耿毅德，梁衛(wèi)國(guó)，劉 劍，武鵬飛，趙 靜

(太原理工大學(xué) a. 原位改性采礦教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，b.礦業(yè)工程學(xué)院，太原 030024)

油頁(yè)巖又被稱(chēng)為油母頁(yè)巖，主要由大量的無(wú)機(jī)礦物質(zhì)和包含在其骨架內(nèi)部的固態(tài)有機(jī)質(zhì)干酪根等組成；干酪根在一定的溫度下發(fā)生熱解，轉(zhuǎn)化為頁(yè)巖油氣產(chǎn)物[1]。我國(guó)的油頁(yè)巖資源儲(chǔ)量居世界第4位，約為7 199億t，折算為頁(yè)巖油約476億t[2-3]。作為一種非常規(guī)能源，油頁(yè)巖具有廣闊的開(kāi)發(fā)前景。

高溫條件下油頁(yè)巖的孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生了不可逆的改變：干酪根經(jīng)熱解后轉(zhuǎn)化為頁(yè)巖油氣排出，致使大量孔裂隙產(chǎn)生，提供了更多的滲透通道。趙靜等[4]、康志勤等[5]研究了20～600 ℃范圍內(nèi)撫順和大慶油頁(yè)巖的內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化特征和三維逾滲規(guī)律，發(fā)現(xiàn)當(dāng)達(dá)到干酪根的熱解溫度后油頁(yè)巖的內(nèi)部孔裂隙逐漸發(fā)育，孔隙率增大，滲透能力也相應(yīng)提高。王擎等[6]利用氮?dú)獾葴匚椒ㄑ芯苛巳紵^(guò)程對(duì)油頁(yè)巖半焦表面孔隙結(jié)構(gòu)特性的影響，發(fā)現(xiàn)燃燒前期表面孔隙以中微孔為主，后期以中大孔和大孔為主。TIWARI et al[7]利用顯微CT技術(shù)研究熱解前后油頁(yè)巖的孔隙結(jié)構(gòu)并利用格子玻爾茲曼模型(Lattice Boltzmann simulation)來(lái)計(jì)算滲透率，發(fā)現(xiàn)熱解后產(chǎn)生了一條較大的裂隙通道，孔隙率的高低和干酪根分布有關(guān)。韓向新等[8]利用氮?dú)獾葴匚綄?shí)驗(yàn)測(cè)量了850 ℃條件下樺甸油頁(yè)巖燃燒所得半焦的孔隙結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)油頁(yè)巖孔容和比表面積在燃燒過(guò)程中發(fā)生了先減小、后增大、再減小的一個(gè)復(fù)雜變化過(guò)程。

楊棟等[9]利用三軸滲透儀測(cè)試干餾后油頁(yè)巖的滲透率變化，結(jié)果表明，高溫高壓蒸汽作用下油頁(yè)巖產(chǎn)生大量的裂縫，滲透性提高了，滲透系數(shù)隨體積應(yīng)力和孔隙壓力呈指數(shù)規(guī)律變化。康志勤等[10]利用MDS-200三軸滲透實(shí)驗(yàn)臺(tái)測(cè)定干餾后油頁(yè)巖試件在三維應(yīng)力下的滲透系數(shù)，結(jié)果表明，滲透系數(shù)隨地層體積應(yīng)力的增加而衰減，隨孔隙壓力的升高而增大。YANG et al[11]使用壓汞裝置測(cè)量不同溫度下油頁(yè)巖樣品的孔徑，結(jié)果表明：隨著溫度的升高，油頁(yè)巖的總孔體積、平均孔徑和孔隙度均顯著增加；油頁(yè)巖的滲透率隨溫度升高而增加，600 ℃時(shí)的滲透率是室溫階段的近600倍。董付科等[12]利用高溫三軸滲流控制實(shí)驗(yàn)臺(tái)研究了在恒定500 m原巖應(yīng)力條件下，吉木薩爾油頁(yè)巖熱解后的滲透特性演化規(guī)律，結(jié)果表明：油頁(yè)巖滲透率存在閾值溫度350～400 ℃；當(dāng)熱解溫度高于該溫度時(shí)滲透率迅速升高，而低于該溫度時(shí)滲透率緩慢增加。趙靜[13]利用高溫三軸滲透試驗(yàn)系統(tǒng)研究了撫順西露天礦的油頁(yè)巖試件(Φ50 mm×100 mm，平行于層理)在不同溫度和孔隙壓力作用下的滲透規(guī)律，結(jié)果表明：在350～600 ℃溫度范圍內(nèi)，大量聚集的熱解氣和礦物釋放的水蒸氣攜帶著頁(yè)巖油從孔裂隙中滲透出來(lái)，使得滲流通道變得暢通，油頁(yè)巖試件的滲透率呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)。

