崔景偉，侯連華，朱如凱，李士祥，吳松濤

(1.中國石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083；2.中國石油 長慶油田公司 勘探開發(fā)研究院，西安 710018)

頁巖層系內(nèi)豐富的非常規(guī)油氣資源成為全球油氣勘探開發(fā)的熱點。得益于水平井和大規(guī)模體積壓裂技術的進步，中國已經(jīng)在四川盆地五峰—龍馬溪組頁巖層段獲得頁巖氣，在鄂爾多斯盆地、松遼盆地、柴達木盆地取得了陸相致密油的突破[1-5]。然而，中國陸相頁巖層系總體而言成熟度偏低(Ro﹤1.1%)，頁巖中殘留液態(tài)烴偏低。如何將大量仍具生烴潛力的有機質(zhì)轉(zhuǎn)化成油氣，已成為重要攻關方向。中國石油勘探開發(fā)研究院和荷蘭皇家殼牌通過攻關認為原位轉(zhuǎn)化技術可能是有效的途徑，即通過 “地下煉廠”將頁巖中的殘余油和具備生烴潛力的有機質(zhì)原位轉(zhuǎn)化成輕質(zhì)油和凝析油，從而實現(xiàn)中國頁巖油的突破，并可能引領油氣行業(yè)的下一次革命，即“頁巖油革命”[6]。因此，原位轉(zhuǎn)化過程中熱場的演化至關重要，而巖石熱物性是精確構(gòu)建熱場的基礎。

目前，巖石熱物性研究主要聚焦在3個領域：一是測定熱物性參數(shù)的方法；二是熱物性的影響因素和各向異性分析；三是探討巖石熱物性的預測模型[7-12]。雖然熱場動態(tài)演化主要通過數(shù)值模擬實現(xiàn)，但數(shù)值模擬也需要精細的熱物性數(shù)據(jù)。直接使用常溫常壓下的熱物性，會使模擬結(jié)果偏離實際。總之，目前頁巖層系巖石熱物性參數(shù)研究手段有限、研究程度較低、數(shù)據(jù)較少。對于頁巖層系內(nèi)不同巖性、不同方向的熱物性資料匱乏，缺少可資借鑒的例子。

基于上述工業(yè)需求和研究現(xiàn)狀，筆者首先通過光學裝置(TCS)對鄂爾多斯盆地延長組長7段新鮮巖心樣品進行測試，獲得常溫常壓情況下的熱導率。然后，優(yōu)選代表性樣品開展不同溫度下的熱擴散系數(shù)、熱膨脹系數(shù)和比熱容分析，獲得不同溫度條件下長7頁巖層段粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥巖和頁巖的熱物性參數(shù)，以期為規(guī)模試驗原位轉(zhuǎn)化技術及建立示范區(qū)提供參考。

1 地質(zhì)背景與樣品

圖1 鄂爾多斯盆地構(gòu)造分區(qū)、沉積相、延長組地層及井位置

2 實驗設備與條件

常規(guī)熱導率測試采用德國Lippmann公司生產(chǎn)的TCS熱導儀。該設備具有省時、無損壞、無接觸、準確度高、精確度高等優(yōu)點，且測試前無需對樣品進行特殊制備，可以測量完整巖心、斷頭巖心和碎塊巖心的熱導率，試樣形態(tài)無需加工，可快速高效測量圓柱形、方形樣品的不同面水平方向上的熱導率。本次實驗樣品測試工作在中國科學院地質(zhì)與地球物理研究所熱物性實驗室完成(表1)。

熱擴散系數(shù)測試利用國際上最新型的激光熱導儀，型號為LFA427。實驗按照國家標準《GB/T22588—2008》進行。其中，為防止頁巖高溫條件下開裂，在樣品上方增加壓力閥，可耐壓10 MPa。巖石比熱容測試利用國際上通用的同步熱分析儀帶自動進樣器 STA 449 F3設備對樣品進行測試，實驗參考美國標準《ASTM E 1269-11》進行。采用國際上通用的DIL 402SE型熱膨脹儀進行巖石密度校正，校正原理即是根據(jù)巖石在測試方向的膨脹率校正。

