沥青砂动态剪切蠕变特性

沥青砂是由粒径小于 2. 36 mm 的机制砂、矿粉和沥青组成的沥青混合料，分析沥青砂的黏弹特性有助于理解沥青砂及沥青混合料复杂的力学行为，对沥青混合料细观力学的建模研究以及较细集料的沥青砂力学性能的分析均具有重要的意义，国内外研究人员主要采用离散元技术、有限元方法及数字图像处理技术对沥青混合料的细观力学特性进行研究，其中获取准确的沥青砂蠕变力学参数是确保细观力学分析结果可靠的关键因素之一，此外，沥青砂在路面灌缝养护、压电材料制备和桥面铺装等工况下也有应用的黏弹性力学性能对沥青砂性能评价及施工应用具有借鉴意义，对于沥青砂的性能研究已由简单的强度分析转移到更复杂的蠕变力学行为研究上来在静态力学测试条件下建立了沥青砂的蠕变模型，并充分分析了沥青砂的蠕变行为。但是，由于材料的动态力学行为更能反映材料在使用条件下的力学性能，动态黏弹测试方法已成为有效模拟路面动荷载作用下的变形特性以表征沥青性能的最有效手段之一 。大量研究采用动态剪切流变仪分析沥青的流变性质，取得了十分有效的研究数据。侯航舰等人采用流变仪对沥青玛蹄脂施加静态剪切荷载，分析了温度对玛蹄脂黏弹性参数的影响规律 但是没有明确沥青砂的成型方法，试验过程中施加静荷载; M ITCHELL 等人采用动态剪切流变仪研究了沥青砂的疲劳性能 。张延双等人采用动态剪切流变仪对不同老化条件下的沥青砂低温松弛性能进行了测试 。可见动态力学测试已成为沥青砂性能分析的重要手段，为此，本研究采用 DHR( discov-ery hybrid rheometer) 动态剪切流变仪、自主开发的沥青砂成型及试验夹具对几种沥青混合料的沥青砂动态剪切蠕变曲线进行测试，采用 Burgers 模型对几种沥青混合料的黏弹性参数进行拟合分析。

原材料及配比设计

1.1 原材料

试验采用 70 #基质沥青、SBS 改性沥青和橡胶沥青三种沥青，沥青的检测结果如表 1 所示。矿料采用安山岩机制砂。

1. 2 配合比设计

为了使本研究沥青砂的级配与沥青混合料的级配具有很好的对应性，以便为沥青混合料细观力学的研究提供参考，首先设计了 AC20 － 1、AC20 － 2和 SM A16 三种级配。分别采用 70 # 沥青、SBS 改性沥青和橡胶沥青及AC20 － 1 级配进行马歇尔击实试验，确定沥青用量( 质量分数) 分别为 4. 1% 、4. 5% 和 5. 0% ;采用 70#沥青及 AC20 － 2 和 SM A16 级配进行马歇尔击实试验，确定沥青用量分别为 4. 4% 和5. 7% 。依据文献[18]在 SM A16 中掺加了优质纤维，用量为 0. 3% ( 质量分数) 。然后根据文献[19]附录 B 中公式B． 6. 8-1 和公式 B． 6. 8-2 可计算出被集料吸收利用沥青的比例及沥青混合料中有效沥青用量( 计算过程中采用的沥青膜厚度为 8 μm) ，再采用矿料中 0. 075 mm 通过率与有效沥青用量的比值计算粉胶比，以粉胶比恒定为原则，可计算出沥青砂中沥青含量，即沥青砂中的沥青用量，得到沥青砂的配合比。共采用 7 种沥青砂，配合比如表 3 所示。其中采用70#沥青及 AC20 － 1 级配，将沥青用量上下浮动 0. 3% ，分析沥青用量对沥青砂黏弹性参数的影响。

