CN101124302A - 从油砂中提取沥青的组合物和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供从油砂矿床中分离沥青的组合物和方法。本发明包括一种具有有机化学品的化学组合物，其可用于促进从油砂中分离一种或多种构成组分。该化学组合物可以用于从油砂矿床中回收沥青以及类似应用。本发明还包括使用该化学组合物从油砂中回收沥青和类似烃油的方法。该化学组合物包括混合在水性载体溶液中的过氧化物和一种或多种添加剂化合物。添加剂化合物优选为含氮化合物、醇化合物或这二者的组合。水性载体溶液具有足够的体积，可经操作以将过氧化物和添加剂化合物中的至少一种分散在水性载体溶液中。

Description

从油砂中提取沥青的组合物和方法

相关申请的交叉参考

本申请要求于2004年9月27日提交的临时专利申请60/613,443的优先权。

技术领域

本发明涉及一种化学组合物和使用该组合物从油砂矿床中分离沥青的方法。

背景技术

油砂是主要由砂子、水和沥青或其它类似碳氢化合物组成的地下矿床。沥青是重质、粘稠的原油碳氢化合物。美国和加拿大的油砂矿床占数千亿桶的探明石油储量资源。全球还存在有其它数十亿桶的探明油砂储量。

尽管许多油砂矿床的所在地是已知的，但是经济的提取沥青油的方法尚难以找到。传统上石油加工厂致力于找到更有效、更经济方式将沥青从油砂中除去，使沥青可以得以进一步加工，形成汽油和柴油。沥青采矿的现有技术包括使用表面活性剂、苛性剂和溶剂溶液。该技术在加拿大Athabasca地区尤其有益，理论上是因为该地区的某些油砂分子被包封在水分中。据信水分使采矿技术可以从基质中分离出油。但是，已经发现全球其它地方的油砂矿石并没有类似的水分特性。因此，在其它地区使用该采矿法的尝试均无法提取石油。而且，使用加拿大现有的技术十分昂贵，而且尤其是因为产生有害的废物流并排放温室气体，导致了环境方面的忧虑。

因此，需要开发一种从油砂中去除沥青的技术，该技术表现出的提取效率提高、环境损害降低，而且可以用于产自各个地方的砂。而且，需要一种高效、经济上有效的回收技术，以使从油砂矿床中最大化去除沥青和其它类似烃油。而且，需要采用简单或现存的设备从油砂中回收沥青。而且，需要一种可加入到油砂矿床中以便在不导致与油砂组分过度反应或不损坏沥青的情况下回收沥青的组合物。

发明内容

本发明有利地满足了一个或多个这些需求，提供从油砂矿床中分离沥青的组合物和方法。

本发明包括一种具有有机化学品的化学组合物，其可用于促进从油砂中分离一种或多种构成组分。该化学组合物可以用于从油砂矿床中回收沥青以及类似应用。本发明还包括使用该化学组合物从油砂中回收沥青和类似烃油的方法。该化学组合物包括混合在水性载体溶液中的过氧化物和一种或多种添加剂化合物。添加剂化合物优选为含氮化合物、醇化合物或这二者的组合。水性载体溶液具有足够的体积，可经操作以将过氧化物和添加剂化合物中的至少一种分散在水性载体溶液中。过氧化物和添加剂化合物基本上遍及载体流体分布，化学组合物的浓度优选为有效促进将油砂分离成至少沥青相和砂相的量。尽管不需要加热，但是稍稍升温显示出积极的效果。在优选的实施方案中，将油砂和化学组合物的温度升高至大约80至160。化学组合物优选为非腐蚀性、非反应性、无毒且不可燃的。

在优选的实施方案中，可用于本发明化学组合物的醇含有大约1至大约8个碳原子。醇优选为非芳香性的。更具体地，含有1至4个碳的醇特别有用，即，甲醇、乙醇、丙醇和/或丁醇。在丙醇当中，特别优选异丙醇。醇的量优选为化学组合物的大约4-24体积％。