前人所述的滲透率測(cè)試方法均為傳統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)法，且測(cè)試的油頁(yè)巖試件滲透率均為平行于層理方位的，研究結(jié)果均表明溫度對(duì)油頁(yè)巖滲透特性的影響非常顯著。但是，由于常溫下的油頁(yè)巖結(jié)構(gòu)非常致密，采用此方法既耗時(shí)也不準(zhǔn)確，另外在測(cè)試過(guò)程中沒(méi)有考慮實(shí)際埋藏地質(zhì)條件下外部地應(yīng)力的作用和垂直于層理方位的影響。

本文利用基于巖芯柱壓力脈沖衰減方法而自主研制的氣體滲透率測(cè)量?jī)x測(cè)試不同溫度和體積應(yīng)力條件下垂直于層理方位的油頁(yè)巖的滲透率，研究溫度和體積應(yīng)力對(duì)油頁(yè)巖滲透特性的影響。

1 試驗(yàn)方法

1.1 試件制備

本試驗(yàn)的油頁(yè)巖試件取自撫順西露天礦。將現(xiàn)場(chǎng)取下的大塊油頁(yè)巖試件立即用保鮮膜包裹，運(yùn)送至太原理工大學(xué)原位改性采礦教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。采用巖石鉆芯機(jī)沿垂直于油頁(yè)巖層理方位鉆取直徑為50 mm的圓柱形試件3個(gè)，利用磨石機(jī)將試件加工至大約16 mm高度，再使用砂紙將試件緩慢打磨至15 mm，并保證上、下端面平行度在0.05 mm以?xún)?nèi)。同時(shí)，沿垂直于層理方位鉆取尺寸為Φ7 mm×8 mm的油頁(yè)巖試件6個(gè)，進(jìn)行壓汞試驗(yàn)。

1.2 試驗(yàn)裝置

1.2.1熱解裝置

熱解試驗(yàn)采用太原理工大學(xué)自行研制的WYF-I型高溫高壓熱解反應(yīng)裝置，見(jiàn)圖1.該裝置由高溫高壓熱解反應(yīng)釜、恒壓泵、溫度控制系統(tǒng)、氣液產(chǎn)物采集裝置、氣瓶及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。通過(guò)恒壓泵和溫度控制系統(tǒng)，該裝置可實(shí)現(xiàn)20～600 ℃、0.1～20.0 MPa的恒溫恒壓環(huán)境。反應(yīng)釜內(nèi)部尺寸為Ф65 mm×135 mm，可對(duì)小于此規(guī)格的巖石試件進(jìn)行模擬原位應(yīng)力環(huán)境的熱解試驗(yàn)。

圖1 WYF-I型高溫高壓熱解反應(yīng)裝置 Fig.1 WYF-I high-temperature and high-pressure pyrolysis reaction device

1.2.2滲透率測(cè)試裝置

滲透率測(cè)試采用太原理工大學(xué)和北京永瑞達(dá)科貿(mào)有限公司聯(lián)合研制的Smart perm Ⅲ型氣體滲透率測(cè)量?jī)x(圖2)。該裝置利用1968年由BRACE et al[14]提出的巖芯柱壓力脈沖衰減滲透率測(cè)試方法，可對(duì)滲透率范圍為9.87×10-8～9.87×10-3μm2

1-氣源；2-氣動(dòng)閥；3-上游氣室；4-軸壓控制泵；5-圍壓控制泵；6-地質(zhì)環(huán)境模擬釜；7-壓差傳感器；8-下游氣室；9-壓力傳感器；10-微滲閥；11-數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)圖2 Smart perm Ⅲ型氣體滲透率測(cè)量?jī)x Fig.2 Smart perm Ⅲ gas permeability measurement instrument

