作者：贾承造等
出版社：石油工业出版社
格式: AZW3, DOCX, EPUB, MOBI, PDF, TXT
油砂资源状况与储量评估方法试读：
前言
随着全球经济的快速发展，尤其是发展中国家工业化程度的不断提高，对能源的需求量也在迅速增大，常规油气资源呈现了供不应求的局面，直接导致油价持续走高，极大地刺激了油公司对非常规油气资源储量勘探开发的热情。
油砂矿作为非常规油气资源的一种，其分布广泛，资源丰富。在目前的开采技术条件下，已知世界油砂技术可采资源量约为1035.1亿立方米，占世界石油可采资源量的32%，约为常规石油剩余可采资源量的68%。世界油砂资源丰富的国家主要有加拿大、俄罗斯、委内瑞拉、尼日利亚、美国等。目前世界上油砂商业产量主要在加拿大阿尔伯达盆地的阿萨巴斯卡（Athabasca），2005年产量为4亿桶。
我国油砂资源比较丰富，初步调查油砂地质资源量为59.7亿吨（据国家新一轮油气资源评价结果），主要分布于准噶尔、塔里木、柴达木、四川、鄂尔多斯、松辽等盆地，具有点多、面广、层多、含油率中等、油质较好等特点，其中以西北、东北油砂矿的品质较好，南方油砂氧化程度高。
我国油砂工业起步较晚，尚处于普查与初步研究阶段，但是由于近年我国对石油资源的需求量越来越大，现有石油资源已经不能满足国内发展的需要，国家和一些大的石油公司已经认识到油砂资源的重要性。
20世纪90年代以来，我国在油砂勘探和开发方面取得一定进展。代表性的研究成果有：2004年中国石油通过立项调查，对中国油砂资源的形成规律和分布状况进行了系统研究，提出了初步见解，公布了资源调查结果；中国石油勘探开发研究院廊坊分院开展了油砂分离室内实验，研制了油砂水洗及干馏分离装置，并分别在新疆的乌尔禾和红山嘴地区进行了现场油砂干馏分离试验和油砂水洗分离试验，取得了良好的效果。
本书由中国石油天然气股份有限公司副总裁贾承造院士组织制定编写提纲，由储量评估与管理部门进行了深入、系统地研究，由中国石油勘探开发研究院廊坊分院项目组具体负责编写。
全书共分为六章，第一章概述，由郑德温、葛稚新编写；第二章世界油砂资源状况，由刘人和、方朝合、徐小林编写；第三章中国油砂资源与分布，由魏伟、拜文华、刘人和、严启团、赵群、周文、赵陵编写；第四章油砂资源储量评估方法，由邓攀、郑得文、葛守国、厉学思编写；第五章油砂资源储量经济评价，由穆福元编写；第六章油砂资源储量评估实例，由拜文华、穆福元、闫刚、刘人和、魏伟、方朝合编写。该书由李景明、李剑、王红岩、邓虎成、吕立勇和穆福元进行统稿，由编委会副主任刘希俭、雷群对全书进行了统校，编委会主任贾承造对全书进行了审阅，最后由编委会审查定稿。
本书主要参考了由中国石油原科技与信息管理部主持、廊坊分院承担的“油砂勘探开发技术与储量评估方法”对外合作项目有关资料，以及美国天然气研究协会、美国地质调查局和得克萨斯经济地质局的出版物，美国石油地质协会、石油工程师协会相关文献。此外，该书还吸收了近年来我国油砂勘探积累的宝贵资料和丰富的经验，同时还参考了近期我国油砂勘探与开发试验的相关成果以及相关油田和研究院所的资料，并引用了相关技术人员发表的论文和报告。在该书的编写过程中，还得到了我国油气勘探开发战线高瑞祺、吕鸣岗、潘兴国、邓隆武、陈元千等老领导、老专家的支持和指导，在此对以上单位和个人的大力支持和帮助深表感谢。
由于编者经验不足，错误之处在所难免，恳请专家不吝赐教、指正。《油砂资源状况与储量评估方法》编委会2006年12月 第1章 概述1.1 油砂定义
油砂又称沥青砂，是一种含有天然沥青的砂岩或其他岩石。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，一般沥青含量为3%～20%，砂和粘土占80%～85%，水占3%～6%。油砂油比一般原油的粘度高，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。
国际上通常将粘度极高的原油称为天然沥青（Natural bitumen）或沥青砂油（Tar sand oil），也就是通常所说的油砂油。油砂经开采、提取分离，进行改质，可以得到合成原油（Synthetic crude oil）。
不同的国家对油砂资源有不同的分类标准。加拿大及美国等西方国家把油藏条件下粘度大于10000mPa·s的石油称之为油砂油或天然沥青。当无粘度参数值可参照时，把相对密度大于1.00作为划分油砂油的指标。重质油（Heavy Oil）则是指相对密度变化在0.934（20°API）～1.00（10°API）之间的石油。
原苏联对稠油和天然沥青的定义和研究自成体系，粘度为50～2000mPa·s、相对密度为0.935～0.965、油含量大于65%的原油称之为高粘油，高于上述界限值的均称之为沥青（软沥青、地沥青、硫沥青等）。
由于世界各国和各组织对重油及沥青砂定义差别较大，因此，1982年2月在委内瑞拉召开的第二届国际重油及沥青砂学术会议上提出了统一的定义和分类标准，达成了共识（表1.1）。表1.1 联合国培训研究署（UNITAR）推荐的重质原油及沥青分类标准*油层条件下的粘度。
参考国际稠油和天然沥青的分类标准，以及我国现行的稠油分类标准，对国内油砂油的界定如下：在油层温度条件下，粘度大于10000mPa·s的称之为油砂油，或者相对密度大于0.95的原油称之为油砂油（表1.2）。表1.2 中国油砂油分类标准1.2 油砂性质1.2.1 油砂组成、结构
