Effect of particle size on the rheology of Athabasca clay suspensions

Authors


Abstract

The success of the separation process conventionally used in Alberta for oil sands extraction is highly influenced by the rheology of the oil sands slurry. In the gravity separation vessel, high slurry viscosities can hinder the rise of aerated bitumen and reduce the efficiency of the recovery process. In this study, the effect of particle size on the viscosity of oil sands slurries is investigated. Solids from mature fine tails (MFT) obtained from tailings pond were fractionated into three fractions of different particle size distributions and their rheological properties were studied. The solids in each fraction were characterized by XRD analysis which showed the presence of different types of clays in each fraction. For the rheological measurements, dispersions of the three fractions were prepared in the supernatant water decanted from centrifuged MFT to maintain the solution chemistry of the solids. Suspensions of each fraction showed a non-Newtonian shear thinning behaviour as well as yield stress that is characteristic of structure formation within the suspensions. For all solids fractions, increasing solids concentration led to higher viscosities and higher yield stress values. Viscoelastic properties of the suspensions showed stronger solid-like behaviour at higher particle concentrations. Among the three fractions numbered from 1 to 3, solids in fraction 3 were coated with organic matters, exhibiting the highest suspension viscosities. Also for fraction 3, higher gelling potency was observed at much lower weight fractions of solids as compared to the other fractions.

Abstract

La réussite du processus de séparation normalement utilisé en Alberta pour l'extraction du pétrole à partir de sables bitumineux est fortement influencée par la rhéologie de la boue des sables bitumineux. Dans le récipient de séparation par gravité, les viscosités élevées de la boue peuvent empêcher la remontée du bitume cellulaire et réduire l'efficacité du procédé d'extraction. Dans le cadre de cette étude, l'effet de la dimension des particules sur la viscosité des boues de sables bitumineux est analysé de près. Les solides provenant des résidus fins mûrs (RFM) obtenus des bassins de résidus ont été fractionnés en trois fractions de granulométrie des particules différentes et leurs propriétés rhéologiques ont été étudiées. Les solides de chacune des fractions ont été caractérisés au moyen d'une analyse diffractométrique qui a révélé la présence de différents types d'argiles dans chacune des fractions. Pour ce qui est des mesures rhéologiques, des dispersions des trois fractions ont été préparées dans l'eau surnageante décantée à partir des RFM centrifugés afin de maintenir la chimométrie des solides. Les suspensions de chaque fraction ont montré un comportement de fluidisation par cisaillement non newtonien, de même qu'une contrainte d'écoulement qui est typique de la formation de structure à l'intérieur des suspensions. Pour toutes les fractions de solides, l'augmentation de la concentration de solides a entraîné des viscosités et des valeurs de contrainte d'écoulement plus élevées. Les propriétés viscoélastiques des suspensions ont montré un comportement plus rigoureux semblable à celui d'un solide à des concentrations de particules plus élevées. Parmi les trois fractions numérotées de 1 à 3, les solides de la fraction 3 ont été imprégnés de matières organiques, affichant les viscosités des suspensions les plus élevées. On a également observé, pour ce qui est de la fraction 3, une activité de gélification plus élevée à des charges des fractions de solides beaucoup plus basses, comparativement aux autres fractions.

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