程 超，林海宇，蔣裕強，馮 磊，夏 雨，牟春濠

(西南石油大學 地球科學與技術學院，成都 610500)

近年來，頁巖氣成了地學和油氣領域工作者關注的熱點。隨著研究深入，頁巖氣勘探開發(fā)得到了迅速發(fā)展[1]。我國首個大型頁巖氣田(涪陵氣田)的建成也標志著我國頁巖氣加速邁進商業(yè)化發(fā)展階段。完善頁巖的基礎研究也成為亟待解決的問題，其中含氣頁巖的熱物理性質的研究逐漸得到關注。陳墨香等[2-6]開展了火山巖、碳酸鹽巖、砂巖和巖土層熱物理性質的實驗研究，探討了火山巖、碳酸鹽巖和砂巖熱物理性質的影響因素以及與其他物理性質間的變化規(guī)律。研究認為巖石的熱導率受多種因素影響，對于環(huán)境因素，巖石的熱導率隨著溫度的升高而降低，隨著壓力的增加而升高。對于巖石的物性特征，巖石孔隙度越小，越致密，熱導率就會越高。CLAUSER等[7-8]研究了巖石中各種礦物的熱導率，結果表明巖石眾多礦物組成中，黃鐵礦的熱導率最高，為38.90 W/(m·K)，石英次之，為7.69 W/(m·K)，斜長石的熱導率變化范圍在1.50～2.50 W/(m·K)之間，黏土礦物較低，為1.04～1.51 W/(m·K)[9]。FUCHS等[10]研究了不同巖石類型熱導率與基本造巖礦物的關系。以上研究基本闡明了巖石中各類礦物、物性特征以及環(huán)境因素對巖石熱導率的影響。然而，富有機質頁巖的熱物理性質卻鮮有報道，特別是有機質含量對熱導率的影響。因此，本文以川南龍馬溪組深層含氣頁巖為研究對象，以實驗室測試為主要研究手段，研究了頁巖的熱物理特性，探討了頁巖礦物組成、孔隙度、TOC含量、溫度等對頁巖熱導率的影響，并闡述了這些因素的影響機理。

1 實驗

1.1 基本原理和方法

巖石的熱導率是反映巖石的導熱能力的重要熱物理參數(shù)，可定義為單位時間內每單位長度溫度升高或降低1 ℃時，在垂直熱流方向上每單位面積所通過的熱量。目前室內測量熱導率的方法主要有穩(wěn)態(tài)法和非穩(wěn)態(tài)法[11]2種，各有優(yōu)缺點?；诟道锶~熱傳導方程的穩(wěn)態(tài)法是測量巖石熱學性質的標準方法，原理簡單，精度高，缺點是測量時間較長。非穩(wěn)態(tài)法測量時間較短，克服了穩(wěn)態(tài)法中由于長時間測量熱量對所測材料性質的影響，通常幾十秒就可以完成一個樣品的測量。本實驗利用法國塞塔拉姆生產(chǎn)的Mathis TCI熱常數(shù)分析儀，可以實現(xiàn)對巖樣熱導率快速、高精度、無損測量。該儀器利用了非穩(wěn)態(tài)法中瞬態(tài)平面熱源法[12]的基本原理，其理論基礎是一維瞬態(tài)熱傳導微分方程：

(1)

式中：ρ為材料的密度，kg/m3；cp為材料的比熱容，J/(kg·℃ )；T為材料溫度，℃；t為時間，s；λ為材料的導熱系數(shù)，W/(m·K)；x為傳感器與樣品接觸位置，m；q′表示傳感器芯片兩側某一方向傳輸?shù)臒崃髅芏?，W/m2。在實驗過程中對每塊巖樣進行反復測量，每個巖樣測得10組測量數(shù)據(jù)，取最后幾組穩(wěn)定的測量結果的平均值為最終測量值，以減小儀器開始測量時可能由于接觸不充分，導熱不完整等因素造成的測量誤差。