油砂主要由砂、沥青、矿物质、粘土和水等五部分组成。油砂通常约含有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，是粘稠的半固体，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1.3。表1.3 中国、加拿大油砂矿组成
沥青不能在油藏条件下自由流动，但大部分溶于有机溶剂，生产过程中需要经过稀释才能通过输油管道输送；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，见图1.1所示。该砂粒主要是圆形或略带尖角的石英，每一个砂粒被水薄膜润湿，沥青层包围在水薄膜外层及充填空间，填满空间的还有原生水及少量空气或甲烷。
Bowman（1967）、Donaldson（1981）、Koichi（1982）、Sobalt（1985）、Anderson（1986）等研究人员对阿萨巴斯卡油砂的显微结构进行了大量研究，结果表明，对于高品位的油砂，存在于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，稳定的存在于砂粒表面。对于低品位的油砂，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1.4，分布曲线见图1.2。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1.4 阿萨巴斯卡油砂粒径分布
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1.3为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；内蒙古吉尔嘎郎图泥岩和砂岩油砂为亲水性；内蒙古图牧吉油砂为亲水性。图1.1 加拿大阿萨巴斯卡油砂结构示意图
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，而其亲油性细颗粒及粘土部分则直接与沥青相连，其间无水膜；内蒙古吉尔嘎郎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1.4（Guo等，1997）。水膜的存在有利于沥青从砂粒中抽提分离。图1.2 阿萨巴斯卡油砂的粒径分布1.2.2 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及稠油相仿，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1.5。图1.3 犹他州油砂结构示意图表1.5 加拿大、委内瑞拉等国油砂矿藏性质
应用核磁共振、红外光谱、分子量测定及元素分析等，研究并测算了中国新疆和内蒙古共四种油砂沥青的结构参数，发现四种沥青都有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，总环数为四个，芳香环与环烷环各两个；克拉扎背斜沥青属于渺位缩合组成，芳香环占三个，环烷环为二个；内蒙古吉尔嘎朗图砂岩和泥岩油砂沥青属于迫位缩合结构，泥岩沥青总环为九个，其中芳香环占六个，而砂岩沥青总环为十一个，芳环占八个。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，在四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。图1.4 新疆和内蒙古部分地区油砂结构模型
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℉。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，特别是镍和钒。
油砂沥青除了直链、支链、饱和及不饱和烃，还有氧、氮、硫等杂原子化合物及微量元素。1.2.3 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的大部分是砂屑和粘土。加拿大阿萨巴斯卡油砂矿物中，99%是石英和粘土，1%是钙铁化合物。加拿大和中国的油砂矿物组成分别见表1.6、表1.7、表1.8（王剑秋，1994）。表1.6 加拿大阿萨巴斯卡油砂矿物组成表1.7 中国内蒙古等地油砂的矿物组成表1.8 内蒙古图牧吉油砂中沥青、水、矿物质的重量百分含量
对于阿萨巴斯卡油砂，矿物是以石英为主，而重矿物中，主要是2金红石（TiO），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。1.3 油砂矿的形成与分布
大量研究表明，重油、油砂矿与重油、常规原油有共生或过渡的关系。如我国东部大部分断陷都具有良好的生油中心，沿生油中心内缘分布的圈闭多形成常规油田，具原生性质。而原油向外缘的运移过程中，发生明显的生物降解、水洗和游离氧的氧化，迅速稠变向重油演化，在盆地边缘形成重油带和油砂矿。
石油地质工作者一致认为，石油进入储层之后要发生运移、稠变。整个稠变过程实质上是一个由深层向浅层，由与地表水不连通的系统到与地表水连通系统周期性运移的过程。这一过程表现为运移、聚集、再运移、再聚集……石油随之变得愈来愈重、愈稠，甚至最终成为固体沥青。因此，地质家们将石油经初次运移进入储层以及之后的各个阶段，使其变稠、变重的各种作用统称为稠变作用。而每一阶段的稠变作用既有其独特性又有其共性，油砂矿和一般油藏一样可分为两个阶段——运移阶段和油藏形成阶段。无论在哪个阶段，导致油砂矿形成的稠变作用的主要因素包括生物降解、轻烃挥发、水洗、游离氧氧化等冷变质作用，这些作用造成了油质中极性杂原子重组分——胶质、沥青质的富集。
