原位沥青的蒸汽强化萃取背景技术
发明领域
本发明涉及一种用于从地下位置移出沥青的原位蒸汽萃取方法。
前言
从油砂回收沥青是需要接近地下沥青，从地下砂中萃取沥青，接着将沥青从地下位
置回收到地面上的一项具有挑战性的工作。提出了用于从油砂回收沥青的众多方法。
US2008/0139418的背景部分提供了针对许多回收方法的评述，包括露天采矿、冷流技术、
周期注蒸汽(cyclicsteamstimulation，CSS)、蒸汽辅助重力泄油(steamassistedgravity
drainage，SAGD)及蒸气萃取方法(vaporextractionprocess，VAPEX)。
露天采矿将沥青连同砂一起从地下移出，接着在地面上时从砂中萃取沥青。露天采
矿不是一种原位萃取方法，因为其涉及在将砂从地面移出之后，从砂中萃取沥青。原位
沥青萃取涉及从处于地下天然位置的砂中萃取沥青。原位萃取比露天采矿更合乎需要，
因为其对于风景的破坏比露天采矿少。
冷流技术只适用于回收粘度低到足以在储槽条件下进行泵吸的油。在大部分地下油
砂矿藏中，沥青粘性太强，使得冷流技术不是用于从油砂回收沥青的合理方法。
VAPEX是需要将烃溶剂注入延伸到地下油砂中的第一水平井中的一种方法。溶剂
渗透到油砂中，通过稀释作用降低沥青的粘度并且使沥青/溶剂混合物能够排放到在第一
水平井下方的第二水平井中，从第二水平井回收沥青/溶剂混合物。合意地，在地面上从
沥青去除烃溶剂，并且合意地使其再循环。VAPEX方法是一种“冷”方法，意思指注
入井中的材料未加热任何明显的量，与将蒸汽注入井中的“热(hot)”方法(通常称为
热方法(thermalmethod))，如CSS和SAGD相对。冷方法(如VAPEX方法)在萃取
沥青方面的效率不如热方法(如CSS和SAGD方法)，因为沥青的粘度在较低温度下较
高。因此，为了有效，VAPEX方法需要将大量烃溶剂注入井中，以便充分稀释沥青，
从而实现排放。
烃溶剂，特别是高浓度烃溶剂的使用在原位沥青回收方法中可能是不合需要的。烃
会使沥青烯从沥青中沉淀并且沉淀的沥青烯会不合需要地降低储槽的渗透性。另外，烃
溶剂会在周围地下环境中损失，这可能引起环境污染问题并且增加处理成本。使沥青适
当溶剂化所需的大量烃溶剂的使用还需要并且额外处理步骤以在萃取沥青时从沥青回
收烃。因此，在原位沥青回收期间需要避免“冷”处理方法及烃的使用。
CSS和SAGD方法是“热”方法(也就是说，热方法)，其使用热蒸汽来降低地下
沥青的粘度。在这些方法中，将蒸汽沿第一井向下注入地下油砂中。蒸汽渗透砂并且通
过加热油砂来降低沥青的粘度，此有助于沥青流过砂进入第一井(CSS)或第二井
(SAGD)中，从所述井回收沥青。利用CSS方法，蒸汽是在250℃到400℃温度下注入
井中。接着使所述井保持数天或数周，在此期间，蒸汽将井周围地下环境中的沥青加热，
使沥青排放到井中，并且之后，历经数周或数月从井中泵出热油与冷凝蒸汽的混合物。
接着反复所述方法。在SAGD方法中，钻出两个水平井，一个在另一个的下方(一般相
隔约五米)。将蒸汽注入上部井中，加热周围地下环境中的沥青，由此降低沥青的粘度，
从而使其流入下部井中。随后将所得到的沥青与冷凝蒸汽的混合物从下部井泵吸到地面
上。根据US2008/0139418，通过CSS从油砂储槽回收沥青的回收率典型地仅为约
20％-25％，而在SAGD方法中，据报导在油砂储槽中可用沥青的回收率多达约60％。
也已知一种改进的SAGD方法。美国专利6230814描述了称为溶剂扩容蒸汽辅助重