的試件進(jìn)行滲透率測(cè)試。該裝置可分別對(duì)50 mm和25 mm兩種直徑規(guī)格試件進(jìn)行氣體滲透率測(cè)量試驗(yàn)，孔隙流體壓力范圍為0.7～13.0 MPa，軸壓控制泵和圍壓控制泵可實(shí)現(xiàn)0.1～70.0 MPa的應(yīng)力加載，地質(zhì)環(huán)境模擬釜可提供20～200 ℃的溫度環(huán)境。

圖2所示為氣體滲透率測(cè)量?jī)x的構(gòu)造示意圖。該設(shè)備的主要特點(diǎn)為上下游均有氣室并能夠保持恒定壓力，使得整個(gè)巖體處于較為穩(wěn)定的應(yīng)力狀態(tài)中。在滲透率測(cè)量過(guò)程中，打開(kāi)試件下游的微滲閥，使得上下游氣室產(chǎn)生最高達(dá)0.25 MPa的氣體壓差；設(shè)置合理的采集壓差間隔，通過(guò)監(jiān)測(cè)氣體壓力差與時(shí)間的關(guān)系來(lái)計(jì)算巖體滲透率。滲透率具體計(jì)算公式[15]如下：

(1)

式中：K為巖體滲透率，m2；s1為衰減系數(shù)，其值為某一時(shí)刻上下游壓差與孔隙壓力的乘積與原始時(shí)刻上下游壓差與原始孔隙壓力的乘積之比的自然對(duì)數(shù)函數(shù)的斜率；μg為氣體的動(dòng)力粘度，Pa·s；L為圓柱體巖芯的長(zhǎng)度，m；fz為氣體壓縮修正系數(shù)；f1為質(zhì)量流量修正系數(shù)；A為圓柱體巖芯的橫截面面積，m2；pm為孔隙壓力，Pa；V1為上游氣室的體積，m3；V2為下游氣室的體積，m3.

1.3 試驗(yàn)步驟

本文主要研究在不同的體積應(yīng)力和孔隙壓力條件下，油頁(yè)巖試件經(jīng)過(guò)不同溫度熱解后滲透率的變化規(guī)律。鑒于撫順油頁(yè)巖礦層的實(shí)際埋深為291～613 m[16]，平均埋深為445 m，滲透試驗(yàn)中分別選取200 m、400 m和600 m等3個(gè)不同深度來(lái)模擬油頁(yè)巖礦藏的實(shí)際埋深，地應(yīng)力梯度按0.025 MPa/m計(jì)算。為保證滲透率測(cè)試過(guò)程中試件的密封性，每一個(gè)體積應(yīng)力條件下的最大孔隙壓力應(yīng)不大于圍壓3 MPa，孔隙壓力間隔取2 MPa.軸壓、圍壓和孔隙壓力的設(shè)置詳見(jiàn)表1.熱解溫度t范圍為100～600 ℃.

表1 滲透率測(cè)試的壓力設(shè)置Table 1 Pressure parameters of permeability test

具體試驗(yàn)步驟如下：

1) 將加工好的油頁(yè)巖試件裝入熱解反應(yīng)釜，將試件加熱至100 ℃.保持閥門(mén)常開(kāi)，使得釜內(nèi)氣體壓力維持在0.1 MPa，恒溫6 h.

2) 待試件冷卻后取出稱(chēng)重，并隨機(jī)取直徑為7 mm的一個(gè)小試件進(jìn)行壓汞測(cè)試，再將3塊直徑為50 mm的試件依次在氣體滲透率測(cè)試裝置中按表1中的設(shè)置進(jìn)行不同體積應(yīng)力和孔隙壓力條件下的滲透率測(cè)試。

3) 測(cè)試完成后，將3塊大試件及其余小試件再次放入熱解反應(yīng)釜，加熱至200 ℃并恒溫6 h.重復(fù)步驟2)，直至完成100～600 ℃熱解后的所有滲透率及壓汞測(cè)試試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 滲透率隨熱解溫度的變化規(guī)律

圖3為試件在不同溫度熱解后側(cè)面形態(tài)的變化。由圖3可以看出，經(jīng)不同溫度熱解后，油頁(yè)巖試件沿層理方向產(chǎn)生明顯的裂隙；且隨著熱解溫度的不斷升高，裂隙的數(shù)量明顯增多，裂隙開(kāi)度也逐漸增大。