在加拿大阿尔伯达盆地存在一系列的稠油与油砂矿藏，白垩系作为主要重油层系，向西以不整合的方式覆于泥盆系石灰岩、石炭系和二叠系之上。在古近—新近纪（甚至第四纪），盆地东北部被强烈抬起，巨大的白垩系砂岩体被剥蚀，在阿萨巴斯卡油田油藏的埋藏深度是0～300m，在其他油田则是75m到几百米。
在俄罗斯东西伯利亚的列那—阿拿巴盆地，重油藏存在于Aolinesikeye凸起之上，主力含油气层系为二叠系碎屑岩，它不整合地上覆于寒武系碳酸盐岩之上，继白垩纪反转之后，盆地遭强烈剥蚀，二叠系广泛出露，其残余厚度约为30～300m，古油藏的抬升导致了2烃类的生物降解和氧化，形成了累计面积达1000km的重油和天然沥青分布区。
东委内瑞拉盆地奥利诺科油砂带分布于玛图林坳陷的边缘，在白垩纪—新近纪，由于加勒比海岸褶皱山系的抬升，盆地由北向南被依次抬升，渐新世不整合地覆于白垩系之上，主力含油层系为渐新统和中新统。在晚中新世和上新世，加勒比海岸褶皱山系进一步抬升，盆地南缘的奥里诺科重油带被抬升至近地表，形成延伸长达20～100km的重油带。
在中国准噶尔盆地西北缘，沉积巨厚的石炭—二叠系生油岩，为该区提供了充足的油气，三叠纪末期印支运动使西北缘逆掩断裂带活动剧烈，形成了二叠—三叠系早期油气藏。燕山运动的进一步活动造成多套不整合，使印支期形成的油藏遭受破坏，油气富集于推覆体上盘高断块及上覆地层中。通过喜马拉雅期构造运动的调整，在西北缘形成了八道湾组、齐古组和吐谷鲁组油藏以及大面积分布的地表油砂和天然沥青。
总的看来，全球油砂矿的特征及形成条件与重油油藏呈现出许多共性：（1）中、新生代构造运动是重油藏、油砂矿形成的主要控制因素，特别是新生代的构造运动把先前聚集的油气带到近地表，导致各种程度的生物降解和氧化。一般来说新生代构造运动起决定性作用，因为它在很大程度上决定了盆地最终的几何形状并控制了重油和油砂矿藏的分布。（2）油气自油源区开始进行大规模的运移和聚集常发生在抬升期间，油气从生油区向斜坡上倾方向运移，形成大面积的地层超覆油气藏。另一种是由于基底抬升而发育起来的以浅层披覆背斜圈闭为主的油藏、重油油藏与油砂矿主要沿盆地斜坡（被覆盖或部分遭受剥蚀）的外缘和发育在盆地持续抬升基底之上的浅表披覆构造分布，规模通常很大。（3）重油油藏是原油通过生物降解作用和游离氧氧化而形成的，油砂矿一般形成于近地表的浅部（通常在2000m以内）或地表。（4）约90%的油砂矿分布在白垩系和古近—新近系油气藏中。
由此可见，在任何沉积盆地，重油油藏、油砂矿的形成、分布与规模主要取决于以下两方面：（1）相当规模的常规油形成与聚集。
盆地在其地质历史的演化过程中，具有相当规模的常规油气聚集是形成稠油、油砂资源的前提。依据物质平衡原理进行的统计，常规油必须损失自身10%～90%的数量，才能成为重油或沥青。其中成熟常规油需损失50%～90%，低熟常规油因原始相对密度、粘度值高，损失量要小，一般为10%～50%。（2）后期构造运动。
后期构造运动的发生恰恰为石油进入连通系统提供了动力。即只有在油气生成、聚集之后发生的构造运动，才能为原始聚集的常规油进入连通系统创造条件。如产生开启断层、不整合面以及开启储层等。同时，构造运动的方式又必须在连通系统内创造较好的或一定封盖条件，使石油在连通系统内不会迅速散失，能够有相当数量的石油聚集。从而既遭受运移期又遭受油藏期的稠变作用，为形成相当规模的重油沥青奠定基础。后期构造运动的次数愈多、构造运动的强度愈大，原油遭受的稠变作用愈强。而且，运动的方式愈适宜封盖条件的创造，连通系统内稠油油砂的形成量与聚集量就愈大。
综上所述，在盆地（或凹陷）内，必须有足够数量的石油由非连通系统进入连通系统，遭受各种稠变因素的作用，并使之有相当数量的原油的连通系统中聚集，这样，最终才可在连通系统中形成重油/油砂。在整个油砂的形成过程中，连通系统内石油总供给量等于生油岩总排驱量与非连通系统总聚集量之差。总供给量包括连通系统内的保存量（未开始遭受稠变并聚集的量）和散失量（非稠变因素造成的损失量）（图1.5）。图1.5 重油、油砂资源形成条件剖析示意图
连通系统内的保存量（未开始遭受稠变并聚集的量）和散失量（非稠变因素造成的损失量）之间的关系如下：连
式中 Q——连通系统内石油总供给量；排
Q——生油岩总排驱量；非
Q——非连通系统总聚集量；保
Q——连通系统内的石油保存量（未开始遭受稠变并聚集的量）；散
Q——连通系统内的石油散失量（非稠变因素造成的损失量）。1
若再设最终重油/沥青形成量H、未达到重油标准的稠变油量2H、总稠变油形成量H、稠变损失量L，则
式中，K指重油/沥青最终形成量在总保存量中所占的百分数，一般低成熟重油/沥青K为90%～50%，成熟重油/沥青为50%～10%。
由式（1.2）、式（1.4）可得：排1
由式（1.5）可知：Q值愈大，H值愈高。即在盆地的演化过程中有相当规模的常规油资源形成是重油/沥青资源形成的根本前提。1其他各值均与H呈负线性相关。若未发生后期构造运动或后期构造非运动的方式，使非连通系统总聚集量Q近似等于生油岩总排驱量Q排1排，则H＝0，重油/沥青难于形成。在Q值一定的情况下，只有当后非散2期构造运动的方式使Q、Q、L和H各值足够小时，才能形成一定1规模的重油、沥青资源，并且各值愈小，H值愈大，即盆地形成的重油、沥青资源的丰度就愈高。