力泄油(expandingsolventsteamassistedgravitydrainage，ES-SAGD)的方法。ES-SAGD
方法需要在SAGD型方法中组合烃与蒸汽，由此烃可以溶解地下油砂中的沥青，从而进
一步降低沥青粘度，以促进沥青排放到第二井孔中用于在地面上进行回收。所述参考文
献鉴别出适合添加剂是具有一个到25个碳的烃。然而，如上文所解释，为了促进沥青
的移出，需要避免将烃注入井中。
需要鉴别一种用于从油砂回收沥青的原位(也就是说，地下)方法，所述方法不需
要将烃注入地下油砂中，而且提供比当前的CSS和SAGD方法更高的回收率百分比。
发明内容
本发明提供一种使用蒸汽的原位沥青回收方法，所述方法提供了有关相对于当前的
CSS和SAGD方法增加沥青回收率百分比的问题的解决方案，而且不需要将烃注入地下
油砂中。
出人意料的是，在CSS或SAGD方法中注入亚烷基二醇醚和蒸汽使沥青回收率相
对于仅使用蒸汽的回收率有所改善。甚至更出人意料并且超出预期的是，即使在蒸汽中
含有不超过0.1wt％的亚烷基二醇醚，沥青回收率的改善也很明显，这揭露出蒸汽中含
有亚烷基二醇醚添加剂对于提高沥青回收率具有巨大并且超出预期的功效。
在不受理论束缚情况下，亚烷基二醇醚被认为在CSS和SAGD方法中促进沥青萃
取方面惊人地高效，因为其在蒸汽存在下渗透到油砂中沥青与周围砂材料之间。接着，
沥青通过沥青与砂材料之间的水相互渗透而从周围砂材料排出，使得沥青接触水相而非
砂材料。水相中的亚烷基二醇使水相与沥青之间的界面张力降低，由此促进沥青流过砂
材料。又，尽管亚烷基二醇醚充当高效的表面活性剂，但相对于传统的表面活性剂，其
意外地特别适合于原位沥青萃取。传统的表面活性剂难以分散于蒸汽中，而亚烷基二醇
醚可以与水形成不理想的混合物(例如共沸物)，从而允许比由纯组分沸点所预期的浓
度更高的浓度。另外，相较于在跨储槽输送期间有较高的吸附到材料上的倾向的表面活
性剂，并且尤其是胺组分，亚烷基二醇醚的输送看来更高效。
因此，亚烷基二醇醚被认为特别适合于通过热回收方法(如CSS和SAGD)进行原
位沥青回收，因为其在蒸汽中高效地分散和输送并且可以在低浓度下使用。推测起来，
二醇醚可以按低浓度使用，因为相对于沥青，其充当表面活性组分。通过在沥青的表面
起作用而非使整个沥青块团溶剂化，促进沥青排放所需的亚烷基二醇醚的量比利用烃溶
剂化方法所需的亚烷基二醇醚量少得多。因此，本发明方法不具有与烃溶剂相关的地面
污染和添加剂回收问题。同样，所需的浓度相对于传统的表面活性剂较低，因为在蒸汽
中分散更高效并且较少的添加剂在输送期间因吸附而损失。亚烷基二醇醚还提供比胺添
加剂强的热稳定性，使得亚烷基二醇醚更适合于高温应用，如CSS和SAGD方法。
在第一方面中，本发明是一种方法，所述方法包括：(a)将蒸汽组合物注入含有沥青
的地下位置中，所述蒸汽组合物包含亚烷基二醇醚和蒸汽，其中所述亚烷基二醇醚不是
二醇醚胺；及(b)将沥青从所述地下位置回收到地面上，其中所述亚烷基二醇醚不是二醇
醚胺并且其中所述亚烷基二醇醚具有以下化学式：
H(OR1)nOR2
其中R1是亚烷基单元，OR1是亚烷基二醇单元，并且R2是烷基或芳基，OR2是烷
基醚组分或芳基醚组分，并且n是具有一或大于一的值的整数，每一亚烷基单元具有超
过两个碳，并且当n大于一时，所述亚烷基二醇单元中的每一个中的R1可以相同或不
同。
本发明的方法适用于从油砂萃取沥青。
附图说明
图1提供实验1-9中用于测定沥青萃取效率的容器的图解说明。
