用雙面膠粘附固體顆粒測量油砂的潤濕性

王昊　張晨　賀承祖

摘要： 油砂礦可采資源量約為6510億桶，占世界石油可采總量的三分之一左右。無論用原位分離或露天開采油砂礦，均需使瀝青脫離砂粒表面，砂粒表面的潤濕性對開采方法的選擇和工藝參數具有重要的意義。目前尚無一種測量油砂礦表面潤濕性的可靠方法。本文仿照Bachmann等推薦的方法，將油砂中的固體顆粒撒在雙面膠片上形成單顆粒層，測量水滴在上面的前進角和后退角。該法簡便易行，重現性好。

關鍵詞：油砂;固體顆粒;雙面膠粘附;接觸角;潤濕性

油砂礦又稱瀝青砂，是瀝青、砂粒、黏土和水的混合物，一般瀝青含量為3%～20%，固體顆粒（沙和黏土等礦物）含量為80%～85%，水含量為3%～6%。全世界油砂總儲量約為4萬億桶， 可采資源量約為6510億桶，占世界石油可采總量的32%。目前已探明的油砂礦藏中95%左右分布于加拿大、委內瑞拉和美國。我國的油砂資源也比較豐富，主要分布在新疆、青海、內蒙及四川等地，初步估算有千億噸儲量，可采儲量約為100億噸，占我國油氣可采儲量的三分之一左右。目前對于埋藏較深 （大于75 m）者采用原位分離，如蒸汽輔助重力驅方法采出瀝青，對于埋藏較淺（小于75 m）者用水基或油基方法提取瀝青。

1 油砂礦物潤濕性對提取工藝的影響

前人的研究如表1所示，油砂中沙粒和礦物微粒大都親水，屬于易處理礦，適合水基提取，有少數屬于難處理礦，其中有的由于儲層水中電解質（尤其是鈣、鎂離子）含量高，使部分礦物微粒疏水，干擾瀝青上浮;有的由于儲層中礦物微粒含量高（一般易處理礦中礦物微粒含量為10%左右，高礦物微粒礦中礦物微粒含量高達45%左右），疏水，礦物微粒易吸附于瀝青表面，使瀝青難以與氣泡結合形成瀝青泡沫，影響靠浮力與水相分離;還有的則由于沙粒和礦物微粒本身均疏水，瀝青既不易脫落，脫落下來的瀝青還不易形成瀝青泡沫上浮。潤濕性對油砂開采方法的選擇和工藝參數的確定具有重要的影響。

2 油砂礦物潤濕性的測量方法

本文仿照Bachmann等的方法，將油砂中的固體顆粒撒在雙面膠片上形成單顆粒層，測量水滴在上面的接觸角，該法克服了水滴易滲入油砂顆粒壓片內部的弊病，需要的試樣少，手續(xù)簡便，并可同時測量前進角和后退角。

3 實驗部分

3.1儀器，試劑和樣品

Dean-Stark抽提器，讀數顯微鏡，微量注射器，雙面膠，甲苯，石英砂，哈薩克斯坦H-1、和H-2樣，克拉瑪依F-1油砂樣品。

3.2 實驗方法

3.2.1提取固體顆粒

將油砂樣用濾紙包裹，置于脂肪提取器中用甲苯回流，抽提至流出液無色，取出于120℃時烘至恒重，過篩，取不同粒徑的顆粒進行試驗。

3.2.2 測量接觸角

將雙面膠貼在載玻片上，一定粒度的油砂顆粒撒在雙面膠上，用重物壓幾秒鐘后小心抖去掉多余的粉末，如此重復兩次，得到油砂顆粒單層。用微量注射器將4滴以上的蒸餾水置于表面上測量接觸角。

4 實驗結果

實驗結果表明，水滴在風城F-2、風城F-1經600℃灼燒過的樣品和二氧化硅顆粒層上迅速鋪開，接觸角接近零，說明這些固體顆粒為強親水性。水滴在風城F-1和哈國H-1顆粒層上呈缺球狀，接觸角隨放置時間的增加而有所降低，與前人實驗結果類似。前人認為，水滴放置在固體表面上時形成的接觸角為前進角，在放置過程中由于水蒸發(fā)引起水滴收縮，逐漸變?yōu)楹笸私?，后退角比前進角小所致。由該圖看出，水滴置于單層油砂顆粒上后，2分鐘內測量可得到比較穩(wěn)定的前進角。

水滴在不同粒度的風城F-1和哈國H-1顆粒層上測量出的接觸角如表3所示。每次實驗對4個水滴得到的結果取平均值，實驗誤差在1度以內，說明實驗重顯性好。油砂顆粒粒徑在由小于65μm增至88～91μm（對于哈薩克斯坦H-1）或97～105μm（對于H-1克拉瑪依F）時測量結果與粒度關系不大

本公司其他人的實驗表明，對于親水性風城F-2油砂礦適合用堿性水基溶劑提取開采，而疏水性風城F-1和哈國H-1油砂礦只能用非水基溶劑提取開采，說明測量潤濕性對制定油砂礦開采方案具有重要意義。

5 討論

6 結論

將從油砂中提取的固體顆粒粘在雙面膠片上形成單顆粒層，測量水滴在上面的接觸角，是研究油砂潤濕性的一種較為可取的方法。該法簡便易行，重現性好，可給出有明確物理意義的定量結果，并已在制定油砂礦提取方案中獲得應用;可供他人借鑒。

致謝：本文作者在研究過程中得到李巖，張晨和賀承祖等老師的指導與幫助，特此致謝！

參考文獻：

[1]BrandtAdam R.EnglanderJacob. Bharadwaj Sharad. The energy efficiency of oil sands extraction： Energy return ratios from 1970 to 2010[J]. Energy.2013， 55（6）：693-702