在一个盆地或凹陷中，油源愈充足、区域盖层愈完整，则其油气聚集的丰度就愈高。但是，在这一前提下，后期构造运动的发生和运动的方式与特征则是重油/沥青资源形成与聚集的必要条件。因为只有它才能造成盆地区域盖层的局部缺失或遭受断层的切割，使油气由非连通系统泄漏进入连通系统。泄漏进入连通系统的石油愈多，在连通系统内创造的封盖条件愈好，愈有利于重油/沥青资源的大规模形成。1.4 油砂矿的勘探与开发历程
世界油砂发现很早，特别是加拿大阿尔伯达油砂发现与开发具有久远的历史，其油砂的记载最早可追溯至280多年前。1.4.1 加拿大油砂矿勘探与开发历程
1719年，加拿大印地安克里（Cree）族人Wa-pa-su在Fort Churchill 的Hudson海湾兵营附近的河边发现油砂，当时描述为“gum或pitch”。
1790年，探险家Alexander MacKenzie首次发现“含沥青的涌泉”有20ft深，这是对阿萨巴斯卡砂岩首次记录。
1875年，第一个政府资助的油砂地质调查项目由加拿大地调局John Macoun承担。
1883年，地调局G.C.Hoffman用水洗油砂，首次用人工方法分离出沥青。
1906年，Count Alfred Hammerstein首次在Fort McMurray钻油井，但却发现盐矿。
1913年，Sydney C.Ells博士试验用沥青铺路并建厂用热水分离沥青。经过40年的考察研究，Sidney C.Ells博士于1913年向加拿大联邦政府提出了一份完整的考察报告，系统报道了阿尔伯达地区油砂的分布和分离技术。该报告明确提出阿尔伯达地区油砂下没有油田，但油砂中含有的沥青可以用于道路建设并可分离出石油。在他的建议下，加拿大政府于1921年首次成立科学和工业研究会，专门研究矿产开发与利用，其中包括油砂。由于他的杰出贡献，他被称为加拿大的油砂之父。
20世纪20年代，阿尔伯达北部铁路的完工为油砂的开发创造了条件。Ells博士认为，阿尔伯达丰富的油砂资源将吸引大批的战略投资者和开发商。他建议政府出台优惠政策鼓励私人业主开发油砂资源，并呼吁政府投资。
1922年，Karl A.Clark和他的助手Sydney M.Blair开始建设油砂的分离工厂。1922—1947年间，许多美国人在阿尔伯达投资，租用当地的油砂矿开办油砂分离工厂，但均因开采和分离成本太高而纷纷破产。
1927年，Alcan石油公司老板Robert Fitzsimmons认为，采矿和地面加工是油砂矿开采最经济有效的途径。
1929年，Fitzsimmons在Bitumount首次从沥青中生产出适合商业应用的燃料油，并于1930年在Edmonton卖出第一单沥青，因而Bitumount成为第一个商业经营的油砂矿，但当时的规模很小。
1930年，阿萨巴斯卡的第一个油砂租赁区块由加拿大北方石油公司（后改为Abasand石油有限公司）在Horse河地区取得。
1936年，Abasand工厂日加工250t油砂，后改建成400t/d，但因技术原因减产，三年后因厂房被烧毁而停止。
1947年，阿尔伯达省雷杜克（Leduc）地区发现新油田，油砂的开发一度中断。1950年，Blair和Nelson经测算后向阿尔伯达省报告，3如果日产油砂3200m以上就有利可图。阿尔伯达省政府据此采取了更加优惠的政策，鼓励民间投资。在此后的三年中，有12家加拿大和国际公司租用当地的油砂矿开采、提炼沥青，平均租地2万余公顷，逐渐开始了从油砂中分离沥青的商业运作。20世纪70年代末至80年代初，从油砂中提炼石油的工作进入高潮，但因操作成本太高基本没有商业效益。
1962年，经过多年的磨合，加拿大政府同意加拿大油砂集团在Fort McMurray开始兴建大规模的油砂分离厂。
回顾加拿大油砂的开发和利用历史，从200多年前阿尔伯达当地的土著居民利用油砂资源对其独木舟进行防水处理，到1875年由政府资助的对油砂进行的地质研究，一直到Ells博士等人提出利用热水浮选这一从油砂中提炼石油的最可行的方法，并且对油砂进行了早期开发。总体而言，这些活动虽然揭开了加拿大对油砂开发和利用的序幕，但都没有取得商业上的成功。
直到20世纪50年代，加拿大油砂才真正进入现代商业开发阶段。首个投入的项目是加拿大大型油砂（GCOS）项目。Suncor公司的这一项目于1967年投入生产，成为世界上首家油砂运营公司。
1967年，加拿大油砂集团（1953年成立，后更名为Suncor公司）花4年时间，耗资2.4亿美元，引进德国采煤技术开采油砂矿，建成44.5×0bbl/d沥青的油砂分离厂，并从油砂中提炼出第一桶合成油，表明首次正规机械化露天开采油砂的成功。
几乎同时，Syncrude联营企业于1964年组建。1973年Syncrude公司开始进行工厂建设。经过五年建设后，1978年7月30日运出第一桶石油。
Syncrude公司总部设在福德麦克默雷市（Fort McMurray），是全世界最大的从油砂中生产石油的制造商，其生产的石油能满足加拿大13%的用油需求量。Syncrude公司经营着大型的油砂矿、公用设施厂、提炼厂以及改质设施，用来生产增值的轻质无硫原油。2001年，44Syncrude共生产8140×10bbl无硫混合油（22.3×10bbl/d）。到20054年，Syncrude项目的产量可望达到35×10bbl/d。
