油砂的组成、结构
油砂(tarsand)又称沥青砂，是一种含有天然沥青的砂岩或其他岩石(本书定义)。通常是由砂、沥青、矿物质、粘土和水组成的混合物。不同地区油砂矿的组成不同。油砂油(油砂沥青)是指从油砂矿中开采出的或直接从油砂中初次提炼出的尚未加工处理的石油。
国际上通常将黏度极高的原油称为天然沥青(naturalbitumen)或沥青砂油(tarsandoil)，也就是通常所说的油砂油。油砂油比一般原油的黏度高，由于流动性差，需经稀释后，才能通过输油管线输送。油砂经提取分离和改质后可以得到合成原油。
油砂的组成、结构
油砂主要由砂、沥青、矿物质、粘土和水等五部分组成。油砂通常含有80%～85%的无机质(砂、矿物、粘土等)、3%～6%的水、3%～20%的沥青。通常油砂沥青是烃类和非烃类有机物质，是黏稠的半固体，约含80%的碳元素，此外还含有氢元素及少量的氮、硫、氧以及微量金属，如钒、镍、铁、钠等(王剑秋，1994)。中国新疆克拉玛依、内蒙古二连、加拿大阿萨巴斯卡(athabasca)等地的油砂所含的沥青、水、无机矿物质的组成见表3－3。
表3－3中国、加拿大油砂矿组成表
沥青不能在油藏条件下自由流动，但大部分溶于有机溶剂。由于流动性差，所以不能采用开采常规油的方法获取油砂沥青。
1982年，koichi提出了加拿大阿萨巴斯卡油砂结构模型(图3－2)。该砂粒主要是圆形或略带尖角的石英，每一砂粒被水薄膜润湿，沥青层包围在水薄膜外层及充填空间，填满充填空间的还有原生水及少量空气或甲烷。
图3－2加拿大阿萨巴斯卡油砂结构示意图
bowman(1967)、donaldson(1968)等对阿萨巴斯卡油砂显微结构进行了研究。结果表明，对于高品位的油砂，砂粒表面水膜中的水约为2%～3%(重量)，水的厚度约为0.01μm，水膜由带负电荷的沥青和砂子相互排斥，稳定存在于砂粒表面。对于低品位油砂，由于细粒被水饱和，其含水量随细粒增加而直线上升。
加拿大阿萨巴斯卡油砂的粒径分布见表3－4，分布曲线见图3－3。可以看出，阿萨巴斯卡油砂的粒径在147～417μm之间的约占87%，呈正态分布特征。
表3－4阿萨巴斯卡油砂粒径分布表
图3－3阿萨巴斯卡油砂的粒径分布图
除了加拿大北阿尔伯达阿萨巴斯卡、瓦巴斯卡和皮斯河区域油砂中的沥青外，在冷湖和貂山区域也有大量的重油。尽管重油和沥青的化学性质非常相似，但它们的黏度有很大差异。在通常的形成温度下，沥青基本上是不动的，而重油却有一定的流动性。阿萨巴斯卡油砂和沥青的性质见表3－5。
表3－5阿萨巴斯卡油砂性质表
注:①表示晶粒大小的单位。
美国犹他州油砂外表非常干燥，利用粉末接触角和电子显微镜分析方法未观察到油砂中的水膜及分散在沥青中的水，因而认为在油砂中沥青组分直接与油砂固体相接触。图3－4为犹他州油砂结构示意图。
图3－4美国犹他州油砂结构示意图
中国不同地区油砂性质也不一样。利用粉末接触角和显微镜测量法对中国部分地区油砂的润湿性进行研究表明:新疆红山嘴和小石油沟油砂都为亲水性;克拉扎背斜油砂对水相和油相亲和性都不强，属于中等润湿性;内蒙古吉尔嘎朗图泥岩和砂岩油砂为亲水性;内蒙古图牧吉油砂为亲水性。
进一步应用双电层理论，利用zeta电位测定及分离压计算发现，红山嘴15m以深及小石油沟油砂的固体颗粒与沥青之间存在一层约0.015μm厚的水膜，进一步证明了红山嘴及小石油沟油砂表面呈现亲水特性;克拉扎背斜油砂的亲水性大颗粒也具有类似厚度的水膜，而亲油性细颗粒及粘土部分则直接与沥青相连，其间无水膜;内蒙古吉尔嘎朗图泥岩和砂岩油砂则是砂体与沥青直接相连，无水膜，从而提出了新疆及内蒙古不同地区油砂的结构模型，见图3－5(guoetal.，1997)。水膜的存在有利于沥青从砂粒中抽提分离。
图3－5新疆和内蒙古部分地区油砂结构模型图
油砂的性质
(1)油砂的组成、结构
油砂主要由砂、重油或沥青、矿物质、黏土和水等五部分组成。油砂通常含有80%～85%的无机质(砂、矿物、黏土等)、3%～6%的水、3%～20%的沥青。通常油砂沥青是烃类和非烃类有机物质，是黏稠的半固体，约含80%的碳元素，此外还含有氢元素及少量的氮、硫、氧以及微量金属，如钒、镍、铁、钠等(王剑秋，1994)。中国新疆克拉玛依、内蒙古二连浩特，加拿大阿萨巴斯卡(athabasca)等地的油砂所含的沥青、水、无机矿物质的组成见表7.1。