2 沥青砂动态剪切蠕变试验设计

2.1 沥青砂试件成型方式

本研究参照马歇尔击实仪进行沥青砂成型装置的设计，因沥青砂的最大粒径为2. 36 mm，对应的沥青混合料为AC20，最大粒径为19 ～26. 5 mm，两者最大粒径相差10 倍左右。按照几何尺寸的比例进行相似性设计，将马歇尔击实仪缩尺10 倍，设计了沥青砂的击实装置来成型可用于 DHR 测试的试件。首先采用拌和锅每次拌制不少于100 g 砂浆，按照最大理论密度和试件尺寸取样，本研究成型沥青砂试件尺寸为直径 × 高 = 6 mm ×40 mm的圆柱，取样质量约为 12 g。将沥青砂装入模具后，进行插捣，正反两面击实 75 次。成型后脱模冷却备用。为了验证成型方式的可行性，将采用本方法成型的砂浆试件与旋转压实成型砂浆试件的毛体积相对密度进行了比对。测试结果表明，采用本方法成型的表 3 中 1 # 砂浆的毛体积相对密度为1. 981，而旋转压实成型试件的毛体积相对密度为1994，相差仅为0. 7% ，因此该成型方法是可行的。可以看出，不同工况下沥青砂的动态剪切蠕变曲线明显不同，级配类型、沥青品种、沥青用量和试验温度对沥青砂的剪切蠕变曲线均有显著影响。SM A16 沥青混合料对应的沥青砂剪切蠕变变形速度很快，在 180 s 的试验时间内即表现出明显的三阶段变形特性，出现了明显的加速失稳变形阶段，140 s 时，其剪切蠕变应变达到 300，而 AC类沥青混合料对应的沥青砂浆剪切蠕变应变仅仅为0. 2 ～ 1. 2，分析原因可能在于 SM A16 沥青混合料沥青砂浆含有大量的矿粉及较大的沥青用量，而2. 360 ～ 0. 075 mm 粒的机制砂含量很少，所拌制而成的沥青砂浆在高温变形时难以具有骨架作用，因此剪切蠕变速度较快。

2.2 动态剪切蠕变试验方法

进行沥青砂的剪切蠕变试验前，采用 AB 胶将试件两端黏接到固定端子上，待 AB 胶完全固化后，将试件装到 DHR 试验仪上进行试验，试件安装在试验前加载 5 N 的荷载并保持 20 s，消除夹具与试件端子之间的空隙。本研究进行了不同温度下沥青砂的剪切蠕变测试，试验温度分别为45、60 和 75 ，在控温到达试验温度后，持续控温30min 再进行试验。相关研究表明，沥青砂的抗剪强度在 400 kPa 左右究选择了约为 75% 的应力比进行试验，试验应力设置为 300 kPa，数据采集时间为 180 s，试验过程中实时采集剪切蠕变应变和加载时间数据。

3 结论

本研究采用DHR对沥青砂进行动态剪切蠕变试验，应用Burgers 模型对剪切蠕变曲线进行拟合，分析了该力学模式下沥青砂的黏弹性参数规律，得出以下试验结论:

(1)测试温度、沥青用量、沥青种类及级配类型对沥青砂浆的动态剪切蠕变特性影响很大，温度越高、沥青用量越大，沥青砂的动态剪切蠕变速度就越大，SM A16 沥青混合料对应的沥青砂剪切蠕变变形速度很快，橡胶沥青砂的抗剪切蠕变性能最优。

(2)不考虑级配，沥青砂的动态剪切试验规律与沥青砂所对应的沥青混合料抗车辙性能普遍规律相关性较好，可以作为评价沥青混合料抗车辙性能的依据。

(3)采用Burgers 模型对沥青砂动态剪切蠕变曲线拟合得到的相关系数较高。不同温度、沥青用量、沥青种类和级配类型均对Burgers 模型的参数具有显著影响。SM A16 沥青砂的抵抗高速荷载的瞬时变形能力较差，橡胶沥青砂抗瞬时变形能力较好，AC 类沥青砂抵抗不可恢复残余变形能力较强。

(4)通过拟合的Burgers 模型参数计算了沥青砂的松弛模量，相对AC 类沥青混合料，SM A16 沥青砂的松弛模量很小，松弛模量数据可以为沥青砂的数值模拟提供数据支持。 2100433B