具体实施方式
“多个(种)”意思指两个(种)或更多个(种)。“和/或”意思指“和，或作为
一个替代方案”。除非另外指明，否则所有范围都包括端点。
本发明的方法需要将蒸汽组合物通过井注入含有沥青的地下位置中。地下位置宜在
油砂矿藏中或接近于油砂矿藏。油砂又称为焦油砂或沥青砂。油砂是松软的砂粒，或含
有砂、粘土与水的混合物的部分固结的沙岩，其包括沥青。加拿大、哈萨克斯坦及俄罗
斯都含有大量的油砂矿藏。本发明的方法通过将蒸汽组合物注入地下油砂矿藏中以增加
沥青的流动性，由此使沥青能够从油砂组分排出并且最终通过泵吸到地面上进行回收，
从而从处于地下位置中的油砂的其它组分萃取出沥青。本发明的方法首次避免了如露天
采矿方法中所需的那样，必须从地下移出油砂，以便从移出的油砂中萃取沥青。取而代
之的是，本发明从油砂原位(即在油砂的地下位置中)萃取沥青。
本发明的蒸汽组合物包含蒸汽和亚烷基二醇醚。所述组合物宜在足以提供150℃或
高于150℃，优选180℃或高于180℃温度并且同时宜为300℃或低于300℃，优选260℃
或低于260℃温度的蒸汽组合物的温度和压力下注入。
蒸汽组合物中的蒸汽可以是过热蒸汽、饱和蒸汽、不到100％质量的蒸汽或其任何
组合。“过热蒸汽”是温度超过水的蒸气-液体平衡点的蒸汽。“饱和蒸汽”与100％质
量的蒸汽同义。蒸汽的质量是蒸汽中液相水的存在量的特征。100％质量蒸汽存在0％的
液相水。“不到100％质量的蒸汽”存在液体水。具有不到100％质量的蒸汽的蒸汽组合
物可以包括通过一起馈送蒸汽馈料和液相水馈料(如例如本文实例1-5中所述进行)所
得到的组合物。
当将蒸汽组合物注入如上文所描述的井中时，亚烷基二醇醚宜在所述蒸汽组合物的
温度、压力和环境下是易挥发的。优选亚烷基二醇醚与水形成共沸物，以便优化在蒸汽
中的分散和输送效率。
在本发明的最广泛范围中，亚烷基二醇醚的组成不受限制，只要其不是二醇醚胺。
一般来说，亚烷基二醇醚具有以下化学式：
H(OR1)nOR2
其中：
●R1在本文中被称作亚烷基单元或简称为亚烷基，
●OR1称为亚烷基二醇单元，并且
●R2称为烷基或芳基并且OR2是烷基醚组分或芳基醚组分。R2可以是纯烷基、纯
芳基，或其可以是包含除碳和氢外的元素的被取代的烷基或芳基。在此说明中，“纯”
意思指仅由碳和氢组成。典型地，R2由碳原子和氢原子组成。合意地，R2是线性或直链
的，意思指如果存在超过两个碳，那么这些碳以连续方式结合形成无分支的链。
n的值是一或大于一的整数。尽管在最广泛的范围中，n的上限是未知的，但n宜
为10或低于10，优选是8或低于8，再更优选是6或低于6，甚至更优选是4或低于4，
并且可以是3或低于3，甚至是2或低于2，并且n可以是1。当n是1时，所述化合物
是单亚烷基二醇醚。当n是2时，所述化合物是二亚烷基二醇醚。当n是3时，所述化
合物是三亚烷基二醇醚。当n大于1时，所述化合物大体上被视为聚氧化烯醚。R1和
R2是含碳部分并且优选R1、R2或R1和R2仅由碳和氢组成。当n大于1时，亚烷基二
醇单元中的每一个的R1可以相同或不同。如果亚烷基二醇醚含有不同的亚烷基单元，
那么所述亚烷基单元各自符合以下陈述的亚烷基单元的要求并且可以独立地遵守以下
描述的亚烷基单元的可任选的(例如合乎需要或优选的)特征。
合意地，亚烷基二醇醚选自单亚烷基二醇醚、二亚烷基二醇醚和三亚烷基二醇醚，
与具有超过三个亚烷基二醇单元的聚亚烷基二醇醚相对。相较于较大的聚亚烷基二醇
醚，较短的单亚烷基二醇醚、二亚烷基二醇醚和三亚烷基二醇醚(尤其是单亚烷基二醇
