劉志軍， 楊 棟， 邵繼喜

(1.黑龍江科技大學黑龍江省煤礦深部開采地壓控制與瓦斯治理重點實驗室，哈爾濱150022; 2.太原理工大學采礦工藝研究所，山西太原030024)

溫度影響下油頁巖動力學參數(shù)的實驗研究

劉志軍1，2， 楊 棟2， 邵繼喜2

(1.黑龍江科技大學黑龍江省煤礦深部開采地壓控制與瓦斯治理重點實驗室，哈爾濱150022; 2.太原理工大學采礦工藝研究所，山西太原030024)

溫度影響下的力學參數(shù)變化對油頁巖原位開采具有顯著影響。利用巖樣超聲波速測試系統(tǒng)，實驗分析了油頁巖在溫度作用下動彈性模量、動泊松比的變化規(guī)律。結(jié)果表明:在溫度作用下，油頁巖動彈性模量變化符合Boltzmann函數(shù)關(guān)系，動泊松比的變化符合線性函數(shù)關(guān)系。油頁巖力學性能的變化在垂直層理方向上主要由熱破裂導致，在平行層理方向主要為熱解導致。

油頁巖;動彈性模量;動泊松比;超聲波測試

目前，油頁巖開采可分為異位開采與原位開采。由于異位開采面臨的成本高、環(huán)境污染嚴重、占地面積大等缺陷，油頁巖原位開采正成為目前研究的熱點與發(fā)展方向［1－9］。而油頁巖原位開采中，溫度影響下的動力學參數(shù)對油頁巖熱傳導、油氣滲透等將產(chǎn)生顯著影響，但目前此方面的研究甚少［10－13］。因此，研究溫度影響下油頁巖的力學參數(shù)變化，對于油頁巖原位開采模型建立、力學分析意義重大。

常規(guī)力學參數(shù)實驗通常采取力學加載實驗，但由于該實驗不具有重復性，不同溫度的力學參數(shù)測試需要不同的巖樣，巖樣離散性較大。即使同一區(qū)域的不同巖樣的實驗結(jié)果，也存在較大差異。如果能夠在動力學參數(shù)與彈性波波速之間建立相關(guān)關(guān)系，則可利用超聲波速測試。通過聲波速度與力學參數(shù)間的固有關(guān)系，計算分析巖樣的力學特性。文中主要對遼寧撫順西露天礦油頁巖進行了巖樣超聲波速測試，進而求得相關(guān)力學參數(shù)，為進一步的力學建模提供了基礎(chǔ)。

1 實驗原理與方法

1.1 實驗原理

由彈性力學理論，對近似彈性介質(zhì)，其力學參數(shù)與波速之間具有如下函數(shù)關(guān)系:

式中:vP——彈性波縱波傳播速度，m/s;

vS——彈性波橫波傳播速度，m/s;

ρ——介質(zhì)材料密度，g/cm3;

E——動彈性模量，kPa;

μ——動泊松比。

基于此，在試件兩端分別安裝發(fā)射探頭和接收探頭，采用聲波測試儀器測取聲波在試件中的傳播時間，即可求得對應縱、橫波傳播速度，進而利用式(1)求得對油頁巖的動力彈性模量和動力泊松比。

1.2 實驗設(shè)備

實驗加溫設(shè)備采用1 600℃節(jié)能箱式電爐，可編制升降溫程序智能控制溫度。動力學參數(shù)測試采用日本OYO公司的SonicViewer－SX巖樣超聲波波速測試系統(tǒng)(圖1)。它可以高精度讀取P波、S波的傳播情況，其內(nèi)置軟件可計算動態(tài)泊松比、動態(tài)彈性模量和動態(tài)剪切模量。試件尺寸用游標卡尺測量，質(zhì)量利用精密天平稱量，天平可讀性精度為1 mg。

1.3 試件制備及實驗

油頁巖層狀節(jié)理明顯，在加熱時因受熱不均容易熱破裂，試樣尺寸不宜過大。將試樣加工為直徑50 mm、高100 mm的圓柱形油頁巖樣。按軸向平行層理與垂直層理方向各取1組，每組3個試件。實驗結(jié)果取平均值。