除Suncor公司和Syncrude公司外，其他如加拿大Shell公司、加拿大天然资源公司（CNRL）、TrueNorth能源公司、加拿大石油公司（PetroCanada）、LongLake和EnCana等公司都陆续进入加拿大的油砂开发市场。
1983年，阿尔伯达油砂技术研究权威机构（AOSTRA）成功试验了SAGD蒸汽辅助重力泄油技术，这项技术后来被广泛应用，已成为油砂热采的核心技术之一。
1985年，Esso等公司成功地在冷湖地区实现了蒸汽吞吐（CSS）热采生产。
1997年，Encana公司首次在Foster Creek试用SAGD，2001年全面投产。
此后加拿大油砂矿开发发展迅速，到2002年，日产油已达82.3244×10bbl（表1.9）。其中露天开采53.96×10bbl/d，地下热采28.36×410bbl/d。表1.9 2002年加拿大油砂开采产量统计表
目前在阿尔伯达省一共有26个油砂项目投入生产，其中露天开4采7个，采用现场分离技术的19个，总生产规模达到每天83×10bbl，占加拿大石油产量的43。截止2002年底，加拿大已发现油砂地质储838383量2592×10m，可采储量为283.3×10m，累计产油6.1 ×10m。1.4.2 中国油砂矿勘探与开发历程
中国也有丰富的油砂资源，主要分布在新疆、内蒙古、青海和四川等省份。中国油砂工业起步较晚，尚处于普查与初步研究阶段。
1998年，青海石油管理局研究院与地质大学对柴达木盆地油砂沟出露油砂开采进行过可行性研究，对影响油砂分离的许多影响因素，如温度、搅拌时间、化学药剂种类、化学剂浓度等进行了一些研究，并取得了一些初步结果，但由于当时国内油砂资源勘探不全面，油价较低，资源短缺也远没有现在严重，因此油砂开采并没有引起足够的重视，油砂资源的开发基本处于停滞状态。
随着油资源的短缺，油价的不断升高，许多的民间机构、部分科研院所开始关注油砂资源的利用。特别是近两年，各地对油砂的开采研究越来越重视，纷纷组成了有关油砂开采的科研机构。
目前国内油砂矿现场小规模试验开采的主要有吉林套堡油田、内蒙古图牧吉油砂矿和中国石油在新疆进行的小型现场开发试验。
吉林套堡油田：该油田主要是采用携砂冷采采油技术，是国内携砂冷采做的最好的油田之一。2003年中国石油总裁陈耕到套保油田考察，给予了高度评价，并在《人民日报》进行了整版报道。92区块为主要产油区，井深为300m左右。目前套保油田年产油4.5× 410t，几乎全部采用螺杆泵携砂冷采，采到地面上的油砂经过沉降后将油、水和砂进行分离，沉积下的砂再经过水洗将吸附在砂子上的油分离掉。
内蒙古图牧吉油砂矿：1997年，刘俊才在内蒙古图牧吉首次发现油砂。2005年首次进入开采试验，特别最近两年，由于内蒙古图牧吉油砂矿的发现，吸引了许多国内科研院所的注意力，许多科研人员及民间团体纷纷加入到这一行列。其中有抚顺的辽宁石油化工大学及中国石油勘探开发研究院廊坊分院针对内蒙古油砂提出了水洗法，化学水洗温度大于85℃；大连海运学院针对内蒙古油砂提出了生物酶法以及干馏法；中国石油大学（北京）、中国石油大学（华东）、吉林大学等也相继提出了水洗法。这些研究目前均处在实验室研究阶段，还没有达到进行工业化生产的要求。4
目前，内蒙古图牧吉油砂矿探明储量约350×10t。具有埋藏浅（6～50m）、油品好（室温下的粘度在1000mPa·s左右）、含油率高（一般在8%～14.5%之间，部分高达21%）的特点。而且油砂粒度大，粘土含量低，油砂表面有水膜，表现为亲水性。
2006年，内蒙古恒源矿业集团股份有限责任公司在内蒙古图牧44吉建成了年产能3× 10×5×10t油砂油的分离工厂及综合利用基地。
2004年，中国石油勘探开发研究院廊坊分院根据中国石油“十一五”发展五年规划的指导精神，组建了油砂野外地质调查队，对中国石油矿权范围内的油砂矿进行了野外地质调查，认为我国油砂具有资源丰富、点多、面广、单层厚度小的特点。
全国油砂资源调查结果表明，我国油砂资源重点分布在准噶尔、柴达木、松辽、鄂尔多斯、塔里木、四川等大盆地中。11个主要盆地占全国地质资源量的97.6%，可采资源量的97.5%。其中准噶尔88814.3×10t、塔里木12.36×10t、鄂尔多斯3.5×10t、柴达木4.94×888410t、松辽4.75×10t、四川3.76×10t、二连5545×10t、酒泉1036×44410t、吐哈186×10t、中口子1596×10t。优选出5个有利开采目标：准噶尔盆地西北缘、松辽盆地西斜坡、吉尔嘎朗图、四川厚坝、玉门石油沟。新疆准噶尔西北缘资源量大，为最有利开发地区之一。通过对西北缘红山嘴、黑油山、乌尔禾—风城进行精查，查明资源量为4424881×10t，其中适合露天开采的油砂资源为9881×10t，适合巷道4开采的油砂资源有8000×10t。
乌尔禾地区是油砂矿分布点之一，该地区油砂资源大面积出露地表，平均剥采比为0，没有盖层，便于挖掘，采矿成本很低。0～50m4砂岩油砂油储量为308×10t。乌尔禾矿区运输、水、电都很便利，从矿藏条件、经济、地理位置、交通、安全、环保等各方面因素考虑，这里很适合进行油砂开采与提炼矿场试验。