沥青砂又称为稠油砂或油砂, 是含有沥青或其它重质石油的沉积岩, 沥青砂的基本组成为砂粒、粘土、稠油、水和少量矿物, 典型沥青砂中砂粒和粘土含量占70 %～80 %,水分含量小于10 %,油含量约为0 ～18 %。沥青砂属于非常规油藏中的一种, 其储量远大于常规石油的探明储量。全世界的沥青砂储量估计有15 500 ×10t ,其中19 %属可采储量。而常规原油的储量仅为3 137.7 ×10t ,且已产出877.7 ×10t,剩余储量尚可开采65 a。预计今后10 a全球常规原油产量将会降低, 而储量丰富的沥青砂等重质原油资源已经引起国际社会的重视。 加拿大已经大量开采重油和沥青并逐步取代传统原油, 我国启动的全国新一轮石油天然气资源评价工作中, 也将沥青砂列入评价范围。沥青砂将是未来液体燃料的主要来源之一,是传统原油的重要补充_。

沥青砂与常规石油及天然气有很大不同,在原有状态下难以用普通的石油开采方法采出,需要进行特别处理。根据沥青砂储藏深度的差异,沥青砂的开采可以分为就地开采方法和地表开采方法两大类。就地开采方法通过加热或者使用化学剂等特殊途径降低沥青的粘度使其流动而收集泵出, 主要涉及热采工艺、化学工艺及冷采技术;地表开采方法是通过露天采矿法采出沥青砂,然后使用热水洗、溶剂萃取和焦化处理等工艺从中回收稠油。较全面地对沥青砂资源的各种开采技术进行了评述,讨论了各自的优缺点和适用范围, 介绍了主要的工程实例,提出了沥青砂开采技术中一些有前景的研究方向。

沥青砂就地开采方法

就地开采法是利用热蒸汽、燃烧、化学剂或振动、声学和电磁等方法处理沥青砂矿藏, 以降低沥青粘度使其流过基岩而聚集,然后从油井中采出的方法。这类方法主要用于开采储藏较深的沥青砂矿藏。 就地开采方法包括热采工艺、化学工艺和冷采工艺。

1.1 热采工艺

热采工艺主要包括蒸汽吞吐、蒸汽驱油、火烧油层、注热水以及在钻井中通过射频和电流加热油井和储集层等。热采法的目的是通过大幅度地降低重油的粘度, 使之在较低的压降下流过储集层, 达到经济开采的流量。

1.1.1 蒸汽吞吐

蒸汽吞吐又称周期性注蒸汽、蒸汽浸泡或蒸汽激产等,就是先向油井注入一定量的蒸汽, 关井一段时间,待蒸汽的热能向油层扩散后,再开井生产的一种开采重油的增产方法。 蒸汽吞吐包括注蒸汽、焖井和开井生产3 个阶段。可多次重复这一过程。另外,通过应用化学剂降低重质原油的粘度可以改善重油在油藏和地面的流动性,改善蒸汽吞吐状态,提高采收率。该技术由于对增加初始产量非常有效而被广泛应用。蒸汽吞吐方法相对比较简单, 反馈迅速,但采收率相对来说比较低, 很少超过20%。蒸汽吞吐在超重油和沥青砂沉积层,如在加拿大和委内瑞拉所发现的那些大沉积层内所完成的吞吐井中似乎最有效。

1.1.2 蒸汽驱

蒸汽驱是把蒸汽连续注入油藏加热和驱替稠油的一种方法。在一般情况下,蒸汽是从地表按适当井组配置而注入井中。 蒸汽驱在工业中应用的历史相当长,而且在各个国家都取得了成功。该方法已被证实是提高采收率的成功方法,而且还具有更大的应用潜力,特别是在其它方法效果较差的重油和沥青砂层中更为有效。除了广泛应用蒸汽驱方法外,还将热采与水平井技术相结合,产生了热水蒸汽交替注入方法和蒸气辅助重力驱方法。

热水蒸汽交替注入方法采用2 口垂直井和1口水平井作为1 个井组。首先水平井注蒸汽,在油层底部形成一个可流动区,然后由1口垂直井交替注入热水和蒸汽。 每次注蒸汽都将油加热并驱入油层底部的流动通道,再由注入的热水驱至另1口垂直井采出。蒸汽辅助重力驱方法是采用上、下平行排列的2 口水平井作为井组,由上面的水平井注入蒸汽加热重油和沥青,这些加热的重油和沥青在重力的作用下流入下部的水平井并被采出。 从蒸汽辅助重力驱的效价比看, 这种方法及其相关的开采技术很可能成为主要的商业性开采方法。

