崔景偉，侯連華，朱如凱，李士祥，吳松濤

(1.中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院，北京 100083；2.中國(guó)石油 長(zhǎng)慶油田公司 勘探開(kāi)發(fā)研究院，西安 710018)

頁(yè)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(kāi)發(fā)的熱點(diǎn)。得益于水平井和大規(guī)模體積壓裂技術(shù)的進(jìn)步，中國(guó)已經(jīng)在四川盆地五峰—龍馬溪組頁(yè)巖層段獲得頁(yè)巖氣，在鄂爾多斯盆地、松遼盆地、柴達(dá)木盆地取得了陸相致密油的突破[1-5]。然而，中國(guó)陸相頁(yè)巖層系總體而言成熟度偏低(Ro﹤1.1%)，頁(yè)巖中殘留液態(tài)烴偏低。如何將大量仍具生烴潛力的有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化成油氣，已成為重要攻關(guān)方向。中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院和荷蘭皇家殼牌通過(guò)攻關(guān)認(rèn)為原位轉(zhuǎn)化技術(shù)可能是有效的途徑，即通過(guò) “地下煉廠”將頁(yè)巖中的殘余油和具備生烴潛力的有機(jī)質(zhì)原位轉(zhuǎn)化成輕質(zhì)油和凝析油，從而實(shí)現(xiàn)中國(guó)頁(yè)巖油的突破，并可能引領(lǐng)油氣行業(yè)的下一次革命，即“頁(yè)巖油革命”[6]。因此，原位轉(zhuǎn)化過(guò)程中熱場(chǎng)的演化至關(guān)重要，而巖石熱物性是精確構(gòu)建熱場(chǎng)的基礎(chǔ)。

目前，巖石熱物性研究主要聚焦在3個(gè)領(lǐng)域：一是測(cè)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(yù)測(cè)模型[7-12]。雖然熱場(chǎng)動(dòng)態(tài)演化主要通過(guò)數(shù)值模擬實(shí)現(xiàn)，但數(shù)值模擬也需要精細(xì)的熱物性數(shù)據(jù)。直接使用常溫常壓下的熱物性，會(huì)使模擬結(jié)果偏離實(shí)際。總之，目前頁(yè)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(duì)于頁(yè)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(guò)光學(xué)裝置(TCS)對(duì)鄂爾多斯盆地延長(zhǎng)組長(zhǎng)7段新鮮巖心樣品進(jìn)行測(cè)試，獲得常溫常壓情況下的熱導(dǎo)率。然后，優(yōu)選代表性樣品開(kāi)展不同溫度下的熱擴(kuò)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(zhǎng)7頁(yè)巖層段粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥巖和頁(yè)巖的熱物性參數(shù)，以期為規(guī)模試驗(yàn)原位轉(zhuǎn)化技術(shù)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(zhǎng)組地層及井位置

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與條件

常規(guī)熱導(dǎo)率測(cè)試采用德國(guó)Lippmann公司生產(chǎn)的TCS熱導(dǎo)儀。該設(shè)備具有省時(shí)、無(wú)損壞、無(wú)接觸、準(zhǔn)確度高、精確度高等優(yōu)點(diǎn)，且測(cè)試前無(wú)需對(duì)樣品進(jìn)行特殊制備，可以測(cè)量完整巖心、斷頭巖心和碎塊巖心的熱導(dǎo)率，試樣形態(tài)無(wú)需加工，可快速高效測(cè)量圓柱形、方形樣品的不同面水平方向上的熱導(dǎo)率。本次實(shí)驗(yàn)樣品測(cè)試工作在中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所熱物性實(shí)驗(yàn)室完成(表1)。