試樣用錫紙包裹，放置于馬弗爐中，以15℃/m的升溫速率緩慢加溫到指定溫度，保持溫度4～6 h后以15℃/m的速率緩慢降溫至常溫，取出試樣量取其尺寸與質(zhì)量。然后，通過超聲波速測試系統(tǒng)進行波速測量;輸入質(zhì)量、尺寸等參數(shù)，利用內(nèi)置軟件計算動態(tài)力學參數(shù)。實驗選取溫度點從常溫23℃開始，依次為100、200、300、400、500、600℃，共設(shè)7個溫度點進行測試。

圖1 巖樣超聲波速測試系統(tǒng)Fig.1 Test system of ultrasonic wave on rock

2 動力學參數(shù)分析

2.1 實驗結(jié)果

表1所示為實測撫順西露天礦油頁巖在不同溫度的動力學參數(shù)結(jié)果。表1中所列動彈性模量及動泊松比均為3個試樣測試結(jié)果的平均值。

表1 撫順西露天油頁巖動力學參數(shù)實驗結(jié)果Table 1 Experimental results of dynamic parameters on Fushun oil shale

2.2 動彈性模量變化分析

圖2、圖3分別為不同溫度作用下油頁巖試件的平均動彈性模量與溫度的變化關(guān)系。其中圖2為垂直層理方向取樣測試結(jié)果曲線，圖3為平行層理方向取樣測試結(jié)果曲線。

從圖2中可以看出，在垂直層理方向，常溫到100℃溫度作用下，油頁巖樣品的動彈性模量隨溫度升高變化不大;100～300℃溫度作用下，油頁巖的動彈性模量隨溫度升高產(chǎn)生急劇下降;而300～600℃溫度作用下，油頁巖的動彈性模量隨溫度升高有小幅下降。在500℃溫度處，動彈性模量達到最小值，動彈性模量降幅達85%。

圖2 動彈性模量與溫度關(guān)系(垂直層理方向巖樣)Fig.2 Relationship between dynamic elastic modulus and temperature on samples vertical bedding direction

圖3 動彈性模量與溫度關(guān)系(平行層理方向巖樣)Fig.3 Relationship between dynamic elastic modulus and temperature on samples parallel bedding direction

從圖3中可以看出，在平行層理方向，常溫到300℃溫度作用下，油頁巖樣品的動彈性模量隨溫度的升高較緩慢下降;動彈性模量大幅降低區(qū)間為300～500℃溫度段;500～600℃溫度作用下，油頁巖的動彈性模量隨溫度升趨于穩(wěn)定;在600℃溫度處，動彈性模量達到最小值，動彈性模量降幅為31%。

對比圖2、圖3發(fā)現(xiàn)，油頁巖動彈性模量隨溫度變化曲線同油頁巖熱重曲線具有一致性，不同在于下降段溫度區(qū)間不同。撫順油頁巖在380～500℃為主要失重區(qū)間［11，14－15］，主要原因為在此溫度下油頁巖中油母質(zhì)受熱分解并析出。而影響動彈性模量變化的主要因素為裂隙、孔隙的增多，其中起控制作用的裂隙主要產(chǎn)生于平行層理方向，在溫度作用下，此方向的原石裂隙擴展、新增裂隙增多，從而導致了圖2所示150～300℃區(qū)間動彈性模量急劇降低，而在油母質(zhì)大量分解析出區(qū)域的380～500℃溫度區(qū)間，動彈性模量降幅不大;即在垂直層理方向隨溫度升高，動彈性模量的大幅降低主要是因為油頁巖熱破裂導致，其所引起的動彈性模量降幅較大。在平行巖石層理方向，動彈性模量的降低主要發(fā)生在300～500℃溫度區(qū)間。這一溫度區(qū)間與油頁巖熱解溫度相吻合。動彈性模量的降低主要是由于油頁巖中的油母質(zhì)析出導致孔洞的產(chǎn)生，此方向上的動彈性模量受控于熱分解程度。

根據(jù)實驗數(shù)據(jù)，采用Boltzmann函數(shù)擬合，可分別得到撫順西露天油頁巖垂直層理方向、平行層理方向動彈性模量隨溫度變化的衰減規(guī)律擬合公式(2)～(3)。擬合相關(guān)性較高。