1.1.3 火烧油层

火烧油层就是用电学和化学等方法使油层温度达到原油燃点,并向油层注入空气使油层原油持续燃烧。点火之后, 轻烃蒸发, 并在两相流中起驱动力的作用。重分子和碳受到氧化产生一个燃烧前缘, 并在它的前面形成一个热水带, 燃烧产生的热量降低了油的粘度。在储集层中大约烧掉10 %～20 %的原地油,其余的大部分油被驱向生产采用火烧油层方法可以开采高粘度稠油,并通过燃烧将部分重质油分裂解而采出轻质油分。 这种方法没有深度限制, 但更适宜相对较薄的储集层。火烧油层的缺点是实施工艺难度大,不易控制地下燃烧, 同时高压注入大量空气的成本比较高,通常在蒸汽驱方法不适用的情况下使用, 尤其是在具有中等密度原油的薄层或深层中应用较多。

1.2 化学工艺

提高回收率的化学剂主要有聚合物、表面活性剂和CO2。向油井注入化学剂可以降低油、水和砂粒间的表面张力, 从而达到降低沥青砂粘度的目的。芳烃类溶剂在高压下能被CO2及气态烃所饱和,如在高压下注入油井也可以使粘性油、水乳化液脱乳, 使蜡沉淀, 稳定沥青。用化学剂提高回收率一般仅限于轻质油和中等密度的油,但如果与热采法一起使用, 对重油和超重油也有效果。例如蒸汽抽提法, 就是注入乙烷、丙烷、丁烷等汽化的溶剂以产生蒸汽室,在蒸汽室中通过重力作用而驱动原油。

1.3 冷采法

冷采就是油和砂同采,是通过一定的方式在胶结程度较低的砂层中形成多个高渗透性的孔道(称“蚯蚓洞”),砂粒随溶解气体驱油而产生的泡沫油流一起流动,沥青和砂一起被采出时,孔道周围砂层中的沥青将会流入井孔。 冷采法与常规原油开采方法类似, 常称为重油伴砂冷采法, 但采出的砂量是常规原油开采方法的2 ～3 倍。冷采法的主要优点是改善了油藏流体的流动能力,提高了原油量(与一次采油相比), 降低了生产成本。 主要的技术问题是砂处理问题、堵水造成的“蚯蚓洞” 堵塞、最终采收率低和排砂问题。这项技术的关键是通过低热处理方法使超重油流动, 对于薄层不可动油藏比较有应用前景。综上所述, 热采工艺、化学工艺和冷采工艺各有利弊,以蒸汽驱为主要代表的热采法具有采油速度快、采收率高、应用范围广等优点, 但其能耗比较大,开采程度也不高。化学工艺若与热采法结合使用,则对沥青砂等重质原油有效。 冷采法主要用于具有一定流动度的重油油藏,但最终采收率偏低且存在排砂问题。

沥青砂地表开采法

地表开采法就是首先移开沥青砂之上的覆盖物,然后通过露天采矿技术进行开采。采出的沥青砂被运到工厂后进行沥青、砂粒及其它非烃类物质的分离,最后将分离出来的沥青转变为合成原油。地表开采法可采出90 %以上的油,沥青砂中的烃、硫、金属和岩石都得到最充分的利用, 但是地表开采法的投资和生产成本比较高。根据沥青砂矿藏中是否存在束缚水可将沥青砂分为2 类:存在束缚水的沥青砂称为水润性沥青砂,不存在束缚水的沥青砂称为油润性沥青砂。开采时2 者分别以水和有机溶剂为介质进行抽提。地表开采法分为热碱水溶液洗脱法、 热碱水溶液结合表面活性剂洗脱法、有机溶剂抽提法和焦化法。其开采流程基本一致, 都是通过露天采矿将沥青砂采出, 运到工厂后采用一定的工艺分离出沥青,然后加工成各种石油产品。