熱擴(kuò)散系數(shù)測(cè)試?yán)脟?guó)際上最新型的激光熱導(dǎo)儀，型號(hào)為L(zhǎng)FA427。實(shí)驗(yàn)按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《GB/T22588—2008》進(jìn)行。其中，為防止頁(yè)巖高溫條件下開(kāi)裂，在樣品上方增加壓力閥，可耐壓10 MPa。巖石比熱容測(cè)試?yán)脟?guó)際上通用的同步熱分析儀帶自動(dòng)進(jìn)樣器 STA 449 F3設(shè)備對(duì)樣品進(jìn)行測(cè)試，實(shí)驗(yàn)參考美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)《ASTM E 1269-11》進(jìn)行。采用國(guó)際上通用的DIL 402SE型熱膨脹儀進(jìn)行巖石密度校正，校正原理即是根據(jù)巖石在測(cè)試方向的膨脹率校正。

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

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

長(zhǎng)7頁(yè)巖層系巖石熱導(dǎo)率(λ)TCS測(cè)試結(jié)果(圖2)顯示，不同巖性巖石的熱導(dǎo)率存在明顯差異，黑色頁(yè)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(duì)較高，粉砂巖的熱導(dǎo)率為2.955 W/(m·K)(常溫)；凝灰質(zhì)泥巖的熱導(dǎo)率明顯高于泥巖，含油粉砂巖的熱導(dǎo)率低于粉砂巖。

表1 鄂爾多斯盆地頁(yè)巖層系樣品基本信息

圖2 鄂爾多斯盆地長(zhǎng)7頁(yè)巖層系巖心常溫常壓熱導(dǎo)率值

頁(yè)巖熱導(dǎo)率(λ)使用方程λ=αCpρ進(jìn)行計(jì)算獲得，其中α為巖石的熱擴(kuò)散系數(shù)、Cp為巖石的比熱容、ρ為巖石密度。巖石上述3個(gè)參數(shù)分別測(cè)試 25，100，200，300，400，500，600 ℃下的數(shù)據(jù)。長(zhǎng)7頁(yè)巖層系巖石熱擴(kuò)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(kuò)散系數(shù)均高于垂直層理方向，體現(xiàn)出較強(qiáng)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(wú)論是垂直層理方向還是平行層理方向，巖石的熱擴(kuò)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(xì)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(wú)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(yè)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(yè)巖具有較強(qiáng)非均質(zhì)性(圖3c)。

巖石熱導(dǎo)率計(jì)算結(jié)果(圖3d)顯示，長(zhǎng)7頁(yè)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(dǎo)率相對(duì)較高，頁(yè)巖熱導(dǎo)率最低；水平層理方向上的熱導(dǎo)率明顯高于垂直層理方向，特別是頁(yè)巖樣品差異最明顯。隨著溫度的增加，巖石熱導(dǎo)率呈現(xiàn)出基本一致的趨勢(shì)，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(dǎo)率最低值處于300 ℃處。頁(yè)巖的熱導(dǎo)率相對(duì)復(fù)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(shí)略增到0.315 W/(m·K)。

圖3 鄂爾多斯盆地長(zhǎng)7頁(yè)巖層系巖石熱物性測(cè)試結(jié)果

4 討論

4.1 巖石熱導(dǎo)率差異性及啟示

熱導(dǎo)率是用來(lái)表征物質(zhì)導(dǎo)熱能力的物理量，通過(guò)物質(zhì)內(nèi)部微觀粒子相互碰撞實(shí)現(xiàn)熱量的傳遞。本次實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)7頁(yè)巖層系巖石熱導(dǎo)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(yè)巖。其中最低的為黑色頁(yè)巖，其熱導(dǎo)率為0.998 W/(m·K)(常溫)；最高的為粉砂巖，其熱導(dǎo)率達(dá)到2.955 W/(m·K)(常溫)。事實(shí)上，地質(zhì)巖石中不僅含有各種晶粒組成的無(wú)機(jī)非金屬物質(zhì)，還包含一部分有機(jī)物質(zhì)和流體，熱導(dǎo)影響因素復(fù)雜。

