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石中取油:神奇的油砂地表開采技術

2019-10-16 10:47:44 來源:中國礦業報 作者:仝立華

油砂的定義

油砂是常規油氣的重要補充資源之一,隨著對其研究不斷深入,愈來愈多的國家認識到其對能源補充的戰略意義。通俗來講,油砂就是油和沉積砂(砂和黏土)的混合物。地表油砂礦通常有兩種不同的形態,一種是松散狀的油砂,另一種是固結成巖的含油砂巖,其砂巖孔隙中多被瀝青、重質油充填,少量被輕質油等烴類物質充填。

油砂地表開采即露天開采,是指從露天的礦體上或礦坑中開采礦石,運至地表的分離工廠,經分離后得到油砂油的過程。

油砂地表開采的步驟

在縱向上,典型的油砂礦床由淺至深大致可分為4層,即表層-頂板-油砂礦-底板。根據油砂礦床的特殊性,開采油砂大致需要6個步驟。

第一步:移除植被和表層土

在正式開采油砂之前,須將礦場內所有的地表植被清除,具有經濟價值的樹木可被出售或用于基礎設施建設。

移除地表植被后,開挖表層土。由于植被生長原因,表層土往往是非常潮濕的,且土壤穩定性極差,不能用作建筑材料,因此,表層土通常被運至預設的廢料傾倒場。

第二步:礦區排水和降低地下水位

受地下水位的高低和巖層物性特征的不同,承受一定壓力的地下水會不斷地向地表方向滲出,破壞礦場地面穩定,并對在礦區內的作業人員和采礦設備構成威脅。因此,抽排水是油砂露天開采作業的重要環節,開礦前必須進行水文地質勘查,布設抽水井不斷抽吸地下水,使地下水位保持在相對較低水平。

第三步:清除頂板沉積層

油砂頂板的沉積覆蓋層是一套多巖性的地層組合,包括砂巖、粉砂巖、泥巖、粘土和少量油砂等。當覆蓋層的沉積砂土達到建筑用料標準,具有一定商業價值時,可以用于修筑道路、堤壩等。但從采礦的經濟性角度看,頂板沉積層過厚或挖掘過大面積的頂板也會導致開采成本的增加。

第四步:開礦

油砂礦床被最先挖掘的上層是礦口,打開礦口也是形成首個掘進面的過程。在縱向上,含油砂地層具有一定的巖性過度特征,礦口部位的油砂往往含油性較低,該階段輸送給選礦廠的礦石品位較低且良莠不齊。因此,在開礦后的前幾個月里,油砂礦的生產效率通常會處于一個較低的水平。

隨著礦口開采順利進行,多個鏟車開挖作業使礦口逐漸形成了一個開采礦坑,同時也形成了多個掘進平臺和作業面。該階段可根據礦產實際情況計算最小礦石運輸距離、最大采收比以及最佳資源利用率等關鍵生產參數,制訂一套具有針對性的采礦方案。例如,安排大部分鏟車挖掘高品位的礦石,少量鏟車在較低品位礦段挖掘。這樣的開采計劃可以實現不同品位的礦石按一定比例混合,提高配礦能力,同時亦實現了資源利用最大化。此開采過程將一直持續到該礦不再具備開采經濟性為止。

第五步:礦坑回填

開采工作停止后,須對礦坑進行回填,回填材料多是不含油砂的尾礦、頂板沉積物等廢料。需特別注意的是,為了提高回填后礦坑的穩定性和安全性,降低后續地質風險,應選擇不含水或低含水、具有良好穩定性的回填材料。

第六步:生態恢復

回填礦坑后必須對地表生態系統進行恢復,恢復效果盡可能地達到開采前的自然狀態。礦區生態恢復完成后,應具備維持野生動植物生存的能力。

油砂地表開采的經濟性

露天開采的經濟性主要取決于礦產埋深、剝采比、油砂含油率、石油價格等關鍵因素。

1. 礦床埋深

從采礦技術角度考慮,200米以淺的油砂礦床可以采用露天開采的方式進行生產,然而從經濟性上考慮,產出位置相對靠近地表、深度較淺的油砂礦床,露天開采的經濟性更佳。隨著挖掘深度的加大,開采過程中產生的不含油砂的廢料、廢渣就愈多,因此,通常認為埋深不超過75米的油砂礦床,其露天開采的經濟價值最高。

2. 剝采比

剝采比是影響露天礦開采經濟效果的一個最重要因素,代表露天采礦中平均每采1噸或1立方米礦石與需要剝離多少表土和巖石量的比例。由于礦床埋藏條件不同,各礦山的采剝比也不一樣。對于規模較大的油砂礦,經濟開采剝采比約為1∶1~1.5∶1;對于規模較小的油砂礦而言,經濟開采剝采比約為2.5∶1~3∶1。

3. 油砂含油率

油砂含油率越高,采礦經濟性越顯著。不同地區不同類型的油砂礦產,其經濟可采的礦石含油率下限亦不相同。加拿大阿爾伯塔地區的露天油砂礦,含油率不低于6%的油砂礦床具備開采價值;我國新疆克拉瑪依地區的油砂礦,含油率低于5%的一般不予開采。

4. 石油價格

國際石油經濟專家公認,若國際石油價格大于30美元/桶,油砂開發肯定是盈利的。近10年來,隨著油砂開采技術的不斷進步,油砂開發在規模化、挖掘技術現代化和洗油溫度低溫化等方面取得了長足的進展,在加拿大某些地區,油砂露天開采的成本最低可降至10美元/桶。因此,若國際油價穩定在30美元/桶以上,規模化油砂開采勢必產生可觀的經濟效益。

關注:環境保護和恢復

油砂資源與常規油氣資源最重要的不同點是其埋藏淺,勘探開發模式與固體礦產有類似之處,與鉆井為主的常規油氣開發又有所區別,因此,在土地使用、環境保護等各個方面比常規油氣有著更為嚴格的要求。

油砂企業必須高度重視環境保護問題,勘查、開發方案必須通過環境影響評估,在油砂開發過程中嚴格執行環保標準;油砂開采企業在開發過程中必須繳納生態保護金,造成破壞的必須由企業出資完成環境恢復。

(作者單位:中國地質調查局油氣資源調查中心)

網站編輯:宮莉

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