2.1 热碱水溶液洗脱法

热碱水溶液洗脱法就是通过含碱的热水将沥青砂上的沥青洗脱下来, 然后从洗脱液中回收沥青。其主要流程是在50 ～80 ℃的热水中加入碱,并与沥青砂一起在旋转鼓中进行搅拌, 沥青以气泡状从砂粒上释放出来,随后在重力分选器和浮选器中将沥青分离出来, 并用石脑油稀释以降低其粘性,经过进一步提纯后将石脑油去除掉就得到了纯的沥青_。热碱水抽提法的主要优点是抽提效率较高,沥青砂中的所有成分可以得到充分利用。 局限是只适用于上覆层薄、埋藏深度较浅(一般小于75 m) 的水润性沥青砂矿藏。从提高效率和降低成本的角度已经对热水抽提法进行了改进。改进后的方法主要有温水法、加溶剂助剂法和OSLO 冷水法等,这些方法在实验规模操作下已经取得了成功。

2.2 热碱水溶液结合表面活性剂洗脱法

表面活性剂可以降低油水界面张力,使原油更易于从砂粒上脱离出来, 从而增加洗油效率。同时,由于原油与碱作用可以生成石油皂, 而加入的表面活性剂与石油皂能够产生复配增效作用,进一步提高了表面活性。 有些高效表面活性剂有很高的表面活性,但是成本往往很高。可以采用廉价的表面活性剂作为主要添加剂, 如石油磺酸盐、石油羧酸盐、天然羧酸盐等, 然后复配极少量的高效表面活性剂,由于表面活性剂的高表面活性和复配性能, 这样的驱油体系会有更好的驱油效果。

沥青砂开采早期曾较多采用有机溶剂抽取法、热处理法等方法提取沥青砂中的原油, 但其成本高, 能耗大、污染严重,因而近期大都趋向于采用热碱水溶液或热碱-表面活性剂洗脱法。热碱-表面活性剂洗脱法的主要优点是投入低、效益高, 原油回收率很高,废液处理简单,但是只适合于浅层的水润性沥青砂。

2.3 有机溶剂抽提法

有机溶剂抽提法就是使用各种溶剂将沥青砂中的原油抽提出来,并通过蒸馏回收混合溶液中的绝大部分溶剂, 并循环应用于抽提过程。Rosen-bloom William 等阐述了用溶剂抽提法从沥青砂中抽提沥青的方法和装置,这是一个商业化规模的系统。关于沥青砂的溶剂抽提, 李俊岭等也进行了实验室研究。他们以新疆小西沟和风城沥青砂为原料,采用甲苯抽提方法得到稠油。

有机溶剂抽取法提取沥青砂中的原油,其优点是对油润性的沥青砂有效,弥补了热水抽提法不能抽提油润性沥青砂的缺点。但其成本高, 能耗大、污染严重, 因此很少利用此法进行商业化生_产[ 35～37] _。

2.4 焦化法

对于油润性沥青砂,使用有机溶剂抽提法会引起相当严重的环境污染, 因此出现了各种焦化法:

(1)硫化床法,即在硫化床中干馏沥青砂, 该技术还没有得到商业化规模的应用。

(2)TACIUK釜法, 即在旋转窑的干馏带内蒸馏沥青砂, 燃烧带内的废砂层上沉淀碳, 并将加热过的砂作为干馏带热源的方法。

(3)LR法,源于干馏煤方法, 其特点是反应器的原料既可以是液体, 也可以是固体,且用热裂解残渣作为热载体。

(4)延迟焦化, 即2个反应器交替运转, 轮流充填沥青砂和排空沥青砂的一种商业化方法。

(5)硫化焦化, 是将细粉状石油焦用做循环热载体 , 在硫化床中焦油砂直接焦化的方法 , 并于1954 年首次商业化。焦化法不仅可以从粗焦油砂中干馏出石油产品,还能起到脱碳及改善油的碳氢比的作用。 因此焦化法处理沥青砂具有很大的发展潜力 ,可望在近年内得到广泛应用。在地表开采法中 ,热碱水溶液洗脱法和热碱水溶液结合表面活性剂洗脱法都是针对水润性沥青砂的洗脱方法, 但后者的洗脱效率更高;有机溶剂抽提法是针对油润性沥青砂的开采方法 ,但其成本高,污染严重;焦化法对油润性沥青砂和水润性沥青砂都可以进行处理 , 但其能耗较大 ,沥青损失比例也较大。