中細(xì)砂巖的熱導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)率存在明顯差異(圖4b)，石英的熱導(dǎo)率接近8.0 W/(m·K)，磁鐵礦的熱導(dǎo)率也超過(guò)5.0 W/(m·K)，方解石的熱導(dǎo)率約3.5 W/(m·K)，云母和長(zhǎng)石的熱導(dǎo)率相對(duì)較低，約2.0 W/(m·K)[15-17]。因此，巖石組分會(huì)影響巖石的熱導(dǎo)率，巖石的熱導(dǎo)率在本質(zhì)上受其組成礦物控制，細(xì)粒巖的熱導(dǎo)率通常隨其泥質(zhì)含量的增加而減小。長(zhǎng)7頁(yè)巖層系巖石中，粉砂巖中石英含量為31%，高于泥巖(29%)和頁(yè)巖(19.1%)，泥質(zhì)含量又低于頁(yè)巖。頁(yè)巖中總有機(jī)碳含量(23.2%)遠(yuǎn)高于泥巖(3.85%)和泥質(zhì)粉砂巖(0.45%)。因此，長(zhǎng)7頁(yè)巖層系內(nèi)粉砂巖的熱導(dǎo)率大約是黑色頁(yè)巖的3倍，其機(jī)理可以解釋為受礦物以及有機(jī)碳含量的控制。

圖4 典型巖石和礦物的熱導(dǎo)率

盡管各類巖石的熱導(dǎo)率呈現(xiàn)出一定規(guī)律，但同種巖性的巖石，其熱導(dǎo)率也存在一定變化，長(zhǎng)7含油砂巖和凝灰質(zhì)泥巖都存在一個(gè)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(dǎo)率變化不僅受砂巖粒徑、膠結(jié)物、 壓實(shí)程度等影響，還與巖石的孔隙度有關(guān)[18]。

長(zhǎng)7頁(yè)巖層系4類巖性中，凝灰?guī)r含量增加可以有效增加泥頁(yè)巖的熱導(dǎo)率。長(zhǎng)7頁(yè)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(zhǎng)7烴源層段毫米級(jí)至厘米級(jí)的凝灰?guī)r達(dá)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(zhǎng)7剖面，通過(guò)厘米級(jí)采樣，并通過(guò)巖石薄片定性，最終確定采集156層凝灰?guī)r。盆地內(nèi)長(zhǎng)7頁(yè)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(guò)1.0 m，分布范圍廣泛[20-21]。因此，薄層狀凝灰?guī)r發(fā)育對(duì)長(zhǎng)7頁(yè)巖層系原位轉(zhuǎn)化是一個(gè)有利的地質(zhì)條件，可以明顯增加頁(yè)巖的熱導(dǎo)率。特別是對(duì)厚層頁(yè)巖而言，相當(dāng)于在其中加入多層“導(dǎo)熱毯”，可以有效提升頁(yè)巖層段的熱導(dǎo)率，即薄層凝灰?guī)r的發(fā)育可以增加熱導(dǎo)率，擴(kuò)大熱場(chǎng)分布范圍。

長(zhǎng)7頁(yè)巖層系不同巖性巖石熱導(dǎo)率測(cè)試結(jié)果對(duì)開(kāi)展頁(yè)巖原位轉(zhuǎn)化具有重要啟示。在優(yōu)選頁(yè)巖原位轉(zhuǎn)化“甜點(diǎn)區(qū)”時(shí)，不僅要考慮頁(yè)巖品質(zhì)(成熟度、有機(jī)質(zhì)豐度、生烴潛力)、厚度、埋深等參數(shù)，還應(yīng)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(dǎo)率遠(yuǎn)高于頁(yè)巖，對(duì)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(zhǎng)7原位改質(zhì)工藝設(shè)計(jì)時(shí)可以適當(dāng)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(zhǎng)7剖面凝灰?guī)r分布

4.2 巖石熱導(dǎo)率各向異性及啟示

實(shí)驗(yàn)顯示，長(zhǎng)7頁(yè)巖層系巖石熱導(dǎo)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(dǎo)率各向異性，平行層理方向的熱導(dǎo)率高于垂直層理方向的熱導(dǎo)率，解釋為2個(gè)方向上的孔隙連通存在差異；松遼盆地樺甸油頁(yè)巖熱導(dǎo)率也具有較強(qiáng)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(gè)方向上應(yīng)力引起的壓實(shí)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(dǎo)率高于垂直方向的現(xiàn)象，解釋認(rèn)為與有機(jī)質(zhì)和硅質(zhì)礦物含量有關(guān)[7,22-23]。