1.2 實驗結果

用于本實驗的54塊巖樣全部取自于川南某井龍馬溪組深層含氣頁巖儲層，全巖衍射結果表明頁巖礦物組分有黏土、石英、斜長石、碳酸鹽和黃鐵礦(表1)。

通過對實驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，巖樣熱導率最大5.15 W/(m·K)，最小1.22 W/(m·K) ，平均值為2.50 W/(m·K)。從熱導率頻率分布(圖1)可看出，巖樣熱導率主要分布在2～3 W/(m·K)，其次分布在1～2 W/(m·K)。實驗結果與李香蘭[13]在下?lián)P子區(qū)泥頁巖熱物性測試結果基本一致，但與CERCONE等[14]在美國賓夕法尼亞西部阿巴拉契亞盆地富有機質黑色頁巖熱導率在0.6～1.45 W/(m·K)分布范圍的研究結果相比偏高，主要是2個地區(qū)富有機質頁巖的礦物成分和TOC含量差異所致。

2 討論

2.1 頁巖礦物組分與熱導率關系

由熱傳導機理可知，頁巖的礦物組分和排列方式對熱導率的高低有決定性的影響。頁巖的礦物組分復雜，實驗所測頁巖所含礦物有石英、斜長石、黏土、方解石、白云石和黃鐵礦等。首先討論黃鐵礦對熱導率的影響，從黃鐵礦含量與熱導率值的關系圖(圖2a)可以看出，黃鐵礦對熱導率的影響具有雙重性，大致具有如下規(guī)律。以黃鐵礦含量5%為界限，將實驗數(shù)據(jù)分為2個區(qū)，各區(qū)熱導率高低都與黃鐵礦含量有一定的正相關性，這是因為黃鐵礦為金屬礦物，導熱能力較強。研究還發(fā)現(xiàn)在黃鐵礦含量增大到5%左右時，熱導率絕對值有所下降，在大于5%的區(qū)域內隨黃鐵礦含量增大緩慢升高。這是因為研究區(qū)深層含氣頁巖的黃鐵礦與有機質孔發(fā)育程度有著較為密切的關系[15-16]。在水動力較弱的環(huán)境下，有機質作為還原劑對黃鐵礦的形成有著很大的作用，黃鐵礦含量與有機質含量具有一定的正相關性[17]。有機質裂解時會產(chǎn)生有機孔，且研究區(qū)頁巖具有超高成熟度，產(chǎn)生的有機孔增多，頁巖結構相對疏松多孔，對熱量的傳遞有阻礙作用。總體上，熱導率與黃鐵礦含量呈正相關關系，在黃鐵礦含量超過5%時明顯受有機孔發(fā)育程度的影響。

圖1 川南龍馬溪組頁巖巖樣熱導率頻率直方圖

表1 川南龍馬溪組頁巖巖樣實驗基礎數(shù)據(jù)

圖2 川南龍馬溪組頁巖巖樣熱導率與黃鐵礦、黏土含量、碳酸鹽以及石英含量的關系

由黏土礦物含量與熱導率關系(圖2b)可以明顯地看出，隨著黏土礦物含量的增多，熱導率呈下降趨勢。黏土含量低于12%時，研究樣品的熱導率值較高，都在2.7 W/(m·K)以上；而含量大于12%時，絕大多數(shù)樣品的熱導率在2.7 W/(m·K)以下，有的甚至低于2 W/(m·K)。這是因為黏土礦物為結構松散的礦物，微觀上層與層之間的接觸情況較不充分，使熱量的擴散增加了難度，再加上黏土有多種分布形式，增加了熱傳導的復雜性。所以黏土礦物含量越多，對熱傳導的阻礙作用越大。由碳酸鹽含量與熱導率關系(圖2c)可以看出，熱導率隨著碳酸鹽含量的增加而升高，這是由于碳酸鹽為結晶，顆粒膠結好，結構致密，有利于熱傳導。石英與熱導率關系(圖2d)表明，隨著石英的含量增多，富有機質頁巖熱導率呈升高趨勢，但二者相關性并不好。

2.2 孔隙度與熱導率

從孔隙度分布(圖3a)中可以看出，這批頁巖巖樣孔隙度主要分布在2%～8%。熱導率值和孔隙度交會圖(圖3b)表明，隨著頁巖孔隙度的增大，熱導率值具有下降的趨勢，這與前人的結論相吻合[13]。主要原因是巖石顆粒之間的接觸面是熱傳導的主要方式。巖石結構越致密，孔隙度越小，粒子的振動越容易，巖石熱導率就越高，反之，巖石的熱導率就越低。

