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(Guo et al.，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