经过2004年大量室内实验研究及调研，中国石油勘探开发研究院廊坊分院针对不同地区、不同性质油砂，提出了不同的分离方法：内蒙古油砂由于含油率高，粘度较低，水洗效率高，适合采用热化学水洗的方法；新疆准噶尔西北缘（红山嘴、黑油山、乌尔禾、白碱滩）埋藏15m以深，含油率大于6%，粘土含量低的油砂适合采用热化学水洗；新疆准噶尔西北缘（红山嘴、黑油山、乌尔禾）埋藏15m以浅的干燥油砂适合采用干馏的分离方法。图1.6 油砂干馏试验含油率与出油率关系曲线
2005年中国石油勘探开发研究院分别设计了日处理20t油砂的水平旋转干馏炉和立式干馏炉，并在乌尔禾进行了现场分离试验。试验结果见图1.6。初步认为当含油率大于6.5%时，可实现30t油砂产1t油效果；当含油率为4.5%时，需要50t油砂产1t油，采用目前工艺效益经济开采最低含油率为6%。
2006年中国石油勘探开发研究院针对新疆红山嘴油砂的特点，分别设计了日处理20t和500t的油砂水洗分离装置。制造了日处理20t的水洗装置，并在红山嘴进行了现场分离试验。实验结果表明：85℃热水中，30分钟可实现分离，油收率达85%以上；按平均含油率6.5%计算，工业放大油收率按80%计算，可实现20t油砂出1t油的效果。1.5 油砂矿开采技术
由于油砂的性质不同，其开采方法也不一样，而且其埋藏深度不同，采用的开采方法也不完全一样。国外油砂矿原油开采方法主要有露天开采、就地开采、巷道开采，其中以露天开采及就地开采为主。
目前在加拿大阿尔伯达省一共有26个油砂项目投入生产，其中露天开采项目7个，采用就地开采（IN—SITU）的项目有19个，总生4产规模达到每天83×10bbl，占加拿大石油产量的43%。如果加上重油的产量，达到59%。预计随着加拿大传统石油资源的日益减少，油砂在加拿大能源生产中所占的比例将逐年增加。到2010年，油砂所占的比例将达到75%，传统石油所占比例将降到16%，重油将占9%。1.5.1 露天开采
油砂矿藏的厚度及埋深的差异决定了使用不同的开采方法。当油砂层厚度达30～45m，上面覆盖层厚度不超过100m，含油率超过8%～9%，适合露天开采（图1.7）；对于埋藏较深的油砂矿则不适于露天开采，世界范围内的油砂矿平均有10%可进行露天开采。露天开采所需的设备及费用、沥青回收率较其他方法好，技术上较为成熟，在加拿大及委内瑞拉等都已形成工业大规模开采。图1.7 露天开采适应范围示意图（100m以浅）
露天开采是最为成熟的技术，该方法主要是针对埋藏比较浅，深度不超过100m的油砂矿。加拿大从1923年开始对油砂进行研究并进行初步工业化。从1964年开始，由Syncrude公司和Suncor公司进行大规模生产油砂沥青获得原油，1988年日生产能力达14×444410bbl（2.23×10t），年生产能力达4620×10bbl（756.6×10t）。阿萨巴斯卡、麦克默雷—瓦巴斯卡是独立的最大油砂沉积区，自1967年地面开采应用的Suncor计划及1978年的合成原油生产以来，各项技术一直在不断地改进，使采油成本下降约一半多。预计截止到43432007年产量会从目前的3.9×10m/d增加到105×10m/d。
油砂处理过程大致为四个环节：露天采掘油砂，重油沥青抽提，重油沥青改质和废物处理。其开采工艺流程见图1.8。图1.8 油砂矿露天开采工艺流程示意图
露天开采的经济可行性主要取决于石油的价格、开采成本、剥采比和油砂含油率。开采的关键因素如下：（1）剥采比。对于规模较大的油砂矿，经济开采剥采比在1∶1～1.5∶1；对于规模较小的油砂矿，经济开采剥采比在2.5∶1～3∶1。（2）含油率。加拿大阿尔伯达，含油率低于6%的油砂一般不予开采；中国内蒙古图牧吉含油率低于8%的油砂也没有开采，中国新疆克拉玛依含油率低于5%的油砂一般不予开采。但在开采富矿时，可以对矿进行筛分，适当掺合低含油率油砂，以提高资源利用率。（3）设备选型。选用大型挖掘设备及大吨位运输车以提高开采效率。特别是冬季结冰期间，挖掘难度增大，对开采设备及运输设备提出了更高的要求。
自1967年Suncor公司和1978年Syncrude公司分别开始露天开采以来，开采技术不断改进，生产成本已经降低50%。Suncor公司生产成本（包括操作费、维持投资和再生产回收）为11.4美元/桶，Syncrude公司生产成本为9.5美元/桶。
随着科学技术的不断发展，目前已经开发出更为有效的开采方法。现有技术包括：（1）卡车和掘土机已替代作为地面开采主要方法的手轮式挖掘机和拉索挖掘机。连续探测矿藏质量的智能系统是该技术的独特特征。（2）砂浆管线将作为矿藏一次运输和开采点与萃取工段长距离低温沥青分离的主要方法，是一项重大技术突破。“新式管线”具有控制流量和分离的作用，它将确保最佳条件、降低能量的需求。出现区域性萃取厂，开采的矿藏运输到这里进行分离；并出现区域性提炼厂，经提炼后将稀释的沥青运往合适的市场。（3）可移动式矿区采矿技术将是未来主要的突破性技术。这项技术就是将整个采出的矿藏运到提炼厂，然后再把地层砂返回到采矿区。这项技术生产操作范围小，降低项目费用并能满足大提炼厂的需求。
表1.10是加拿大各项技术的特点以及对其露天开采方式的影响效果。1.5.1.1 采矿技术
在露天开采工艺流程中，油砂主要经过采矿、输送、萃取、改质等阶段才能变成可利用的原油，而露天采矿是生产无硫混合原油的第一步。采矿的目标是采用高效、经济和环保的技术获得资源。加拿大Syncrude公司是全世界最大的从油砂中生产石油的制造商，在阿萨巴斯卡从事油砂的露天开采活动，其油砂的露天开采技术在世界上处于领先地位，其中许多技术都是Syncrude公司首创的。表1.10 加拿大露天开采技术特点及其效果
