 m Pa·s。而加拿大油砂沥青在80℃时黏度只有660 m Pa·s。因此，实现风城油砂的分离提取需要增加提取过程中的温度以及化学试剂使用量。温度的提高以及化学试剂的大量使用将增加温室气体的排放量以及尾矿的处理难度。

综合以上两个方面，表明风城油砂较加拿大油砂处理难度大，会产生大量的尾矿水，油砂处理需要消耗更多的水。同时，由于新疆油砂粉质土含量高，尾矿中悬浮物分离所需时间更久，影响尾矿水的循环利用。

4 结论与建议

①水资源及尾矿水处理。风城地区干旱少雨，水资源匮乏，地下水资源亦相当匮乏。由于新鲜水的成本高，考虑主要使用邻区注蒸汽开发后的循环水。同时，可以将露天开采后的尾矿水收集，处理达标后再次循环利用。既可以减少新鲜水的用量，也可以避免形成的尾矿水对周边自然环境造成威胁。

②尾矿处理。考虑到新疆油田自然环境因素，油砂处理过程产生的尾矿水不能按照加拿大尾矿池储存、自然分离的处理方式，而应该考虑在油砂处理过程中即时处理尾矿，引进加拿大有关尾矿处理技术，比如复合尾矿处理技术等。

③温室气体排放。考虑采用高效全自动燃气蒸汽锅炉，使用经过净化处理的天然气，锅炉大气污染物排放达到有关标准；在工艺上采用密闭集输工艺流程，集油、计量、集输等全部进行密闭处理。

④油砂就地开采方式各项技术逐步提高，考虑改进就地开采技术适用范围，以期在不久的将来实现油砂的全部就地开采。就地开采方式相对露天开采是环境友好型的。大力发展蒸汽辅助重力泄油、坑道蒸汽辅助重力泄油等就地开采技术，可以避免水资源利用、温室气体排放以及尾矿堆积等油砂开采过程中的环境问题。

［1］ 王健，谢华锋，王骏.加拿大油砂资源开采技术及前景展望［J］.特种油气藏，2011，18（5）：16-20.

［2］ 陈媛媛，刘洪伟.油砂开采现状及开发技术进展［J］.石油化工应用，2011，30（3）：4-7.

［3］ 刘人和，王红岩，王广俊.中国油砂矿资源开发利用潜力及前景［J］.天然气工业，2009，29（9）：126-128.

［4］ 张明玉，何爱东，单守会，等.准噶尔盆地西北缘油砂资源潜力及开采方式探讨［J］.新疆石油地质，2009，30（4）：543-545.

［5］ 胡见义，牛嘉玉.中国重油沥青资源的形成与分布［J］.石油与天然气地质，1994，15（2）：105-112.

［6］ 单玄龙，车长波，李剑，等.国内外油砂资源研究现状［J］.世界地质，2007，26（4）：459-464.

［7］ 曹鹏，邹伟宏，戴传瑞.油砂研究概述［J］.新疆石油地质，2012，33（6）：747-750.

［8］ 贾承造，刘希俭，雷群，等.油砂资源状况与储量评估方法［M］.北京：石油工业出版社，2007.

［9］ 郑德温，方朝合，李剑.油砂开采技术和方法综述［J］.西南石油大学学报（自然科学版），2008，30（6）：105-108.

［10］H Masliyah Jacob，Czarnecki Jan，Xu Zhenghe，et al. Handbook on Theory and Practice of Bitumen Recovery from Athabasca Oil Sands［M］.Kingsley K nowledge Publishing，2011.

［11］关密生，易勇刚，郭桂生.坑道法开采风城浅层超稠油探讨［J］.新疆石油地质，2009，30（3）：398-400.

［12］张宇，常金荣，吴小平.浅层稠油热坑道内开采技术［J］.石油钻探技术，2007，35（2）：73-75.

［13］赵鹏飞，王勇，李志明.加拿大阿尔伯达盆地油砂开发状况和评价实践［J］.地质科技情报，2013，32（1）：155-162.

［14］高志农，许东华.青海油砂矿的物理化学性质［J］.石油钻探技术，2002，21（6）：1-4.

10.3969/j.issn.1005-3158.2015.05.006

1005-3158（2015）05-0018-04

2014-11-17）

（编辑 王薇）

中国石油天然气集团公司重大科技专项（2014 A-4808）。

何玉春，中国石油大学（华东）石油地质专业在读硕士研究生。通信地址：山东省青岛市黄岛区长江西路66号，266580