沥青砂应用

3.1 现状

沥青砂的开采技术很多 ,每种开采技术都有自己的优缺点和应用范围。

(1)沥青砂的开采工程在发达国家和发展中国家都有, 说明沥青砂的开采技术要求并不太高, 开采工程也不局限于技术先进的发达地区。

(2)就地开采法中的蒸汽吞吐、蒸汽驱和地表开采法是采用最多的方法,其中蒸汽吞吐法的采收率不高,而蒸汽驱的产量较高,采收率也较蒸汽吞吐有所提高,是比较有前景的开采方法之一;地表开采法产量巨大, 工艺相对比较简单, 生产成本也不高, 因此是最先实现商业化生产的开采方法,具有较好的前景。

(3)火烧油层法由于实施工艺难度大, 不易控制地下燃烧,同时高压注入大量空气的成本又十分昂贵, 因此未得到广泛应用;而焦化法由于应用在沥青砂热加工方面的研究起步较晚,因此还没有大规模的直接用于开采沥青砂, 多用于对已开采出的沥青进行改性加工。

3.2 实例分析

加拿大是世界上沥青砂储量最丰富、沥青砂开采量最大的国家,对沥青砂开采方法和利用进行的研究也最多, 因此将加拿大的沥青砂开采作为典型案例进行分析,可以更深入地了解沥青砂开采方法的应用情况及发展趋势。

加拿大在1996 ～2002 年间沥青砂的开采量非常大,而且持续增加。这反映了加拿大政府对沥青砂工业的重视程度和投资强度,同时也说明沥青砂资源确实在一定程度上可以缓解常规原油的不足的状况,对其它国家有较好的借鉴作用。在开采方法方面,地表开采方法的产量比就地开采方法的产量高很多,说明了地表开采方法的优越性。2002 年加拿大沥青砂各种开采技术的产量为例可以发现,现阶段沥青砂开采工艺主要是冷采法、循环蒸汽驱、蒸汽辅助重力驱和地表开采热水洗脱法, 其日产量分别为13 417、20 726、5 522和75585t 。产量最大的是地表开采热水洗脱法,其主要生产途径是地表采矿—热水洗脱—改质生产成合成原油,这也是最先实现商业化生产的沥青砂开采技术。循环蒸汽驱和“冷”采法的产量也比较高,这两种开采技术也是沥青砂开采的主要方法。 蒸汽辅助重力驱是最才发展起来的开采方法,虽然产量不高,但各石油公司对这一技术的开发都很重视,2002年蒸汽辅助重力驱的项目有21个,说明了这一方法的发展前景。可以认为,蒸汽辅助重力驱不久将可能成为主要的商业性开采方法之一。

沥青砂结论与建议

(1)世界能源消耗量持续增长, 常规原油的储量逐年减少,沥青砂资源的开发与利用越来越受到人们的重视。当前对沥青砂资源进行商业化开发的国家有加拿大、委内瑞拉和美国等, 这在一定程度上缓解了这些国家常规原油开采量不足的状况, 说明沥青砂资源是一种很有开发前景的油气资源。

(2)通过注入化学剂可以改变沥青砂中油、水和砂粒间的表面张力,使得油的粘度降低而宜于开采或提高采收率。 热采法与化学剂联用可以大幅度提高采收率, 是当前沥青砂开采技术发展趋势之一。

(3)蒸汽辅助重力驱及其衍生的开采方法,采收率高,应用范围广,但初始产油量不高。若将这一方法与化学剂联用,则不仅可避免蒸汽辅助重力驱法的缺点,还可提高采收率,因此,这是一个很有发展前景的开采方法。

(4)表面活性剂能够极大地提高沥青砂沥青的洗脱及破乳效率, 从而大幅度提高沥青砂的回收率。但表面活性剂一般价格昂贵, 其应用受到限制。因此,筛选或复配廉价而高效的表面活性剂便成为沥青砂开采技术中急需开展的研究项目。