醚和二亚烷基二醇醚)往往会：(a)挥发性更强并且在蒸汽存在下具有更佳的移动性；及
(b)更快并且更容易渗透到油砂中。
除有关亚烷基二醇单元数量的偏好以外，或作为有关亚烷基二醇单元数量的偏好的
替代方案，亚烷基二醇单元有可能每个亚烷基单元具有超过两个碳原子。已意外地发现，
比亚乙基长的亚烷基可在原位方法中有效用于促进从油砂蒸汽萃取沥青。同时，往往需
要每一亚烷基单元含有少于8个，优选含有6个或少于6个并且更优选含有5或少于5
个碳，并且典型地含有4个或少于4个碳原子。合意地，每一亚烷基单元含有三个或四
个碳，优选三个碳。
除亚烷基单元数量偏好和每个亚烷基单元的碳数量偏好中的任一种或两种以外，或
作为这些偏好中任一种或两种的替代方案，一般需要整个亚烷基二醇醚分子含有少于10
个碳原子。当亚烷基二醇醚含有少于10个碳原子时，相信乙二醇醚往往会具有更强挥
发性并且在油砂内展现更高移动性。
合乎需要的亚烷基二醇醚的实例包括选自由以下组成的群组的那些：乙二醇醚、丙
二醇醚和丁二醇醚。尤其合乎需要的是乙二醇醚、丙二醇醚和丁二醇醚的单亚烷基、二
亚烷基和三亚烷基形式。亚烷基二醇醚可以选自乙二醇醚、丙二醇醚和丁二醇醚的单亚
烷基和二亚烷基形式，或甚至仅单亚烷基形式。意外的是，所选亚烷基二醇醚可以是丙
二醇醚和/或丁二醇醚。
适合亚烷基二醇醚的具体实例包括以下任一种或超过一种的任何组合：丙二醇正丁
基醚(如DOWANOLTMPnB二醇醚，DOWANOL是陶氏化学公司(TheDowChemical
Company)的商标)、二丙二醇甲基醚(如DOWANOLDPM二醇醚)、二丙二醇正丙基
醚(如DOWANOLDPnP二醇醚)、丙二醇正丙基醚(如DOWANOLPnP二醇醚)、二丙
二醇正丁基醚(如DOWANOLDPnB二醇醚)、乙二醇单己基醚(例如Hexyl
CELLOSOLVETM溶剂，CELLOSOLVE是陶氏化学公司的商标)、乙二醇单正丙基醚(如
propylCELLOSOLVE溶剂)、二乙二醇单己基醚、乙二醇单正丙基醚(如Propyl
CELLOSOLVE溶剂)、二乙二醇单己基醚(如HexylCARBITOLTM溶剂，CARBITOL是
陶氏化学公司的商标)、二乙二醇单丁基醚(如ButylCARBITOL溶剂)及三乙二醇单
丁基醚。
所述蒸汽组合物可以含有一种亚烷基二醇醚或超过一个种类的亚烷基二醇醚的混
合物。合意地，如果蒸汽组合物含有超过一个种类的亚烷基二醇醚的混合物，那么超过
一种亚烷基二醇醚并且优选所有的亚烷基二醇醚选自具有如上文关于本发明的亚烷基
二醇醚所描述的特性的那些。
蒸汽组合物中实现沥青萃取相较于单独蒸汽的改善所需的亚烷基二醇醚的量惊人
地低。蒸汽组合物可以含有少到0.01重量％(wt％)的亚烷基二醇醚并且仍展示出沥青
萃取相较于在相同方法中仅使用蒸汽的改善。典型地，蒸汽组合物含有0.05wt％或超过
0.05wt％，更典型地0.1wt％或超过0.1wt％，更典型地0.2wt％或超过0.2wt％并且可以
含有0.3wt％或超过0.3wt％、0.4wt％或超过0.4wt％，或0.5wt％或超过0.5wt％的亚烷
基二醇醚。同时，蒸汽组合物可以含有25wt％或低于25wt％，另优选含有10wt％或低
于10wt％，更优选7wt％或低于7wt％，又更优选5wt％或低于5wt％并且可以含有4wt％
或低于4wt％的亚烷基二醇醚。过量的亚烷基二醇醚会使所述方法的成本增加，因此从
成本的观点看，较低浓度的亚烷基二醇醚是合乎需要的。亚烷基二醇醚的wt％是以蒸汽