Syncrude公司采矿用的是一种滚动式开采回填技术，把后采的油砂矿表土及地层砂回填到先采的矿坑中去，并恢复地表的原貌。采矿包括两部分内容，即风化层的移除和油砂层的开采。在采矿之前，必须首先除去泥苔沼泽层、含水土壤层以及覆土层。
Syncrude公司有三个露天采矿场：基矿场、北矿场和Aurora矿场。基矿场的尺寸为5.0km×7.0km×60m（深），北矿场的尺寸为：2.5km×4.0km×80m（深），Aurora矿场在2010年后其开采面将达到：5km×2.5km×70m（深）。经过几十年的研究和现场开采经验积累，如今的加拿大油砂矿工业发展非常迅速，技术开发水平世界领先。其他领域的技术发展推动了油砂的工业化开发速度，目前许多大型的挖掘机及巨型运输卡车都运用到了油砂矿的开采，一台卡车的装载量可以达到400t，而过去大都采用链条式挖掘。由于采用了新的大型机械，开采速度得到了很大的提高，降低了开采成本。在Aurora矿场所使用的液3压铲车是当今世界上最大的矿场挖掘铲车，每铲斗可铲起43m的矿料，Aurora矿场和北矿场使用的400t的Caterpillar797B型卡车也是世界上最大的。采出油砂后，卡车将其运送到粉碎机，以便将大块的油砂和岩石粉碎，粉碎机的峰值处理能力可达到11000t/h。图1.9是目前采用的大型采矿设备。图1.9 Syncrude公司采用的大型采矿设备1.5.1.2 输送技术
成本下降主要是由于输送系统的改变和某些分离方法的改进，就地建厂，减少运输成本，实现规模化开采，是降低成本比较好的方法。Suncor公司原先的作业方法是斗轮式装置采挖油砂，并用很长的输送带运到加工厂，成本高，效率低。现在常用的开采法是用挖土机采砂，用大卡车运到粉碎场。
与此相反，Syncrude公司使用“水力运输法”（在轮转式加料机中被粉碎的矿砂与热水混合，通过管道输送到总加工厂），作为对输送系统的新举措，把采挖作业距离由以前的6mile提高到25mile（砂浆输送工艺技术见图1.10）。图1.10 砂浆水力输送工艺技术
砂浆管线水力输送作为矿藏一次运输和开采点—萃取厂长距离输送和低温油砂分离的主要方法。“新式管线输送”具有可控制流量和在管线中实现分离的作用，可以确保最佳条件，降低能量的需求。对Syncrude公司来说，水力输送技术确实改变了其采矿局面。这一技术于1989年开始投入试验，到1993年，由Syncrude公司开发的水力输送技术正式投入使用。到1999年，已有两套水力输送系统在北矿场投入使用，2000年，第一套低耗能水力输送提炼生产系统在Aurora矿场投入使用。在Syncrude公司的北矿场，采用水力输送使分离温度降低到了50℃，而在Aurora，分离温度降低到了35℃，这是目前最低的分离温度，预示着更低的能耗和温室气体排放。水力输送技术的使用既降低了运输成本，也降低了油砂的分离温度，提高了能源效率，降低了对环境的影响。1.5.1.3 油砂分离与改制技术
目前加拿大地面油砂的分离主要是采用热水/表面活性剂，通过热碱、表面活性剂的作用，改变砂子表面的润湿性，使砂子表面更加亲水，实现砂与吸附在上面的沥青分离，分离后的原油上浮进入碱液中，而砂沉降到下部，以达到分离的目的。
分离效率的高低是该方案成功的关键因素之一。矿山挖掘出的油砂经过传送系统直接运输到分离中心，在输送过程中加入热碱/活性剂以便有足够的时间让化学剂与油砂相互作用形成砂浆，原油乳化脱落，达到与油砂分离的目的，然后进入分离中心进行离心分离，将油砂与液体、油分离，砂子可以通过输送系统再返回矿厂原地以减少环境污染，也可以在专门指定地方存放；液体再经过破乳、提取分离，得到原油与分离出的液体，回收的液体通过补充适当的化学剂用量可以继续重复使用。
油砂的提炼包括油砂的分离和改质两个过程。目前加拿大Syncrude公司有两个炼油厂，分别是Mildres Lake和Aurora。在Aurora矿场，油砂浆液以8000t/h的速度通过水力输送管线运送到初分离器，在浆液运行3～5km到达分离设施之前，浆液已经达到适合进行油砂分离的条件。Aurora矿场采用低耗能的提炼工艺，温度为25～35℃，与原先的80℃的分离温度相比，可节约能源40%。1.5.2 就地开采
对于埋藏较深的油藏（或油砂），特别是300m以深的油藏，挖掘成本很高，因此采用地面开采的方法是不可行的。就地开采包括：携砂冷采法、蒸汽吞吐法、SAGD法、注入溶剂法、井下就地催化改质开采技术、水热裂解技术等。就地开采工艺大规模应用于稠油的开采。1.5.2.1 携砂冷采技术
携砂冷采是加拿大近年来发展起来的一项新的稠油开采技术。对于地下具有一定流动能力的稠油油藏，携砂冷采可极大地提高油井常规采油生产能力。通常没有生产能力或产能很低的稠油油藏，携砂冷采的单井产量可达到5～15t/d，有的产量可增加几十倍。如我国套堡4油田的稠油携砂冷采工艺技术做的比较成功，稠油年产量达到5×10t。
稠油携砂冷采机理比较复杂，主要原理是在井底形成“蚯蚓洞”、扩展和“泡沫油”的流动作用。稠油携砂冷工艺采示意图见图1.11。图1.11 稠油携砂冷采工艺示意图（1）通过出砂冷采在油藏中形成平方微米“蚯蚓”孔网络，使2油层孔隙度从30%提高到50%以上，渗透率从1～2μm提高到几百平方微米，所产生的蚯蚓孔的直径可达10～30mm，极大地提高了稠油的流动。（2）稠油所含的少量溶解气在稠油流动过程中产生小气泡，形成泡沫油流动，一方面提高了原油的流动性，另一方面增加流动的动力，并保持蚯蚓洞的稳定。（3）上覆地层的挤压作用。由于埋藏较浅，上覆地层的挤压作用一般不大。（4）边水、底水作用一般不明显。