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

通常認(rèn)為巖石的熱導(dǎo)率隨著溫度的增加會(huì)降低[25]。長(zhǎng)7頁(yè)巖層系巖石熱導(dǎo)率在不同方向上隨溫度變化的趨勢(shì)基本相同。泥質(zhì)粉砂巖、泥巖和凝灰?guī)r熱導(dǎo)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(duì)長(zhǎng)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(dǎo)率隨溫度變化進(jìn)行過(guò)研究，獲得熱導(dǎo)率隨溫度升高而下降的結(jié)論。本次實(shí)驗(yàn)結(jié)果認(rèn)為泥質(zhì)粉砂巖、頁(yè)巖和凝灰?guī)r熱導(dǎo)率隨溫度降低的趨勢(shì)可以擴(kuò)大到400 ℃。盡管于永軍等[10]認(rèn)為油頁(yè)巖的熱導(dǎo)率也是隨溫度增大而線性遞減，但長(zhǎng)7頁(yè)巖實(shí)測(cè)熱導(dǎo)率變化趨勢(shì)要相對(duì)復(fù)雜，水平層理方向上熱導(dǎo)率基本穩(wěn)定，但仔細(xì)分析發(fā)現(xiàn)存在 “M”變化趨勢(shì)，在200 ℃存在一個(gè)較大值，在500 ℃時(shí)存在一個(gè)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(shì)，最低值處于500 ℃(圖6d)。該變化趨勢(shì)在其他盆地也有體現(xiàn)，如周科等[22]對(duì)松遼盆地農(nóng)安油頁(yè)巖熱導(dǎo)率隨溫度變化進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)在100 ℃時(shí)存在一個(gè)較大值，另外2個(gè)方向的熱導(dǎo)率在500 ℃均有所增大，但熱導(dǎo)率的增幅沒(méi)有本次長(zhǎng)7頁(yè)巖樣品明顯。

美國(guó)綠河頁(yè)巖的熱導(dǎo)率在不同溫度下也存在明顯變化，熱導(dǎo)率的變化與裂解過(guò)程有關(guān)，裂解之前導(dǎo)熱系數(shù)非常低，裂解時(shí)導(dǎo)熱系數(shù)達(dá)到最大值[22]。長(zhǎng)7頁(yè)巖熱導(dǎo)率的變化可以按幾個(gè)階段進(jìn)行分析，在25～200 ℃升溫過(guò)程中，隨頁(yè)巖樣品溫度的升高，頁(yè)巖中殘留的烴類和水分會(huì)膨脹并使孔隙增加，導(dǎo)致垂直層理方向熱導(dǎo)率下降；水平層理方向上則因?yàn)樗趾蜔N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(dǎo)率的增加，存在一個(gè)較大值。200～400 ℃升溫過(guò)程中，礦物結(jié)晶水完全析出，油頁(yè)巖孔隙度增大，巖石顆粒間接觸面積減小，從而引起導(dǎo)熱系數(shù)下降，同時(shí)頁(yè)巖中干酪根軟化和焦化，使頁(yè)巖孔隙度增大并充滿導(dǎo)熱性較差的原油，進(jìn)一步導(dǎo)致頁(yè)巖熱導(dǎo)率下降。400～500 ℃升溫過(guò)程中，頁(yè)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(dǎo)致垂直方向上熱導(dǎo)率降至最低值；水平方向上由于有機(jī)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?yàn)槲⒘芽p中所排氣體攜熱，從而使水平方向上的熱導(dǎo)率出現(xiàn)一個(gè)高峰值。500～600 ℃升溫過(guò)程中，導(dǎo)熱系數(shù)隨油頁(yè)巖內(nèi)部有機(jī)質(zhì)生油產(chǎn)氣能力的衰減、孔隙度進(jìn)一步增大而降低，熱導(dǎo)率再次降低。鄂爾多斯盆地長(zhǎng)7泥巖、頁(yè)巖與松遼盆地嫩江組油頁(yè)巖對(duì)比發(fā)現(xiàn)，嫩江組油頁(yè)巖的熱導(dǎo)率介于長(zhǎng)7頁(yè)巖和泥巖熱導(dǎo)率之間(圖7)。其原因可能是受巖石中有機(jī)質(zhì)豐度控制，通常有機(jī)質(zhì)豐度與熱導(dǎo)率存在負(fù)相關(guān)關(guān)系[22]。