分別在常溫(25 ℃)，100，200，300，400，500，600 ℃下測試垂直層面和水平層面熱物性。巖石熱導率則根據(jù)巖石密度、巖石比熱容和熱擴散系數(shù)三者相乘計算獲得。

3 實驗結(jié)果

長7頁巖層系巖石熱導率(λ)TCS測試結(jié)果(圖2)顯示，不同巖性巖石的熱導率存在明顯差異，黑色頁巖最低為0.998 W/(m·K)(常溫)，凝灰?guī)r—泥巖互層型巖石以及粉砂巖則相對較高，粉砂巖的熱導率為2.955 W/(m·K)(常溫)；凝灰質(zhì)泥巖的熱導率明顯高于泥巖，含油粉砂巖的熱導率低于粉砂巖。

表1 鄂爾多斯盆地頁巖層系樣品基本信息

圖2 鄂爾多斯盆地長7頁巖層系巖心常溫常壓熱導率值

頁巖熱導率(λ)使用方程λ=αCpρ進行計算獲得，其中α為巖石的熱擴散系數(shù)、Cp為巖石的比熱容、ρ為巖石密度。巖石上述3個參數(shù)分別測試 25，100，200，300，400，500，600 ℃下的數(shù)據(jù)。長7頁巖層系巖石熱擴散系數(shù)除泥質(zhì)粉砂巖樣品2-6外，其余樣品水平層理方向上的熱擴散系數(shù)均高于垂直層理方向，體現(xiàn)出較強的各向異性。2-6樣品水平層理方向和垂直層理方向比較一致，可能反映其為弱各向異性。無論是垂直層理方向還是平行層理方向，巖石的熱擴散系數(shù)均隨著溫度的升高而降低(圖3a)。不同巖性的巖石比熱容數(shù)據(jù)比較接近，垂直和平行層理方向僅存在細微差異。比熱容隨著溫度變化明顯，普遍隨著溫度的升高而增加(圖3b)。巖石密度在垂直和平行層理方向上基本無變化，只有2-13S樣品垂直層理方向上密度比水平方向上降低。頁巖不同方向上的密度差異，可能揭示其物質(zhì)成分差異，也可能反映其孔隙差異，這也印證出頁巖具有較強非均質(zhì)性(圖3c)。

巖石熱導率計算結(jié)果(圖3d)顯示，長7頁巖層系不同巖性巖石、不同方向、不同溫度均存在一定的差異，粉砂巖熱導率相對較高，頁巖熱導率最低；水平層理方向上的熱導率明顯高于垂直層理方向，特別是頁巖樣品差異最明顯。隨著溫度的增加，巖石熱導率呈現(xiàn)出基本一致的趨勢，即隨著溫度升高先降低后升高。樣品2-6泥質(zhì)粉砂巖、2-10灰黑色泥巖和2-13凝灰?guī)r的熱導率最低值處于300 ℃處。頁巖的熱導率相對復雜，水平方向上從1.048 W/(m·K)(常溫25 ℃)逐漸增加到1.692 W/(m·K)(500 ℃)，并在隨后(600 ℃)降低；垂直方向上從0.395 W/(m·K)(常溫25 ℃)逐漸降低至0.246 W/(m·K)(500 ℃)，并在600 ℃時略增到0.315 W/(m·K)。

圖3 鄂爾多斯盆地長7頁巖層系巖石熱物性測試結(jié)果

4 討論

4.1 巖石熱導率差異性及啟示

熱導率是用來表征物質(zhì)導熱能力的物理量，通過物質(zhì)內(nèi)部微觀粒子相互碰撞實現(xiàn)熱量的傳遞。本次實驗測試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，長7頁巖層系巖石熱導率從高到低依次為粉砂巖、含油粉砂巖、凝灰?guī)r—泥巖互層型巖石、凝灰質(zhì)泥巖、暗色泥巖和黑色頁巖。其中最低的為黑色頁巖，其熱導率為0.998 W/(m·K)(常溫)；最高的為粉砂巖，其熱導率達到2.955 W/(m·K)(常溫)。事實上，地質(zhì)巖石中不僅含有各種晶粒組成的無機非金屬物質(zhì)，還包含一部分有機物質(zhì)和流體，熱導影響因素復雜。