稠油携砂冷采技术适合胶结疏松的油藏，埋藏深度、油层厚度、油层压力、原油粘度、溶解气等是决定采用该技术的关键参数（表1.11）。表1.11 稠油携砂冷采技术适应的油藏条件1.5.2.2 蒸汽吞吐技术
蒸汽吞吐技术最早始于20世纪50年代，目前已经成为稠油、超稠油的一种主要开采方式。在国内外已经得到广泛的运用。我国辽河油田、胜利油田、克拉玛依油田的稠油主要是通过蒸汽吞吐及蒸汽驱的方式开采出来的。蒸汽吞吐是向油井注入蒸汽，通过一定时间的闷井，使原油粘度降低，增加原油的流动能力，然后开井产油的一种开采方法。
蒸汽吞吐过程一般包括三个阶段。（1）注蒸汽阶段：将一定干度的高温蒸汽注入油层，注入温度一般在250～350℃之间，注入量取决于油层厚度，一般在40～100t/m，注入量越大，加热半径越大。（2）闷井阶段：蒸汽注入完成后关井，使蒸汽携带的热量加热地层原油，降低原油粘度，由于稠油的粘温特性比较好，温度升高，原油粘度大幅度降低，增加了原油的流动能力。闷井时间一般在2～5天。（3）采油阶段：闷井完成后，开井生产。开始由于地层压力大，冷凝水及加热的原油大量排除，当井底流压接近地层压力时，必须采取抽取的措施，大部分的油是通过抽取得到的。当油井产量达到经济极限时，此蒸汽周期吞吐结束，开始进入下一轮吞吐周期。
蒸汽吞吐及蒸汽驱油在稠油开采中发挥了非常重要的作用，稠油开采的大部分产量是靠该方法实现的，高温蒸汽吞吐的主要作用如下：（1）降低原油粘度；（2）高温解堵作用；（3）降低界面张力；（4）流体及岩石的热膨胀作用；（5）高温下稠油裂解，粘度降低。1.5.2.3 地下水平井及斜井蒸汽提取原油技术
为了减少油砂的开采及运输成本，对于埋藏较深的油砂矿，可采取就地热处理的方法采油。地下热开采主要有蒸汽辅助重力泄油（SAGD）法、热力注气体溶剂萃取技术。
水平井蒸汽辅助重力泄油技术（SAGD）是开发超稠油的一项前沿技术，其基本原理是以蒸汽作为加热介质，依靠热流体对流及热传导作用，依靠重力作用开采稠油（图1.12）。图1.12 水平井蒸汽辅助重力泄油技术（SAGD）原理图
它可以有不同的应用方式：一种是平行水平井方式，即在靠近油藏的底部钻一对上下平行的水平井，上面的水平井注蒸汽，下面的水平井采油；另一种是水平井与垂直井组合方式，即在油藏底部钻一口水平井，在其上部钻一口或几口垂直井，垂直井注蒸汽，水平井采油；第三种单管水平井SAGD，即在同一水平井口下入注蒸汽管柱及稠油管，通过注蒸汽管向水平井最顶端注蒸汽使蒸汽腔沿水平井逆向扩展。
水平井蒸汽辅助重力泄油技术主要有以下几个特点：（1）利用重力作为驱动原油的主要动力；（2）利用水平井通过重力作用获得相当高的采油速度；（3）加热原油不必驱动未接触原油而直接流入生产井；（4）几乎可立即出现采油响应；（5）采收率高；（6）累计油气比高；（7）除了大面积的页岩夹层以外，对油藏非均质性极不敏感。
最近几年来，水平井蒸汽辅助重力泄油技术（SAGD）由于具有采收率高等优点，得到了快速发展。根据辽河油田公司前期统计显示，在辽河油田已开发的区块中，可运用SAGD技术进行开发的资源总量8达1×10t。目前，辽河油田实施SAGD技术先导试验的曙一区杜84块馆平11、馆平12井组，转入SAGD技术生产后，原油平均日产量一直保持在100t以上。2006年还有部分油井转入SAGD生产，2007年将实施规模推广。这充分说明了SAGD技术在辽河油田的应用前景和必要性。虽然辽河油田SAGD技术现场试验取得很大成功，但物理联动技术对驱油机理的进一步认识，将打开更大的开发效率空间，可进一步研究蒸汽腔如何发育，水平井如何重力泄油，压力场、温度如何分布等，明确SAGD技术的驱油机理，最终达到提高稠油采收率、降低开采成本的目的。1.5.2.4 地下水平井注气体溶剂萃取稠油技术（VAPEX）
该方法是蒸汽辅助重力泄油方法的一个发展。在VAPEX中，不是注蒸汽，而是注烃类气体。烃类气体主要包括乙烷、丙烷、丁烷等；注入的气体既可是一种气体，也可以是几种气体的混合物。注入的气体在底层温度及压力下处于临界状态，重油和沥青被这些注入的气体溶解，其中较轻的组分被抽提出来，形成的稀释液的流动性比原油和沥青的流动性大。而采出液在地面经过加热又很容易分离出来，分离出来的烃类气体又可以注入底层。这种工艺方法可以用于一对水平井中、单水平井中或一口垂直井和一口水平井组合的情况，其原理见图1.13。水平井溶剂循环采收工艺见图1.14。图1.13 水平井注气溶剂萃取原理图
该工艺的主要优点是：与SAGD相比，VAPEX所需设备便宜、操作简单，而且气体溶解具有选择性，它只溶解于油层，不溶于水，因此适用范围广。
加拿大拥有世界石油储量的1/6，但95%为很难用常规注蒸汽等热力方法开采的沥青油砂。因此他们不惜人力和财力研究开发沥青油砂的各种装置和工艺，如UTF、SAGD、SAGP、VAPEX等。开始于20世纪90年代初的VAPEX工艺相继由加拿大卡尔加里大学、帝国石油公司、加拿大国家矿产能源中心等单位开展多方面的研究，发表了一维、二维、三维物理模型试验结果以及可行性报告，显示了该工艺的潜力。鉴于VAPEX的一系列优点，它将是一项很具吸引力的开采
试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]