圖6 鄂爾多斯盆地長(zhǎng)7頁(yè)巖層系巖石水平和垂直方向熱導(dǎo)率隨溫度變化

長(zhǎng)7頁(yè)巖層系巖石熱導(dǎo)率各向異性分析結(jié)果對(duì)開(kāi)展頁(yè)巖原位轉(zhuǎn)化也具有重要啟示。首先是工程設(shè)計(jì)時(shí)采用什么類型的井進(jìn)行加熱。鑒于垂直層理方向熱導(dǎo)率遠(yuǎn)低于水平層理方向，工程設(shè)計(jì)選用水平井、垂直井還是斜井開(kāi)展加熱，需要開(kāi)展目標(biāo)層厚度、鉆井成本以及經(jīng)濟(jì)性綜合評(píng)價(jià)而定。再者，鑒于有機(jī)質(zhì)豐度較高的黑色頁(yè)巖的熱導(dǎo)率遠(yuǎn)低于暗色泥巖，原位轉(zhuǎn)化在平面“甜點(diǎn)區(qū)”和垂向“甜點(diǎn)段”的優(yōu)選是否應(yīng)該選擇有機(jī)質(zhì)豐度最高的頁(yè)巖層作為目的層，也需要進(jìn)一步思考。因?yàn)橛袡C(jī)質(zhì)豐度越高，盡管生烴潛量會(huì)最大，但是相同工藝條件和時(shí)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(diǎn)”。

4.3 地下巖石熱導(dǎo)率真實(shí)性及啟示

巖心測(cè)試環(huán)境與其地下埋深條件大不相同。熱導(dǎo)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(duì)熱導(dǎo)率也有影響。通常，干燥巖石的熱導(dǎo)率不能代替地質(zhì)條件下真實(shí)巖石的熱導(dǎo)率。因?yàn)樗臒釋?dǎo)率[0.62 W/(m·K)]比巖石低、原油的熱導(dǎo)比水低、空氣的熱導(dǎo)比原油低，所以飽和水的地下巖石的熱導(dǎo)率要高于干燥樣品，飽和油的熱導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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(duì)熱導(dǎo)率給予校正[26]。本次分析測(cè)試的長(zhǎng)7頁(yè)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(shí)均避開(kāi)含水層且經(jīng)過(guò)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(zhǎng)7泥巖、頁(yè)巖

通常認(rèn)為壓力會(huì)對(duì)巖石孔隙度產(chǎn)生一定影響，從而影響巖石實(shí)驗(yàn)室測(cè)試熱導(dǎo)率結(jié)果的真實(shí)性[28]。壓力對(duì)熱導(dǎo)率影響的研究目前主要集中在砂巖，尚未關(guān)注頁(yè)巖。前人認(rèn)為800 m以上，壓力校正量和溫度校正量較為接近，無(wú)需校正；800 m以下埋深，壓力校正量大于溫度校正量，需要進(jìn)行壓力校正[15]。也有學(xué)者認(rèn)為在低壓 (p≤50 MPa )情況下，熱導(dǎo)率隨著壓力增加而增加；在50 MPa以上，熱導(dǎo)率與壓力呈現(xiàn)線性關(guān)系[29]。所以，利用本文實(shí)驗(yàn)室測(cè)試結(jié)果進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用時(shí)，仍需要結(jié)合埋藏深度對(duì)熱導(dǎo)率進(jìn)行恢復(fù)。然而，現(xiàn)有的壓力校正依據(jù)是片麻巖、閃巖和砂巖，并沒(méi)有現(xiàn)成的針對(duì)頁(yè)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(dǎo)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(chǔ)數(shù)據(jù)，但仍不能直接用于并指導(dǎo)地下真實(shí)原位轉(zhuǎn)化?？紤]到目前長(zhǎng)7頁(yè)巖層段埋深普遍大于800 m，增加壓力會(huì)導(dǎo)致頁(yè)巖密度增加，地下熱導(dǎo)率會(huì)高于實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)，因此在工程設(shè)計(jì)時(shí)可以適當(dāng)增加井間距。

