油砂沥青热碱水分离法的岩性制约因素与工艺参数优化研究

It was reported that the recoverable petroleum resources from tar sand are over 2 billion tons in China, which is one of the unconventional petroleum resources. Research on the exploitation technique of tar sand is still at a primitive stage in China. Focussing on some basic issues in this field is of both scientific and applied significance. One of the key steps for recovering tar sand oil is to separate bitumens from minerals. The applicant designed and developed an apparatus for laboratory modeling of bitumen separation in thermal alkaline solution, which was supported by the NSFC project entitled "On the interaction mechanism between bitumin and mineral surface and the constraints on the bitumen speration". Primary modelling was done on the tar sand samples from Tumuji and Houba by using this apparatus. Based on the results of the previous project, this proposal is going to study the influence of various bitumens and minerals on the bitumen effective separation from water wettable tar sand, especially to study the constraints of tar sand lithological factors on bitumen separation in thermal alkaline solution. The processing parameters for the modeling under both single and multiple variable factors are tried to be optimized. The expected results may provide some theoretical and technological supports for the tar sand exploitation in China in the future.

我国油砂矿可采石油资源量20多亿吨、在我国的非常规石油资源中占有一席之地，但在相关开发技术研究方面尚处于起步阶段，针对油砂开发中相关的一些基础科学问题展开探索性的研究具有重要科学意义和应用价值。油砂开采过程中的关键环节之一是沥青与矿物的分离，申请者刚完成了题为"油砂中沥青与矿物作用机理及分离过程中的制约因素研究"的基金项目，研制了一套可用于实验室油砂沥青热碱水萃取分离实验的装置，并对内蒙古扎赉特旗和四川厚坝两地的油砂样品进行了油砂沥青热碱水分离实验。本项目拟以水润湿性油砂为研究对象，在上个基金项目成果的基础上，通过模拟实验探讨不同沥青性质与矿物组成对沥青有效分离的影响，重点探索油砂的岩性因素对沥青热碱水萃取分离效果的制约作用。在不同模拟实验条件下，进一步细化优选单因素影响的工艺参数，并开展多因素影响的工艺参数优化实验，研究成果可以为我国今后油砂资源的开采利用提供理论基础和相应的技术储备。

我国油砂矿可采石油资源量20多亿吨，在我国的非常规石油资源中占有一席之地，但在相关开发技术研究方面尚处于起步阶段，针对油砂开采中相关的一些基础科学问题展开探索性的研究具有重要科学意义和应用价值。本项目以水润湿性油砂为研究对象，通过模拟实验探讨不同沥青性质与矿物组成对沥青有效分离的影响，重点探索油砂的岩性因素对沥青热碱水萃取分离效果的制约作用。获得如下成果：首先通过对内蒙古扎赉特旗和四川厚坝两个地区岩性特征差异明显的油砂样品的热碱水分离实验，揭示了矿物成分、胶结程度等因素将明显影响沥青分离效果。随后通过一系列的人工配比油砂沥青老化模拟实验，确定了沥青室内老化过程的最佳模拟条件是在含水条件下露天放置20天。随后通过一系列的室内正交及配伍实验，定量研究内蒙古扎赉特旗油砂中矿物的种类、粒度、矿物成分的差异以及沥青性质对油砂热碱水分离效果的影响。得到如下认识：1) 油砂中的矿物颗粒粒径越小，沥青的浮选效果越差，当油砂中存在大量颗粒的粒径小于44μm时，油砂热碱水分离的浮选效果很差，不利于油砂沥青的回收；2) 黏土矿物的含量对油砂热碱水分离的效果有显著的影响，当黏土矿物的含量大于15%时，油砂热碱水分离的效率会明显降低，但当其含量小于5%时，对油砂热碱水分离的效率影响则不大；3) 蒙脱石、伊利石、绿泥石三种黏土矿物中，蒙脱石的存在对油砂热碱水分离效率的影响最为显著。本研究还通过控制变量法探讨各工艺参数单独作用对内蒙古扎赉特旗油砂热碱水分离的影响，随后通过正交实验进行双因素分析获取各参数之间的相互影响程度，最后通过降低温度并对其它参数进行微调获取更为经济的工艺参数。最终在温度40℃、5.6wt%的NaOH、0.05wt%的HPAM和2wt%的MIBC的条件下对内蒙古扎赉特旗油砂矿获得了达80.6%的回收率。研究成果可以为我国今后油砂资源的开采利用提供理论基础和相应的技术储备。