中細砂巖的熱導率平均值為3.05 W/(m·K)，煤巖為0.61 W/(m·K)，泥巖和黏土熱導率也僅為1.00 W/(m·K)，中砂巖為2.96 W/(m·K)，粉砂巖為2.50 W/(m·K)，泥巖為2.22 W/(m·K)，灰?guī)r為2.31 W/(m·K)(圖4a)。巖石中不同礦物熱導率存在明顯差異(圖4b)，石英的熱導率接近8.0 W/(m·K)，磁鐵礦的熱導率也超過5.0 W/(m·K)，方解石的熱導率約3.5 W/(m·K)，云母和長石的熱導率相對較低，約2.0 W/(m·K)[15-17]。因此，巖石組分會影響巖石的熱導率，巖石的熱導率在本質(zhì)上受其組成礦物控制，細粒巖的熱導率通常隨其泥質(zhì)含量的增加而減小。長7頁巖層系巖石中，粉砂巖中石英含量為31%，高于泥巖(29%)和頁巖(19.1%)，泥質(zhì)含量又低于頁巖。頁巖中總有機碳含量(23.2%)遠高于泥巖(3.85%)和泥質(zhì)粉砂巖(0.45%)。因此，長7頁巖層系內(nèi)粉砂巖的熱導率大約是黑色頁巖的3倍，其機理可以解釋為受礦物以及有機碳含量的控制。

圖4 典型巖石和礦物的熱導率

盡管各類巖石的熱導率呈現(xiàn)出一定規(guī)律，但同種巖性的巖石，其熱導率也存在一定變化，長7含油砂巖和凝灰質(zhì)泥巖都存在一個變化范圍(圖2)。這既可能是同種巖性之間物質(zhì)成分存在差異，也可能受物質(zhì)成分分布樣式等因素影響。熱導率變化不僅受砂巖粒徑、膠結(jié)物、 壓實程度等影響，還與巖石的孔隙度有關[18]。

長7頁巖層系4類巖性中，凝灰?guī)r含量增加可以有效增加泥頁巖的熱導率。長7頁巖中薄層和紋層狀凝灰?guī)r十分發(fā)育，盆地南部正8井長7烴源層段毫米級至厘米級的凝灰?guī)r達180余層之多[19-20]。圖5為盆地東南部銅川地區(qū)瑤曲鎮(zhèn)衣食村長7剖面，通過厘米級采樣，并通過巖石薄片定性，最終確定采集156層凝灰?guī)r。盆地內(nèi)長7頁巖層系凝灰?guī)r由南西—北東向逐漸變薄，正寧—黃陵以南厚度最大，超過1.0 m，分布范圍廣泛[20-21]。因此，薄層狀凝灰?guī)r發(fā)育對長7頁巖層系原位轉(zhuǎn)化是一個有利的地質(zhì)條件，可以明顯增加頁巖的熱導率。特別是對厚層頁巖而言，相當于在其中加入多層“導熱毯”，可以有效提升頁巖層段的熱導率，即薄層凝灰?guī)r的發(fā)育可以增加熱導率，擴大熱場分布范圍。

長7頁巖層系不同巖性巖石熱導率測試結(jié)果對開展頁巖原位轉(zhuǎn)化具有重要啟示。在優(yōu)選頁巖原位轉(zhuǎn)化“甜點區(qū)”時，不僅要考慮頁巖品質(zhì)(成熟度、有機質(zhì)豐度、生烴潛力)、厚度、埋深等參數(shù)，還應考慮巖石的沉積建造，即層狀凝灰?guī)r以及砂巖層的發(fā)育程度。另外，砂巖和凝灰?guī)r的熱導率遠高于頁巖，對于原位轉(zhuǎn)化工藝也有一定啟示,即在層狀凝灰?guī)r發(fā)育區(qū)，長7原位改質(zhì)工藝設計時可以適當增加井間距。