表7.1中国、加拿大油砂矿组成表
沥青不能在油藏条件下自由流动，但大部分溶于有机溶剂。由于流动性差，所以不能采用开采常规油的方法获取油砂沥青。
1982年，koichi提出了加拿大阿萨巴斯卡油砂结构模型(图7.1)。该砂粒主要是圆形或略带尖角的石英，每一砂粒被水薄膜润湿，沥青层包围在水薄膜外层及充填空间，填满充填空间的还有原生水及少量空气或甲烷。
图7.1加拿大阿萨巴斯卡油砂结构示意图
bowman(1967)、donaldson(1968)等对阿萨巴斯卡油砂显微结构进行了研究。结果表明，对于高品位的油砂，砂粒表面水膜中的水约为2%～3%(重量)，水的厚度约为0.01μm，水膜由带负电荷的沥青和砂子相互排斥，稳定存在于砂粒表面。对于低品位油砂，由于细粒被水饱和，其含水量随细粒增加而直线上升。阿萨巴斯卡油砂的粒径在147～417μm之间的约占87%，呈正态分布特征(表7.2)。油砂性质见表7.3。
表7.2阿萨巴斯卡油砂粒径分布表
表7.3阿萨巴斯卡油砂性质
除了加拿大北艾伯塔阿萨巴斯卡、瓦巴斯卡和皮斯河区域油砂中的沥青外，在冷湖和貂山区域也有大量的重油。尽管重油和沥青的化学性质非常相似，但它们的黏度有很大差异。在通常的形成温度下，沥青基本上是不动的，而重油却有一定的流动性。
美国犹他州油砂表面非常干燥，利用粉末接触角和电子显微镜分析方法未观察到油砂中的水膜及分散在沥青中的水，因而认为在油砂中沥青组分直接与油砂固体相接触。
(2)油砂中的有机质
油砂中的有机质，即为沥青，可溶于有机溶剂。虽然其元素组成与天然石油相仿，但其分子量更大，组成也更复杂，约含有数千种化合物，根据目前的分析水平，尚不能完全分成单个化合物予以鉴定。加拿大、美国、委内瑞拉、中国等国油砂沥青的性质见表7.4。应用核磁共振、红外光谱、分子量测定及元素分析等，研究并测算中国新疆和内蒙古共4种油砂沥青的结构参数，发现4种沥青都有1/3或超过1/3的碳原子在芳香烃中：新疆小石油沟沥青芳香烃属于二联苯，总环数为4个，芳香环与环烷环各2个；克拉扎背斜沥青芳香环占3个，环烷环为2个；内蒙古吉尔嘎朗图砂岩和泥岩油砂沥青总环为9个，其中芳香环占6个，而砂岩沥青总环为11个，芳环占8个。饱和烃部分结构参数表明，沥青中烷基碳链大部分与环烷烃直接相连，很少与芳香烃相连，在4种沥青中克拉扎背斜沥青的脂肪碳链最长，吉尔嘎朗图砂岩沥青的脂肪链最短。加拿大油砂沥青一般包括多种烃，其属性在油藏之间或同一油藏内部都不相同。这类沥青中，大多数烃比戊烷重；近半数是很重的分子，沸点超过977°f。轻的部分环烷烃多，重的部分沥青质含量高。沥青质分子量很大，包括非烃物质，如氮、硫、氧和金属元素，特别是镍和钒。油砂沥青除直链、支链、饱和及不饱和烃，还有氧、氮、硫杂原子化合物及微量元素。
表7.4加拿大、委内瑞拉等国油砂矿藏性质表
(3)油砂中的矿物质
油砂颗粒较大的可达1000μm，小的可小于2μm。小于44μm的大部分是砂屑和黏土。加拿大阿萨巴斯卡油砂矿物中，99%是石英和黏土，1%是钙铁化合物。加拿大和中国的油砂矿物组成分别见表7.5，表7.6(王剑秋，1994)。
表7.5中国内蒙古和新疆油砂中沥青、水、矿物质的重量百分含量表
表7.6中国内蒙古和新疆油砂的矿的组成表
对于加拿大阿萨巴斯卡油砂，矿物是以石英为主，而重矿物中，主要是金红石(tio2)，在抽提沥青的同时，可以回收金红石。因此在开发油砂资源时，也发展了钛工业。
油砂的介绍
油砂（oilsand），亦称“焦油砂”、“重油砂”或“沥青砂”。外观似黑色糖蜜，其开采方法与传统石油开采截然不同。简单地说，油砂开采是“挖掘”石油，而不是“抽取”石油。已露出或近地表的重质残余石油浸染的砂岩，系沥青基原油在运移过程中失掉轻质组分后的产物。砂岩多为淡水及半咸水相，以加拿大阿萨巴斯卡河为最大，属白垩系，面积达33400平方公里。有时也指浸渍轻馏分部分逸出后的一种天然石油的砂或砂岩。可用以提炼重油和沥青。
