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石中取油:神奇的油砂地表开采技术

2019-10-16 10:47:44 来源:中国矿业报 作者:仝立华

油砂的定义

油砂是常规油气的重要补充资源之一,随着对其研究不断深入,愈来愈多的国家认识到其对能源补充的战略意义。通俗来讲,油砂就是油和沉积砂(砂和黏土)的混合物。地表油砂矿通常有两种不同的形态,一种是松散状的油砂,另一种是固结成岩的含油砂岩,其砂岩孔隙中多被沥青、重质油充填,少量被轻质油等烃类物质充填。

油砂地表开采即露天开采,是指从露天的矿体上或矿坑中开采矿石,运至地表的分离工厂,经分离后得到油砂油的过程。

油砂地表开采的步骤

在纵向上,典型的油砂矿床由浅至深大致可分为4层,即表层-顶板-油砂矿-底板。根据油砂矿床的特殊性,开采油砂大致需要6个步骤。

第一步:移除植被和表层土

在正式开采油砂之前,须将矿场内所有的地表植被清除,具有经济价值的树木可被出售或用于基础设施建设。

移除地表植被后,开挖表层土。由于植被生长原因,表层土往往是非常潮湿的,且土壤稳定性极差,不能用作建筑材料,因此,表层土通常被运至预设的废料倾倒场。

第二步:矿区排水和降低地下水位

受地下水位的高低和岩层物性特征的不同,承受一定压力的地下水会不断地向地表方向渗出,破坏矿场地面稳定,并对在矿区内的作业人员和采矿设备构成威胁。因此,抽排水是油砂露天开采作业的重要环节,开矿前必须进行水文地质勘查,布设抽水井不断抽吸地下水,使地下水位保持在相对较低水平。

第三步:清除顶板沉积层

油砂顶板的沉积覆盖层是一套多岩性的地层组合,包括砂岩、粉砂岩、泥岩、粘土和少量油砂等。当覆盖层的沉积砂土达到建筑用料标准,具有一定商业价值时,可以用于修筑道路、堤坝等。但从采矿的经济性角度看,顶板沉积层过厚或挖掘过大面积的顶板也会导致开采成本的增加。

第四步:开矿

油砂矿床被最先挖掘的上层是矿口,打开矿口也是形成首个掘进面的过程。在纵向上,含油砂地层具有一定的岩性过度特征,矿口部位的油砂往往含油性较低,该阶段输送给选矿厂的矿石品位较低且良莠不齐。因此,在开矿后的前几个月里,油砂矿的生产效率通常会处于一个较低的水平。

随着矿口开采顺利进行,多个铲车开挖作业使矿口逐渐形成了一个开采矿坑,同时也形成了多个掘进平台和作业面。该阶段可根据矿产实际情况计算最小矿石运输距离、最大采收比以及最佳资源利用率等关键生产参数,制订一套具有针对性的采矿方案。例如,安排大部分铲车挖掘高品位的矿石,少量铲车在较低品位矿段挖掘。这样的开采计划可以实现不同品位的矿石按一定比例混合,提高配矿能力,同时亦实现了资源利用最大化。此开采过程将一直持续到该矿不再具备开采经济性为止。

第五步:矿坑回填

开采工作停止后,须对矿坑进行回填,回填材料多是不含油砂的尾矿、顶板沉积物等废料。需特别注意的是,为了提高回填后矿坑的稳定性和安全性,降低后续地质风险,应选择不含水或低含水、具有良好稳定性的回填材料。

第六步:生态恢复

回填矿坑后必须对地表生态系统进行恢复,恢复效果尽可能地达到开采前的自然状态。矿区生态恢复完成后,应具备维持野生动植物生存的能力。

油砂地表开采的经济性

露天开采的经济性主要取决于矿产埋深、剥采比、油砂含油率、石油价格等关键因素。

1. 矿床埋深

从采矿技术角度考虑,200米以浅的油砂矿床可以采用露天开采的方式进行生产,然而从经济性上考虑,产出位置相对靠近地表、深度较浅的油砂矿床,露天开采的经济性更佳。随着挖掘深度的加大,开采过程中产生的不含油砂的废料、废渣就愈多,因此,通常认为埋深不超过75米的油砂矿床,其露天开采的经济价值最高。

2. 剥采比

剥采比是影响露天矿开采经济效果的一个最重要因素,代表露天采矿中平均每采1吨或1立方米矿石与需要剥离多少表土和岩石量的比例。由于矿床埋藏条件不同,各矿山的采剥比也不一样。对于规模较大的油砂矿,经济开采剥采比约为1∶1~1.5∶1;对于规模较小的油砂矿而言,经济开采剥采比约为2.5∶1~3∶1。

3. 油砂含油率

油砂含油率越高,采矿经济性越显著。不同地区不同类型的油砂矿产,其经济可采的矿石含油率下限亦不相同。加拿大阿尔伯塔地区的露天油砂矿,含油率不低于6%的油砂矿床具备开采价值;我国新疆克拉玛依地区的油砂矿,含油率低于5%的一般不予开采。

4. 石油价格

国际石油经济专家公认,若国际石油价格大于30美元/桶,油砂开发肯定是盈利的。近10年来,随着油砂开采技术的不断进步,油砂开发在规模化、挖掘技术现代化和洗油温度低温化等方面取得了长足的进展,在加拿大某些地区,油砂露天开采的成本最低可降至10美元/桶。因此,若国际油价稳定在30美元/桶以上,规模化油砂开采势必产生可观的经济效益。

关注:环境保护和恢复

油砂资源与常规油气资源最重要的不同点是其埋藏浅,勘探开发模式与固体矿产有类似之处,与钻井为主的常规油气开发又有所区别,因此,在土地使用、环境保护等各个方面比常规油气有着更为严格的要求。

油砂企业必须高度重视环境保护问题,勘查、开发方案必须通过环境影响评估,在油砂开发过程中严格执行环保标准;油砂开采企业在开发过程中必须缴纳生态保护金,造成破坏的必须由企业出资完成环境恢复。

(作者单位:中国地质调查局油气资源调查中心)

网站编辑:宫莉

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