圖5 鄂爾多斯盆地東南部銅川地區(qū)瑤曲鎮(zhèn)衣食村長7剖面凝灰?guī)r分布

4.2 巖石熱導率各向異性及啟示

實驗顯示，長7頁巖層系巖石熱導率各向異性特征明顯，相同溫度條件下水平層理方向高于垂直層理方向(圖6)。渤海灣盆地沾化凹陷泥質(zhì)巖、粉砂巖和砂巖存在熱導率各向異性，平行層理方向的熱導率高于垂直層理方向的熱導率，解釋為2個方向上的孔隙連通存在差異；松遼盆地樺甸油頁巖熱導率也具有較強的各向異性，亦呈現(xiàn)水平層理方向高于垂直層理方向，解釋為2個方向上應力引起的壓實緊密程度差異；俄羅斯西伯利亞巴熱諾夫(Bazhenovo)組巖石也具有水平方向熱導率高于垂直方向的現(xiàn)象，解釋認為與有機質(zhì)和硅質(zhì)礦物含量有關[7,22-23]。

綜上所述，頁巖熱導率各向異性并非是長7巖石所特有，可能是沉積巖的一個共性。對長7頁巖層系不同巖性巖石的熱導各向異性系數(shù)分析發(fā)現(xiàn)，泥質(zhì)粉砂巖的熱導率各向異性遠小于泥巖、頁巖和凝灰?guī)r。頁巖樣品非均質(zhì)性強可能與有機紋層發(fā)育有關，垂直方向上由于多層有機質(zhì)分隔，導致熱導率最低；而水平方向上除了有機質(zhì)紋層，還發(fā)育黏土紋層、膠磷礦等礦物，所以熱導率相對較高?？紤]到精細熱物性測試樣品大小為毫米—厘米級，其機理不僅與孔隙連通性相關，可能還與孔隙、面理以及成分非均質(zhì)性有關[8,24]。

通常認為巖石的熱導率隨著溫度的增加會降低[25]。長7頁巖層系巖石熱導率在不同方向上隨溫度變化的趨勢基本相同。泥質(zhì)粉砂巖、泥巖和凝灰?guī)r熱導率隨溫度升高先降低后升高，最低值均處于400 ℃(圖6a-c)。趙永信等[17]對長石石英砂巖、泥質(zhì)粉砂巖和變質(zhì)凝灰?guī)r等巖樣在室溫到180 ℃之間的熱導率隨溫度變化進行過研究，獲得熱導率隨溫度升高而下降的結(jié)論。本次實驗結(jié)果認為泥質(zhì)粉砂巖、頁巖和凝灰?guī)r熱導率隨溫度降低的趨勢可以擴大到400 ℃。盡管于永軍等[10]認為油頁巖的熱導率也是隨溫度增大而線性遞減，但長7頁巖實測熱導率變化趨勢要相對復雜，水平層理方向上熱導率基本穩(wěn)定，但仔細分析發(fā)現(xiàn)存在 “M”變化趨勢，在200 ℃存在一個較大值，在500 ℃時存在一個峰值；垂直層理方向上基本處于低幅度，也有先降低后增加的變化趨勢，最低值處于500 ℃(圖6d)。該變化趨勢在其他盆地也有體現(xiàn)，如周科等[22]對松遼盆地農(nóng)安油頁巖熱導率隨溫度變化進行研究，發(fā)現(xiàn)在100 ℃時存在一個較大值，另外2個方向的熱導率在500 ℃均有所增大，但熱導率的增幅沒有本次長7頁巖樣品明顯。

