乌尔禾油砂组成分析

李 敏， 杨振兴， 陈鸿汉， 阎光绪， 郭绍辉

(1.中国地质大学(北京) 水资源与环境学院，北京 100083； 2. 中国石油大学(北京) 油气污染防治北京市重点实验室，北京 102249)

全球油气勘探领域正在呈现非常规与常规并进、深层与浅层并进、海洋与陆地并进“三个并进”态势[1]。随着全球能源需求的持续强劲和原油价格的节节攀升，油砂作为一种非常规能源，已受到国内外学者的广泛研究与关注[2]。中国的油砂资源量排名世界第五[3]，油砂主要分布于西部和东部盆地[4]。我国准格尔盆地乌尔禾地区油砂裸露的表面积大，分布连片集中，形成了大片的油砂山丘，且具有含油率中等、黏土颗粒较多、油质较好等特点[5]。目前我国油砂资源利用研究还处于起步阶段，研究主要集中于油砂储量评估、地质成因和油砂提取实验等方面[6]。由于油砂的固体组成及粒径大小对油砂分离具有重要影响[7-8]，而油砂的特性又直接影响其分离方案的选取，所以研究油砂中固相特性对油砂分离方案选取和沥青后续加工具有一定的指导意义。油砂的应用价值及油气生成潜力，实质上取决于其内部结构特征和化学组成[9]。为了深入了解乌尔禾油砂的组成和结构特点，本研究利用自动元素分析仪、激光粒度仪、X射线衍射仪和扫描电子显微镜等仪器，研究了乌尔禾油砂的基本组成、有机组成、元素组成、颗粒粒径以及微观结构等，为后续乌尔禾油砂的分离及处理技术研究提供了借鉴。

1 材料及方法

1.1 实验材料和仪器

乌尔禾油砂；甲苯(分析纯，北京化工厂)；正庚烷(分析纯，北京化工厂)；中性氧化铝(层析用，国药集团化学试剂有限公司)；正庚烷(化学纯，北京化工厂)；石油醚(分析纯，北京化工厂)；无水乙醇(分析纯，北京化工厂)。

激光粒度仪(Mastersizer 3000，英国Malvern)；电子扫描显微镜(G300 70-81，德国ZEISS)；自动元素分析仪(ECS 4010，意大利Costech)；低速离心机(LD5-2B，北京雷勃尔离心机有限公司)；马弗炉(SGM·M6/10，洛阳西格马炉业股份有限公司)；X 射线衍射仪(Pert Pro MPD型，荷兰帕纳科)；沥青质测定器(DYH-153，大连雨禾石油仪器有限公司)；旋转蒸发仪(RE-6000，上海研承仪器有限公司)等。

1.2 研究内容及方法

1.2.1 油砂基本组成分析 利用甲苯做萃取剂，采用索氏抽提法提取油砂中的油，实现油与砂的分离，利用重量法测定油、水及固体组分含量。

1.2.2 油砂油组成分析 使用自动元素分析仪分析油砂油元素组成与含量，采用NB/SH/T 0509—2010石油沥青四组分测定法对乌尔禾油砂油开展四组分分析。

1.2.3 油砂固体颗粒组成及微观结构分析 使用马尔文激光粒度仪对经过450 ℃高温灼烧后的油砂颗粒在20～2 000 μm进行粒径分布测定，并用X射线衍射仪在40 kV、250 mA条件下，以8 (°)/min扫描度，在10°～80°扫描范围内对该油砂颗粒的矿物成分和含量进行测定，同时使用电子扫描显微镜在加速电压为5.0 kV条件下观察并采集该部分油砂颗粒微观结构。

2 结果与讨论

2.1 油砂基本组成分析

经过多次测定，油砂中含油率、含砂率和含水率结果见图1。

由图1可以看出，油砂含油率为6%～16%，含砂率为82%～92%，含水率较低，在0.5%～2.0%。通常认为含油率大于10%的油砂属于高等级，回收其中的沥青油具有一定经济可行性，因此乌尔禾油砂作为高品质油砂，可对其进行油砂沥青提取分离研究。