在本发明的化学组合物中，优选的载体溶液是水。该溶液还可以是淡水或盐水。优选水性载体溶液。在优选的实施方案中，仅有一种载体溶液，其基本上全是水。载体溶液的量优选为化学组合物的大约76-94体积％。

化学组合物的含氮化合物优选为氨或氢氧化铵，其存在量为化学组合物的大约2-8体积％。在优选的实施方案中，过氧化氢的存在量为化学组合物的大约0.15-1.5体积％。

本发明包括从位于地下油脉矿床等的油砂中回收沥青的方法。本发明的方法包括使用液力喷射(hydrojet)向地下矿床中加入量能有效地显著提高从油脉中回收沥青的化学组合物。本发明还包括从油砂样品中回收沥青的方法，该油砂样品取自地下矿床。本发明的方法包括向大桶或类似物中加入油砂样品，以及向油砂中加入化学组合物，其量可有效地基本上将沥青从油砂中的剩余组分中分离出来。批量处理、连续处理或连续批量处理都是合适的。

附图说明

因此，参考所附形成本说明书一部分的附图中说明的本发明实施方案，可以对上文概述的本发明进行更具体的说明，由此更详细地理解本发明的特征、优势和目的，以及其它显而易见的内容。但是，应当认识到，附图仅说明了本发明的优选实施方案，因此不应被视为对本发明的范围进行限制，因为其可容许其它等同有效的实施方案。

图1是典型的油砂地区中的地下沥青矿脉和表面轮廓。

图2是根据本发明实施方案的沥青回收方法的简化侧视图，该方法包括使用液力喷射装置将化学组合物分散到地下油砂矿床中。

图3是图2的方法的简化侧视图，其中液力喷射装置向油砂矿床中进入得更深。

图4是图3的方法的简化侧视图，其中液力喷射装置向油砂矿床中进入得更深。

图5是图4的方法的简化侧视图，其中液力喷射装置向油砂矿床中进入得更深。

图6是根据本发明实施方案的沥青回收方法的放大简化侧视图，该方法在地下油砂矿床中采用液力喷射装置和高容量疏浚机。

图7是根据本发明实施方案的从油砂矿床中回收沥青的方法的简化侧视图，该油砂矿床已经从地下沥青油脉中取出。

具体实施方案

本发明的组合物和方法可以用来从位于地表以下的油砂矿床中回收沥青，或者另外可选地，从已经自地下移出并运输至诸如工业设施的矿床中回收沥青。有利地，组合物和方法可以用于组成不同和/或发现于全球不同地方的油砂。图1显示了典型油砂地区的地下沥青矿脉10和表面轮廓。图2显示了从位于地表以下的油砂中原位去除沥青的本发明的实施方案。液力喷射20穿过矿脉10到地面以下，将本发明的化学组合物分布到矿脉10内。向油脉10中的油砂材料中加入组合物优选地导致材料分离成层。这些层优选地由材料的主要构成组分即沥青、水和砂组成。然后可以将沥青层从矿脉中移出，用于所需的目的。

优选地，液力喷射20向油脉10中逐渐进入得更深，如图2-5所示，通过超高压喷射将本发明的组合物分散到脉10中。液力喷射20可以穿过脉10制造1个通道或多个通道。另外，组合物可以包括水/组合物混合物。在优选的实施方案中，液力喷射20的大小可以实现高度和宽度多达数米的化学品爆破“前”区，以在最小数目的通道中更有效地清除脉10。液力喷射20可以适配成可在地表以上或地下工作，尽管装置20的主要用途是在地下。优选地，液力喷射20在地表以下沿着矿脉10的路径下行数百米。在优选的实施方案中，液力喷射20是远程控制和/或机器人控制(robotic)的。如图6所示，可以使用地面电源临时电缆30将组合物从地表泵至液力喷射20，和/或控制液力喷射20的移动和工作。