美國綠河頁巖的熱導率在不同溫度下也存在明顯變化，熱導率的變化與裂解過程有關，裂解之前導熱系數(shù)非常低，裂解時導熱系數(shù)達到最大值[22]。長7頁巖熱導率的變化可以按幾個階段進行分析，在25～200 ℃升溫過程中，隨頁巖樣品溫度的升高，頁巖中殘留的烴類和水分會膨脹并使孔隙增加，導致垂直層理方向熱導率下降；水平層理方向上則因為水分和烴類沿紋層排出，從而使水平層理方向的孔隙和微裂縫連通，從而引起水平層理方向上熱導率的增加，存在一個較大值。200～400 ℃升溫過程中，礦物結(jié)晶水完全析出，油頁巖孔隙度增大，巖石顆粒間接觸面積減小，從而引起導熱系數(shù)下降，同時頁巖中干酪根軟化和焦化，使頁巖孔隙度增大并充滿導熱性較差的原油，進一步導致頁巖熱導率下降。400～500 ℃升溫過程中，頁巖大量生成原油的裂解階段，垂直層理上由于生排烴縫增加，從而導致垂直方向上熱導率降至最低值；水平方向上由于有機質(zhì)和生成油的裂解生氣，不僅增加了水平層理方向上的密度，更因為微裂縫中所排氣體攜熱，從而使水平方向上的熱導率出現(xiàn)一個高峰值。500～600 ℃升溫過程中，導熱系數(shù)隨油頁巖內(nèi)部有機質(zhì)生油產(chǎn)氣能力的衰減、孔隙度進一步增大而降低，熱導率再次降低。鄂爾多斯盆地長7泥巖、頁巖與松遼盆地嫩江組油頁巖對比發(fā)現(xiàn)，嫩江組油頁巖的熱導率介于長7頁巖和泥巖熱導率之間(圖7)。其原因可能是受巖石中有機質(zhì)豐度控制，通常有機質(zhì)豐度與熱導率存在負相關關系[22]。

圖6 鄂爾多斯盆地長7頁巖層系巖石水平和垂直方向熱導率隨溫度變化

長7頁巖層系巖石熱導率各向異性分析結(jié)果對開展頁巖原位轉(zhuǎn)化也具有重要啟示。首先是工程設計時采用什么類型的井進行加熱。鑒于垂直層理方向熱導率遠低于水平層理方向，工程設計選用水平井、垂直井還是斜井開展加熱，需要開展目標層厚度、鉆井成本以及經(jīng)濟性綜合評價而定。再者，鑒于有機質(zhì)豐度較高的黑色頁巖的熱導率遠低于暗色泥巖，原位轉(zhuǎn)化在平面“甜點區(qū)”和垂向“甜點段”的優(yōu)選是否應該選擇有機質(zhì)豐度最高的頁巖層作為目的層，也需要進一步思考。因為有機質(zhì)豐度越高，盡管生烴潛量會最大，但是相同工藝條件和時間下加熱的“有效體積”可能不大，需要綜合生烴量、能耗以及成本優(yōu)選原位轉(zhuǎn)化的“甜點”。

4.3 地下巖石熱導率真實性及啟示

巖心測試環(huán)境與其地下埋深條件大不相同。熱導率的影響因素不僅包含巖石成分、孔隙、層理、溫度等，孔隙流體成分和壓力對熱導率也有影響。通常，干燥巖石的熱導率不能代替地質(zhì)條件下真實巖石的熱導率。因為水的熱導率[0.62 W/(m·K)]比巖石低、原油的熱導比水低、空氣的熱導比原油低，所以飽和水的地下巖石的熱導率要高于干燥樣品，飽和油的熱導率處于飽和水和干樣之間。如果巖石的礦物組成相同，其致密程度(或孔隙度)就是其熱導率大小的決定因素。即巖石越致密、孔隙度越小，密度就越大,熱導率也越大。除自身致密的灰?guī)r和白云巖外，砂巖、粉砂質(zhì)泥巖及泥巖均需要考慮流體的影響，一般可根據(jù)其深度對熱導率給予校正[26]。本次分析測試的長7頁巖層系樣品為三疊系，埋深較深，孔隙度均值在3%以下，樣品采集時均避開含水層且經(jīng)過密封保存[27]，故可以不做孔隙飽和水校正，忽略地層流體的影響。