图1 油砂基本组成Fig.1 Basic composition results of oil sands

2.2 油砂油组成分析

2.2.1 油砂油元素组成分析 使用自动元素分析仪对油砂油进行分析，得到了油砂油元素分布特点。具体分析结果见图2。

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

由图2可知，乌尔禾油砂油中碳元素、氢元素、氧元素、氮元素和硫元素质量分数平均值分别为81%、10%、7%、1%和1%；氢碳原子数比为1.48，初步说明乌尔禾油砂油相具有缩合程度大和分子结构复杂的特点；氧元素含量相对较高，主要是因为油砂油中含有大量有机酸类物质，也说明了我国的生油特性为陆相生油[10]。

2.2.2 油砂油四组分分析 四组分代表油砂油的族组成，最常用的测定方法为四组分分析法。油砂油四组分分析结果如表1所示。

由表1可知，乌尔禾油砂洗出油中胶质、沥青质质量分数平均值分别为27%、12%，饱和分质量分数最高，约为40%；芳香分质量分数为21%。沥青质的多少决定了油砂沥青的胶体稳定性，沥青质质量分数越多，油砂沥青胶体体系越不稳定[11]。乌尔禾油砂洗出油中沥青质质量分数相对较低。这样油砂沥青会比较容易从砂粒表面脱离，利于水洗分离。饱和分质量分数较高，这有利于油砂水洗分离，且在后续炼厂处理过程中也会有较高的轻质组分收率。

表1 四组分分析结果Table 1 The results of four-component analysis

2.3 油砂固体颗粒组成及微观结构分析

2.3.1 油砂固体颗粒粒径分布 使用马尔文激光粒度仪对油砂固体颗粒粒径分布情况进行了测定，结果如图3所示。

图3 油砂固体颗粒粒径分布

Fig.3Distributiondiagramofgrainsize

由图3可知，油砂的体积平均粒径为204 μm。粒径分布有两个比较明显的峰：一个峰粒径在10～50 μm，该粒径范围为黏土成分；另一个峰粒径在100～400 μm，该粒径范围为砂粒成分。这也说明了乌尔禾油砂的固体物质主要是砂粒和黏土。

2.3.2 油砂颗粒矿物成分及相对含量分析 使用X射线衍射仪对油砂固体颗粒的矿物组成及相对含量进行了分析，测试结果如表2所示。

表2 油砂固体颗粒矿物成分及相对含量Table 2 Mineral composition and content of particles

续表2

由表2可知，油砂固相主要成分为SiO2，其次是Al2O3，两者占据了油砂固相的85%以上，表明油砂中含有85%以上的黏土矿物质，其中含量较高的矿物质有：Na2O、K2O、CaO、Fe2O3、MgO。另外，乌尔禾油砂中黏土含量较高，这些超细颗粒和黏土颗粒在润湿的情况下很容易与油砂沥青、水等发生乳化作用，形成乳状液体，这对油砂分离会产生不利影响。

2.3.3 油砂固体颗粒微观结构分析 使用扫描电子显微镜在加速电压5.0 kV条件下，对油砂固体颗粒的微观结构进行了不同放大倍数下的图像采集，具体结果如图4所示。

观察图4中的油砂表面结构，可知油砂表面多孔粗糙、胶结程度较高，将增加油砂沥青提取分离的难度。

Fig.4Themicrostructureofsolidparticles

3 结论

通过对乌尔禾油砂的基本组成与结构特性进行实验分析，得到如下结论：

(1) 油砂含油率为6%～16%，含砂率为82%～92%，含水率较低，在0.5%～2.0%，属于高品质油砂。

(2) 油砂提取油中最主要的两种元素为碳和氢，质量分数总和为91%，氧元素质量分数相对较高，主要为有机酸类物质；胶质、沥青质质量分数分别为27%、12%。饱和分质量分数最高，约为40%；芳香分质量分数为21%。胶质质量分数较高，不利于油砂油品从固相表面的分离。

(3) 油砂固体颗粒的体积平均粒径为204 μm，主要成分为SiO2，其次是Al2O3，油砂固体颗粒中含有85%以上的黏土矿物质。由于黏土含量较高，易与油砂沥青、水等发生乳化作用，将会导致油砂分离效率降低。通过对油砂固体颗粒微观结构的观察发现其表面结构多孔粗糙、胶结程度较高，会对油砂分离造成不利影响。

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