随着组合物在脉10内分布并与油砂接触，形成化学品、砂和沥青的浆料。液力喷射20继续向脉矿10中移动得更深。在一个实施方案中，液力喷射20在穿过脉10移动时浸没在含有水和化学组合物的溶液中。浆料流动至地表，或者通过强力疏浚机被疏浚至地表，如图6所示，并收集在化学品池40中，如图2-5所示。在优选的实施方案中，将沥青从化学品池40中的浆料表面撇去，留下洁净的砂和水。取出沥青产品。在一个实施方案中，将优选超过99％不含沥青的洁净砂从化学品池中取出，并再次注入到矿脉10中，以填充除去油砂留下的空隙或采矿疤痕。优选地，将化学品池40中不含沥青的砂从围堰或屏障50上疏浚，如图2所示，使得砂保持洁净，基本不含沥青。可以应用连续批量去除、浮选系统或本领域公知的其它分离方法。值得注意地，组合物主要保留在水相中，并有利地促进和加速水相和烃相的分离。

本发明的方法和组合物设计成在经济效率、安全性和环境影响方面改善沥青的采矿。经济上的改进在于提取处于易精制形式的沥青的简化和速度增加。该方法和组合物消除了对大型、昂贵的挖掘设备的需求，这些挖掘设备包括挖土机、化学处理泵、风扇、鼓风机和离心机，它们在以前是将沥青矿石升起并拖拉到管道货运处所需要的。本发明的方法和组合物还消除了对过时的Clark采矿法中使用的数十亿美元的基础设施的需求。在先方法由于每天排放出大量的温室气体而对环境产生有害影响。通过向废物流中加入苛性剂和表面活性剂作为沉降“细粉”，这些在先方法也已经对供水系统造成损害，导致数十万亩蓄水数十年的沉降池受到污染。优选地，本发明消除了对这些长期存在的受污染池的需求。

根据本发明，化学组合物可以再循环，并再利用于沥青回收目的。在一个实施方案中，将水性化学组合物从沉降池40中除去，并加热至大约160的最佳温度，然后通过液力喷射20再循环回到矿脉10中。在某些实施方案中，如果含水量已经使化学品浓度被稀释，则向再循环的流体中加入额外的化学组合物。液力喷射20在地表以下移动的速度使得其可以经济地保持化学品将沥青从其它组分中分离出来的最佳温度。

本发明另外可选的实施方案描绘于图7。在该实施方案中，在矿床已经从地下取出后对油砂矿床进行处理，以实现沥青回收。将油砂矿石自矿脉10取出，输送至磨矿机60，以实现均一化。磨矿机60将研磨过的矿石给料到化学品大桶70中。在大桶70中，使油砂矿石与本发明的化学组合物混合，形成溶液或浆料。在加入到大桶中之前，将组合物加热至160。如果矿石温度低于50，则根据本发明的实施方案，可以在矿石与160组合物接触之前使用热空气对其进行预热。

向油砂矿床中加入组合物有利地导致油砂矿床沉降出来，并分离成层，例如沥青层和砂层。在某些实施方案中，水性化学组合物将形成其自身的单独层。沥青将漂浮到表面上，在此机械撇油器80将沥青和极少量(nominal)的化学组合物从表面上刮去。撇油器80在本发明的一个实施方案中可以是，例如，链驱动的刮片型。将沥青和组合物送至油/化学品分离器90，将沥青从其中除去并送至制造设施或其它需要的地方，将化学组合物返回至大桶70。洁净的砂通过摇动筛100通过，落在运输机或螺旋钻110上，其中将砂从大桶70中移出。在一个实施方案中，运输机或螺旋钻110可以具有位于其下的空气喷布机120。运输机或螺旋钻110优选地设置成向上倾斜，使得可以在化学组合物排回到大桶70中再利用的同时将砂从大桶70中除去。在一个实施方案中，化学组合物可以用比色计120处理，以保持化学品浓度。洁净砂进行TPH(“总石油烃”)含量的测试。如果低于1％TPH，砂可以送去填充沥青油脉10的挖掘疤痕，以至少部分填充疤痕并有助于诸如植被生长。如果大于1％TPH，优选将砂送去通过根据本发明的第二个较小的处理装置，以达到TPH低于1％。