圖3 川南龍馬溪組頁巖巖樣孔隙度分布及其與熱導率的關系

2.3 TOC含量與熱導率

TOC含量是評價頁巖有機質豐度和生烴潛力的重要部分[18]。它不僅對頁巖氣的生成量有著重要的影響，并且疏松多孔的有機質還為頁巖氣的儲存和運移提供空間和通道。干酪根作為頁巖中有機質的主要成分，它的熱演化程度與油氣生成密切相關。熱導率作為表征物體熱量傳導能力的物理量，那么TOC含量和頁巖的導熱能力是什么樣的關系呢？基于實驗結果，由圖4可以看出二者關系復雜，總體上熱導率隨TOC含量的增加而降低。但在TOC含量較小(小于2.3%)的區(qū)域內，熱導率隨TOC含量的增大而快速降低；而在TOC含量較高時，頁巖熱導率明顯隨著TOC含量的增大而緩慢降低。TOC含量小于2.3%的14個樣品，黃鐵礦含量平均值為3.88%，孔隙度平均3.89%，黏土礦物平均22%；其余TOC含量大于2.2%的樣品，黃鐵礦含量平均值為4.57%，孔隙度平均5.15%，黏土礦物平均24.8%。由此可見頁巖TOC和熱導率均受多因素控制，二者關系還有待深入研究。

2.4 溫度對熱導率的影響

溫度是影響熱導率的重要因素之一，前人在不同溫度下對巖石熱導率進行測定，得出了在一定條件下大多數(shù)巖石熱導率隨著溫度的升高而降低的結論[19-20]。將含氣頁巖看作是一種以黏土礦物為主的沉積巖，特點是多了幾種礦物。所以可以按照普通沉積巖的方式測試其物理性質。選擇同一深度的5塊物性相近的干燥頁巖樣品，實驗溫度區(qū)間為50～100 ℃，每隔10 ℃測量其熱導率，共測6次。溫度閥值設定在100 ℃，是為了避免頁巖在加熱的條件下各種性質發(fā)生變化。

從5塊巖樣的溫度與熱導率關系中可以看出(圖5)，熱導率隨溫度的變化有著嚴格的線性變化關系，不同趨勢線的增減趨勢與幅度并不一致。其中有3塊的規(guī)律與一般巖石的規(guī)律相吻合：巖石的熱導率隨著溫度的升高而降低；剩下的2條卻呈現(xiàn)相反的關系。排除實驗操作有誤的情況后，通過對實驗基礎數(shù)據(jù)對比發(fā)現(xiàn)，熱導率與溫度關系變化“異?！钡臉悠烦齌OC含量有所差距，其他數(shù)據(jù)基本相似。1號和5號樣品的TOC含量分別為4.56%和3.06%，其他樣品數(shù)據(jù)都在3%以下。熱量的傳遞是通過顆粒之間的振動傳播，溫度的升高使顆粒無規(guī)則振動頻率加快。對于巖石，顆粒之間排列緊密規(guī)則，溫度升高會打亂顆粒間的排列方式，降低熱傳導效率，使得巖石的熱導率隨著溫度的升高而降低。對于氣體，溫度的升高，會使分子間的碰撞幾率增加，增加熱傳導效率，使得氣體熱導率隨著溫度的升高而升高。研究表明，巖石在受熱處理后孔隙度會增大，且超過一定閾值后空隙規(guī)模會顯著增大[21]。所以1號與5號巖樣“異?！钡脑蚩赡苁歉衫腋障对黾雍?，其中的氣體體積也有所增加。而氣體的熱導率隨溫度的升高而升高，雖然巖石骨架熱導率隨溫度的升高而降低，但是疊加的結果是樣品的熱導率隨溫度的升高而升高。這種異常情況將會在本文的后續(xù)研究中持續(xù)關注。

圖4 川南龍馬溪組頁巖巖樣TOC含量與熱導率的關系

圖5 川南龍馬溪組頁巖巖樣溫度與熱導率的關系

3 結論

(1)含氣頁巖熱導率隨孔隙度的增加而降低，與TOC含量關系復雜，總體隨TOC含量的增高而降低。

(2)頁巖組分中黃鐵礦含量和石英含量對熱導率影響較大。熱導率與黃鐵礦含量總體呈正相關關系，但是同時要受到有機孔發(fā)育程度的影響。

(3)溫度是影響熱導率最主要的因素，同時受頁巖的TOC含量制約，當TOC含量較低時，熱導率隨溫度的升高而降低；而TOC含量較高時，熱導率隨溫度的升高而升高。