圖7 鄂爾多斯盆地長7泥巖、頁巖

通常認為壓力會對巖石孔隙度產(chǎn)生一定影響，從而影響巖石實驗室測試熱導率結(jié)果的真實性[28]。壓力對熱導率影響的研究目前主要集中在砂巖，尚未關注頁巖。前人認為800 m以上，壓力校正量和溫度校正量較為接近，無需校正；800 m以下埋深，壓力校正量大于溫度校正量，需要進行壓力校正[15]。也有學者認為在低壓 (p≤50 MPa )情況下，熱導率隨著壓力增加而增加；在50 MPa以上，熱導率與壓力呈現(xiàn)線性關系[29]。所以，利用本文實驗室測試結(jié)果進行現(xiàn)場實際應用時，仍需要結(jié)合埋藏深度對熱導率進行恢復。然而，現(xiàn)有的壓力校正依據(jù)是片麻巖、閃巖和砂巖，并沒有現(xiàn)成的針對頁巖的壓力校正數(shù)據(jù)。盡管本文探索了多種影響巖石熱導率的原因，揭示出不同巖性、不同方向、不同溫度的變化，獲得了大量基礎數(shù)據(jù)，但仍不能直接用于并指導地下真實原位轉(zhuǎn)化?？紤]到目前長7頁巖層段埋深普遍大于800 m，增加壓力會導致頁巖密度增加，地下熱導率會高于實驗測試數(shù)據(jù)，因此在工程設計時可以適當增加井間距。

目前熱導率的測試，即使是國際上最著名的德國耐馳系列熱導率測試裝置，也不能滿足地下溫度和壓力的條件，無法滿足實際工業(yè)需求的熱導率和比熱。因此，對頁巖原位轉(zhuǎn)化分析測試技術而言，需要把握4個發(fā)展趨勢：(1)測試設備從通用儀器擴展到特定研發(fā)裝置；(2)測試條件從常溫常壓擴展到高溫高壓；(3)測試參數(shù)呈現(xiàn)從地質(zhì)參數(shù)擴展到工程參數(shù)；(4)測試地點從實驗室逐步擴展到現(xiàn)場。頁巖的研究也需要從地質(zhì)研究上升到熱物理—地質(zhì)力學—生烴化學—流固耦合研究的新階段。目前在熱物性研究領域迫切需要攻關3個方面：(1)建立考慮了頁巖非均質(zhì)性的熱導地質(zhì)模型；(2)建立巖石骨架和流體綜合因素的熱導理論模型[30-31]；(3)完善包括裂縫、流體等多因素的熱導數(shù)值模型。因此，綜合巖石成分、流體、裂縫、非均質(zhì)性、高溫高壓等因素，研發(fā)貼近地下真實條件的頁巖熱導率測試設備是重要的攻關方向之一。

5 結(jié)論

(1)鄂爾多斯盆地長7頁巖層段不同巖性的巖石熱擴散系數(shù)和熱導率存在差異，且隨砂質(zhì)含量降低而降低，即粉砂巖>凝灰?guī)r>粉砂質(zhì)泥巖>泥巖>頁巖。長7頁巖層系4類巖性中，凝灰?guī)r含量增加可以有效增加泥頁巖的熱導率，即薄層凝灰?guī)r發(fā)育的地質(zhì)特征可以增加熱導率，擴大熱場分布范圍。該結(jié)論為長7原位轉(zhuǎn)化 “甜點區(qū)”優(yōu)選以及工藝設計井間距提供一定的依據(jù)。

(2)熱擴散系數(shù)和熱導率具有各向異性，水平方向是垂直方向的1～3.5倍，且其差異隨溫度升高而增大。熱物性參數(shù)的各向異性是巖石非均質(zhì)性的體現(xiàn)，頁巖熱物性的各向異性最強，與微觀紋層發(fā)育相關；砂巖各向異性主要與巖石不同方向的滲透率相關。頁巖在水平方向熱導率遠高于垂直方向，該結(jié)論對長7原位轉(zhuǎn)化工程設計鉆井類型提供新的思路。

(3)長7頁巖實際地下熱導率受地層壓力、溫度和含水飽和度等多種因素影響，即使不考慮含油飽和度和溫度的影響，也需要對壓力進行校正。長7頁巖目前埋深普遍大于800 m，壓力校正后熱導率會升高。該結(jié)論可以進一步支持在長7原位改質(zhì)工藝設計時應適當增加井間距。