在图1-7所示的实施方案中，本发明的组合物可以在无需重大处理的情况下再循环并再利用。将沥青和其它组分分离成层时，本发明的化学组合物将优选地形成其自身的单独层，该单独层主要由化学品和水组成，很容易从化学品池40或大桶70中除去并再循环以再利用。组合物可以通过常规方式如蒸发从沥青或砂中除去。有利地，化学组合物并不会表现出皂化、乳化、损坏沥青或其它烃油或与之反应，也不会有大量的组合物溶解或夹带到沥青中。因此，化学品可以很容易除去并再利用。而且，使用化学组合物不产生有害废物流或污染物。

典型地，油砂矿床含有大约45.0体积％的水。根据本发明的优选实施方案，除去沥青并分离后油砂中水的浓度将为大约1.0-1.5体积％。通常，根据本发明处理之后，沥青中水的浓度低于5.0％这是工业标准。

由于沥青油在低于现有技术方法的温度下从砂中分离，本发明的组合物和方法会导致能耗降低。而且，与现有技术方法中有时需要数次施加多种溶液相比，在优选的实施方案中，所述化学组合物仅需要一种化学品溶液单次施加于油砂，化学品与油砂之间所需的接触时间得以降低。因此，泵电池和控制器电子装置操作所耗的能量得以降低，并且消除了多次施加所需的额外空间中的额外加热和空气调节需求。而且，所述化学组合物根本上的水性特性降低了对纯化学品处理和运输的需求。

在优选的实施方案中，化学组合物包括氨化合物、醇、过氧化物和水性载体溶液。醇通常可以定义成R-OH，其中R是碳原子和氢原子的组合，这种定义中排除了水。本发明优选的醇是直链醇(与芳香醇相对)，其连续碳原子链的碳原子为1-8个长。通常优选为饱和醇，因为饱和醇倾向于比不饱和醇更加稳定。优选甲醇、乙醇和丁醇。特别优选丙醇。在丙醇当中，尤其优选异丙醇。甲醇、乙醇、丙醇和/或丁醇的混合物形成本发明的醇，也包括在本发明之内。优选乙醇和丙醇的混合物。由于醇分子的化学性质由OH官能团决定，本领域技术人员会理解到其它的醇单独或者组合也是有效的。但是，仅使用一种具有1-8个碳的连续链的醇，或者仅使用其为1-8碳醇的混合物(无其它醇)的一种醇，是有效和优选的。

值得注意地，醇也可以原位产生，例如，通过盐在水的存在下与适当试剂的反应。原位产生醇也包括在本发明之内。

在可选的实施方案中，可以向化学组合物中加入表面活性剂，以便降低水-油界面张力并提高效率。在一个具体的成本有效性的实施方案中，本发明通过使用仅仅过氧化物、载体溶液与含氮化合物和醇化合物的一种或多种的组合提供了高效率的结果。

可以多种形式提供氨，优选的形式为无水氨和氢氧化铵。氨可以通过反应或分解产生。铵离子如溶解的铵盐也包括在本发明之内。氨在水中相当可溶，溶解至大约700体积/1体积溶剂的程度。溶解过程伴随有NH₃+H₂O的反应，从而生成NH⁴⁺+OH^-。这称为氢氧化铵。因此，氢氧化铵，其常常在商业上用大量的氨在水中生成，也包括在本发明中的术语氨之内。另外还包括其它原位形成铵离子的前体。