和亚烷基二醇醚的总组合重量计。
合意地，蒸汽组合物不含二醇醚胺。一般来说，本发明的方法合意地不含二醇醚胺
作为萃取助剂。胺往往会不合需要地具有热不稳定性并且会在注入过程期间分解，其还
倾向于在所述方法中以化学方式结合到组分。
当将蒸汽组合物注入地下位置中时，蒸汽组合物可以不含烃。本发明的方法可以不
包括通过任何方式(无论是以蒸汽组合物形式还是以其它方式)将烃注入井中。在本发
明中，使用烃是不必要的。此外，出于背景部分中所陈述的原因，烃可以是不合需要的。
本发明的方法还需要不将液相溶剂或基于碱性水的萃取液注入井中。这些步骤在本
发明中是不必要的并且会不必要地增加本发明萃取方法的复杂性。
在最广泛的范围内，本发明与如何形成蒸汽组合物无关。举例来说，可以将亚烷基
二醇醚的水溶液煮沸以产生蒸汽组合物，可以将亚烷基二醇醚(纯形式或水溶液形式)
引入蒸汽中，或其任何组合。
在将蒸汽组合物注入含有沥青的地下位置中之后，所述方法另外包括将沥青从所述
地下位置萃取到地面上。蒸汽组合物用以使沥青的流动性变强，从而使其能从地下泵吸
到地面上。本发明的方法可以呈周期注蒸汽(CSS)方法的形式，其中沥青是从注入蒸
汽组合物的相同井泵出；呈蒸汽辅助重力泄油(SAGD)形式，其中沥青是从除将蒸汽
组合物注入地面中的井外的第二井泵出；或呈CSS和SAGD型方法的可能组合的形式。
实例1和2
以下实例中使用的亚烷基二醇醚可以通过本领域的普通技术人员已知的一般方法，
通过使适当醇与适当环氧烷在适合催化剂存在下反应，接着蒸馏所得混合物以获得所关
注的亚烷基二醇来制备。当可商购时，在商业上的商品名提供于下。
这些实例使用了与图1中所图示类似的设置来模拟蒸汽辅助的从油砂中萃取沥青。
提供容器10，其具有带有确定供穿过的入口开口14的盖子12和带有确定供穿过的出口
开口18的相对底部16。在容器10内按以下次序放置：在底部16上方的筛网20，用以
覆盖出口开口18；在筛网20上方的100克高品位开采的油砂(来自艾伯塔科技创新研
究院(AlbertaInnovatesTechnologyFutures)样品库)30；覆盖油砂30的筛网22；覆盖
筛网22的一层玻璃珠粒40；覆盖玻璃珠粒40的筛网24；以及处于压缩状态并且安置
在盖子12与筛网24之间以便将容器10的内含物保持在原地的弹簧50。加热器60位于
容器10周围，以便在实验期间将油砂30加热到蒸汽饱和温度。
为了模拟油回收，将蒸汽或蒸汽组合物(取决于实例)注入到入口开口14中并将
注入压力在0.8兆帕(MPa)维持一小时(第1阶段)，接着将压力增加到1.6MPa，再
保持一小时(第2阶段)。在每一阶段期间，将加热器60设置到饱和温度。通过出口开
口18从容器10收集排出物。
通过将两种物流共注入开口14中，将蒸汽组合物注入开口14中。第一物流是以每
分钟四毫升(液体水等效体积)注入的蒸汽。第二物流是每分钟0.5毫升的液体水。在
本发明的实例中，所述液体水流相对于蒸汽和亚烷基二醇醚重量的组合含有如表1中所
标识的1wt％的亚烷基二醇醚，亚烷基二醇醚的浓度是0.1wt％。
在所述方法中的两个时间点测定沥青回收率百分比。基于在所述方法的前20分钟
内收集的排放物中的油量，测定初始回收率重量百分比。基于在整个两小时方法内收集
的排放物中沥青的量，测定最终回收率重量百分比。通过甲苯萃取排放物，测定在每一
时间间隔萃取的沥青的量。甲苯萃取法包括将甲苯与排放物混合物混合，分离出甲苯层，
蒸发甲苯以分离出萃取的沥青，接着对萃取的沥青称重。在所述方法中的两个时间点，