Boltzmann函數(shù):

擬合公式:

式中:t——溫度，℃;

E1、E2——垂直層理、平行層理方向動彈性模量，MPa。

2.3 動泊松比變化分析

圖4為不同溫度作用下油頁巖試件的動泊松比與溫度的變化關(guān)系。其中，μ1為垂直層理方向?qū)嶒灲Y(jié)果，μ2為平行層理方向?qū)嶒灲Y(jié)果。

圖4 巖樣動泊松比與溫度關(guān)系Fig.4 Relationship between dynamic Poisson’s ratio and temperature of samples

由圖4可以看出，在垂直層理方向，油頁巖動泊松比從常溫下的0.408，隨溫度升高線性降低，600℃時降低到0.241;而在平行層理方向，油頁巖動泊松比隨溫度升高線性升高，從常溫時的0.282，升到600℃時的0.431。這是由于，隨著溫度的升高，在油頁巖內(nèi)部平行層理方向產(chǎn)生起控制作用的裂隙，此裂隙的存在使得垂直層理方向變形能力增大;而在平行層理方向由于熱解產(chǎn)生孔洞，同理使得該方向變形能力增大，但因孔洞尺度低于裂隙尺度，引起的變形能力變化亦低于裂隙所引起變形能力變化。反應在泊松比的變化上，即隨溫度升高，垂直層理方向的試樣泊松比呈線性降低趨勢，而平行層理方向的試樣泊松比呈線性增長趨勢。

由實驗數(shù)據(jù)，動泊松比與溫度的變化關(guān)系可線性擬合為式(4)和式(5)。

式中:μ1、μ2——垂直層理、平行層理方向動泊松比。

3 結(jié)論

油頁巖的動力學參數(shù)與溫度之間具有很好的相關(guān)性，溫度與動彈性模量之間符合Boltzmann函數(shù)關(guān)系，而與動泊松比之間具有線性函數(shù)關(guān)系。溫度作用下，油頁巖在垂直層理方向上主要表現(xiàn)為原生裂隙擴展、新生裂隙產(chǎn)生引起的熱破裂力學行為，對油頁巖力學特性起主要控制作用;在平行層理方向，主要表現(xiàn)為油母質(zhì)化學反應熱解產(chǎn)生孔洞，對油頁巖力學特性起次要作用。由此，其力學參數(shù)在不同方向上表現(xiàn)出較大差異。

本研究僅對撫順西露天礦油頁巖做了分析，結(jié)論的廣泛性、巖石的動、靜力學參數(shù)之間的定量關(guān)系需進一步研究。

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(編輯 晁曉筠 校對 王 冬)

Experimental research on dynamic parameter of oil shale under temperature effect

Liu Zhijun1，2， Yang Dong2， Shao Jixi2
(1.Heilongjiang Ground Pressure＆Gas Control in Deep Mining Key Lab，Heilongjiang University of Science＆Technology，Harbin 150022，China;2.Institute of Mining Technology，Taiyuan University of Technology，Taiyuan 030024，China)

This paper describes the way the mechanical parameters changes under the influence of temperature have a significant impact on oil shale mining in-situ.The study using rock samples ultrasonic velocity measurement system analyzes change rule of the dynamic elastic modulus and dynamic Poisson’s ratio under the action of temperature of oil shale.The results show that dynamic elastic modulus of oil shale conforms to Boltzmann function and dynamic Poisson’s ratio agrees with the linear function in the presence of temperature.Changes in mechanical properties of oil shale are mainly due to thermal cracking in the vertival direction，and mainly due to the pyrolysis in the bedding direction.

oil shale;dynamic elastic modulus;dynamic Poisson’s ratio;ultrasonic wave measurement

10.3969/j.issn.2095－7262.2017.04.015

TD315;TD83

2095－7262(2017)04－0396－04

:A

2017－05－14

黑龍江省教育廳科學技術(shù)研究項目(12513080)

劉志軍(1978－)，男，內(nèi)蒙古自治區(qū)烏盟人，講師，碩士，研究方向:巖石力學，E-mail:14918030@qq.com。