异丙醇也称为异-丙醇，分子式为C₃H₈O，是不饱和的。这是本发明特别优选的醇。注意到异丙醇的沸点为82.4℃，20℃下的比重为0.78。异丙醇的空气臭味阈值浓度为22份/百万份空气(ppm)。异丙醇和空气之间的接触有时导致形成过氧化物，它是本组合物的另一种可能的单元，无论是添加的还是原位产生的。因此，在本发明的实施方案中，过氧化物由异丙醇形成。在另一个实施方案中，当诸如不存在异丙醇时，向组合物中加入过氧化物。

尽管本发明仅以其若干形式进行显示和说明，本领域技术人员应当显而易见的是本发明并不受其限制，而是很容易在不偏离本发明范围的情况下进行各种变化。

Claims (23)

1.一种用于从油砂矿床中回收沥青的化学组合物，所述化学组合物包括：

过氧化物；

添加剂化合物；和

水性载体溶液，所述水性载体溶液具有可经操作以将所述过氧化物和添加剂化合物中的至少一种分散在所述水性载体溶液中的足量体积，所述过氧化物和添加剂化合物基本上遍及所述载体流体分布，所述化学组合物中过氧化物和添加剂化合物的浓度为有效促进油砂分离成至少沥青相和砂相的量。

2.根据权利要求1的化学组合物，其中所述载体溶液是水。

3.根据权利要求1的化学组合物，其中所述载体溶液基本上由水组成。

4.根据权利要求1的化学组合物，其中所述载体溶液的量为所述化学组合物的大约76-94体积％。

5.根据权利要求1的化学组合物，其中所述过氧化物为大约0.15-1.5体积％。

6.根据权利要求1的化学组合物，其中所述添加剂化合物包括醇化合物。

7.根据权利要求6的化学组合物，其中所述醇化合物含有大约1至大约8个碳原子，并且是非芳香性的。

8.根据权利要求6的化学组合物，其中所述醇化合物是丙醇。

9.根据权利要求6的化学组合物，其中所述醇化合物是异丙醇。

10.根据权利要求6的化学组合物，其中所述醇化合物是丁醇。

11.根据权利要求6的化学组合物，其中所述醇化合物是乙醇。

12.根据权利要求6的化学组合物，其中所述醇化合物是甲醇。

13.根据权利要求6的化学组合物，其中所述醇化合物的量为化学组合物的大约0.1-16.0体积％。

14.根据权利要求1的化学组合物，其中所述添加剂化合物包括含氮化合物。

15.根据权利要求14的化学组合物，其中所述含氮化合物是氨。

16.根据权利要求14的化学组合物，其中所述含氮化合物是氢氧化铵。

17.根据权利要求14的化学组合物，其中所述含氮化合物的量为化学组合物的大约0.1-8.0体积％。

18.一种从油砂矿床中回收沥青的方法，该方法包括以下步骤：

向油砂中加入权利要求1的化学组合物，其量在加入到油砂中时可有效地大大增加从油砂中回收沥青；和

从油砂中回收沥青。

19.根据权利要求18的回收沥青方法，其进一步包括在向油砂中加入化学组合物之后回收大量化学组合物的步骤，使得所述化学组合物可以再次使用。

20.根据权利要求18的回收沥青方法，其进一步包括在油砂位于地下沥青油脉中时向油砂中加入权利要求6的化学组合物的步骤。

21.根据权利要求18的回收沥青方法，其进一步包括在油砂已经自地下沥青油脉中取出之后向油砂中加入权利要求6的化学组合物的步骤。

22.根据权利要求18的回收沥青方法，其进一步包括在油砂位于地下沥青油脉中时向油砂中加入权利要求14的化学组合物的步骤。

23.根据权利要求18的回收沥青方法，其进一步包括在油砂已经自地下沥青油脉中取出之后向油砂中加入权利要求14的化学组合物的步骤。

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