通过用萃取的沥青的重量除以原始油砂材料中沥青的重量来测定沥青回收率百分比。通
过对具有已知重量的原始油砂样品进行甲苯萃取，来测定原始油砂中沥青的重量。从油
砂样品的已知重量和在甲苯萃取中萃取的沥青的重量，通过用萃取的沥青的重量除以已
知油砂重量并乘以100，容易地计算出油砂中沥青的重量％。可以使用这一值，通过首
先测量在注入蒸汽或蒸汽组合物之前油砂的重量，来测定所述实验中使用的油砂中的沥
青量。
表1提供了不含亚烷基二醇醚的参考物以及说明本发明的实例并且蒸汽组合物含有
0.1wt％亚烷基二醇醚的实例1和2的结果。
表1
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表1中的数据揭露，即使在蒸汽中浓度为0.1wt％的情况下，由蒸汽萃取油砂得到
的沥青的产率也因亚烷基二醇醚的存在而显著增加。预期从表1的数据显而易见的改善
与从地下油砂实际原位蒸汽萃取的性能相关。
实例3-7
除按以下方式制备蒸汽或蒸汽组合物外，使用与实例1和2(及相关参考物)相同
的程序，针对另一参考样品和实例3-7进行所述方法。仅注入已含有指定的任何亚烷基
二醇醚添加剂的单一蒸汽流来代替将蒸汽流和液体流注入容器10中以形成蒸汽或蒸汽
组合物。通过由水(对于参考物)或由含有0.1wt％或0.4wt％指定亚烷基二醇醚(参见
表2)的水溶液产生蒸汽，并将所产生的蒸汽注入容器10中来制备单一蒸汽流。实例
3-7中亚烷基二醇醚的身份和萃取结果提供于表2中。
表2中的数据揭露，在蒸汽中浓度为0.1wt％或0.4wt％的情况下，由蒸汽萃取油砂
得到的沥青的产率因亚烷基二醇醚的存在而显著增加。预期从表2的数据显而易见的改
善与从地下油砂实际原位蒸汽萃取的性能相关。也就是说，预期在本实验中显示比参考
物高的回收率百分比的添加剂相对于不含添加剂的回收方法显示出较高的原位地下蒸
汽萃取的回收率百分比。
表2
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*参考物的最终回收率重量％在这一组实验中略微较高，可能是因为注入油砂中的
蒸汽的温度因仅注入蒸汽而无液体水流而变高。
**NM意思指未测量。
实例8-21
对于参考物，将50克的油砂(如先前实例中所描述)包装于金属网篮中，并将所
述篮悬浮于含有150毫升水的巴尔反应器(Parrreactor)内，以使得所述篮在水上方并
且不与水接触。使用以温度控制器调节的加热套加热巴尔反应器。使用温度控制器，经
半小时的时间将巴尔反应器的内含物加热到188℃，并且在所述温度下再维持四小时。
将加热套的电源关闭，并使巴尔反应器和内含物冷却过夜(约7小时)达到室温(约
22℃)。测量通过甲苯萃取巴尔反应器内液体而从油砂萃取的沥青的量。在油砂中萃取
出约15wt％的沥青。
对于实例8-21，重复关于参考物的程序，不过在巴尔反应器内的水中包括3.75克或
15克亚烷基二醇醚添加剂(参见表3)以分别提供含约2.5wt％或10wt％亚烷基二醇醚
的混合物。
使用这一程序从油砂样品回收的油的重量％报导于表3中。尽管绝对回收率百分比
在实际原位地下蒸汽萃取中可能变化，但预期表3中呈现的倾向是原位方法的代表。也
就是说，预期在本实验中显示比参考物高的回收率百分比的添加剂相对于不含添加剂的
回收方法显示出较高的原位地下蒸汽萃取的回收率百分比。
表3
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