目前熱導(dǎo)率的測(cè)試，即使是國(guó)際上最著名的德國(guó)耐馳系列熱導(dǎo)率測(cè)試裝置，也不能滿足地下溫度和壓力的條件，無(wú)法滿足實(shí)際工業(yè)需求的熱導(dǎo)率和比熱。因此，對(duì)頁(yè)巖原位轉(zhuǎn)化分析測(cè)試技術(shù)而言，需要把握4個(gè)發(fā)展趨勢(shì)：(1)測(cè)試設(shè)備從通用儀器擴(kuò)展到特定研發(fā)裝置；(2)測(cè)試條件從常溫常壓擴(kuò)展到高溫高壓；(3)測(cè)試參數(shù)呈現(xiàn)從地質(zhì)參數(shù)擴(kuò)展到工程參數(shù)；(4)測(cè)試地點(diǎn)從實(shí)驗(yàn)室逐步擴(kuò)展到現(xiàn)場(chǎng)。頁(yè)巖的研究也需要從地質(zhì)研究上升到熱物理—地質(zhì)力學(xué)—生烴化學(xué)—流固耦合研究的新階段。目前在熱物性研究領(lǐng)域迫切需要攻關(guān)3個(gè)方面：(1)建立考慮了頁(yè)巖非均質(zhì)性的熱導(dǎo)地質(zhì)模型；(2)建立巖石骨架和流體綜合因素的熱導(dǎo)理論模型[30-31]；(3)完善包括裂縫、流體等多因素的熱導(dǎo)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(shí)條件的頁(yè)巖熱導(dǎo)率測(cè)試設(shè)備是重要的攻關(guān)方向之一。

5 結(jié)論

(1)鄂爾多斯盆地長(zhǎng)7頁(yè)巖層段不同巖性的巖石熱擴(kuò)散系數(shù)和熱導(dǎo)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(yè)巖。長(zhǎng)7頁(yè)巖層系4類巖性中，凝灰?guī)r含量增加可以有效增加泥頁(yè)巖的熱導(dǎo)率，即薄層凝灰?guī)r發(fā)育的地質(zhì)特征可以增加熱導(dǎo)率，擴(kuò)大熱場(chǎng)分布范圍。該結(jié)論為長(zhǎng)7原位轉(zhuǎn)化 “甜點(diǎn)區(qū)”優(yōu)選以及工藝設(shè)計(jì)井間距提供一定的依據(jù)。

(2)熱擴(kuò)散系數(shù)和熱導(dǎo)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(yè)巖熱物性的各向異性最強(qiáng)，與微觀紋層發(fā)育相關(guān)；砂巖各向異性主要與巖石不同方向的滲透率相關(guān)。頁(yè)巖在水平方向熱導(dǎo)率遠(yuǎn)高于垂直方向，該結(jié)論對(duì)長(zhǎng)7原位轉(zhuǎn)化工程設(shè)計(jì)鉆井類型提供新的思路。

(3)長(zhǎng)7頁(yè)巖實(shí)際地下熱導(dǎo)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(duì)壓力進(jìn)行校正。長(zhǎng)7頁(yè)巖目前埋深普遍大于800 m，壓力校正后熱導(dǎo)率會(huì)升高。該結(jié)論可以進(jìn)一步支持在長(zhǎng)7原位改質(zhì)工藝設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)適當(dāng)增加井間距。