圖3 熱解后試件的側(cè)面形態(tài)變化 Fig.3 Lateral morphological changes of the samples after pyrolysis

利用美國(guó)Quantachrome公司生產(chǎn)的POREMASTER-33型壓汞儀對(duì)不同溫度熱解后的油頁(yè)巖試件進(jìn)行壓汞測(cè)試。圖4為不同溫度熱解后油頁(yè)巖的孔容變化規(guī)律。由圖4可以看出：常溫條件(20 ℃)下，油頁(yè)巖結(jié)構(gòu)較為致密，孔容僅為0.002 2 cm3/g；當(dāng)熱解溫度由100 ℃升至300 ℃時(shí)，油頁(yè)巖試件孔容由0.005 2 cm3/g增加至0.016 2 cm3/g，僅增加了約2.1倍；當(dāng)溫度由300 ℃增加至400 ℃時(shí)，油頁(yè)巖的孔容迅速增加至0.095 2 cm3/g，增加了約4.9倍；400～600 ℃，孔容隨著溫度的進(jìn)一步升高而繼續(xù)增加，600 ℃時(shí)油頁(yè)巖的孔容達(dá)到最大值，但該階段孔容的增速相對(duì)減緩。

圖4 不同溫度熱解后油頁(yè)巖的孔容變化 Fig.4 Variation of pore volume of oil shale after pyrolysis at different temperatures

圖5為不同溫度熱解后油頁(yè)巖的失重率變化規(guī)律。在20～300 ℃階段，試件失重率增加得較為緩慢，300 ℃時(shí)油頁(yè)巖失重率僅為4.12%；當(dāng)溫度由300 ℃增加至400 ℃時(shí)，失重率迅速增加至11.03%；隨著熱解溫度的升高，失重率進(jìn)一步增加，600 ℃時(shí)失重率達(dá)到20.52%.可以看出，油頁(yè)巖失重率隨熱解溫度的變化趨勢(shì)與孔容的變化趨勢(shì)是一致的。

圖5 油頁(yè)巖失重率隨熱解溫度的變化 Fig.5 Variation of weight loss rate of oil shale after pyrolysis at different temperatures

圖6為不同的體積應(yīng)力和孔隙壓力條件下，油頁(yè)巖滲透率在不同溫度熱解后的變化規(guī)律。由圖6可以看出，在一定的體積應(yīng)力和孔隙壓力條件下，油頁(yè)巖滲透率隨熱解溫度的升高呈明顯的階段性變化。根據(jù)上述失重率、孔容及滲透率的變化規(guī)律，可將熱解溫度對(duì)油頁(yè)巖的影響劃分為三個(gè)階段，具體如下：

1) 第一階段：20～300 ℃.該階段內(nèi)，溫度對(duì)油頁(yè)巖的影響主要為層間水和吸附水的受熱蒸發(fā)；但由于油頁(yè)巖中含水率較低，受熱后油頁(yè)巖失重率變化較小，由水分蒸發(fā)產(chǎn)生的新孔裂隙也較少。升溫過(guò)程中，在試件側(cè)面沿層理面出現(xiàn)了一條裂縫；但由于裂隙垂直于氣體滲透方向，且單一裂縫無(wú)法形成明顯的縫網(wǎng)結(jié)構(gòu)，該裂縫對(duì)氣體滲透率的貢獻(xiàn)十分微弱。因此，在20～300 ℃熱解反應(yīng)階段內(nèi)，試件滲透率變化十分微弱。在體積應(yīng)力σ=13 MPa條件下，經(jīng)過(guò)300 ℃熱解反應(yīng)后，試件滲透率僅由原來(lái)的0.53×10-8μm2增加至1.65×10-8μm2.在3種體積應(yīng)力條件下，在該階段內(nèi)，試件滲透率僅增加了1.54～2.11倍。

2) 第二階段：300～400 ℃.油頁(yè)巖中的干酪根開(kāi)始熱解，生成的油氣產(chǎn)物隨孔隙壓力的作用而排出，試件失重率迅速增加。熱解后的干酪根在試件中形成新的孔裂隙結(jié)構(gòu)，試件孔隙率迅速增加，孔容由0.016 2 cm3/g增加至0.095 1 cm3/g，且在試件的側(cè)面可以觀察到多條開(kāi)度不一的平行于層理方向的裂隙；新形成的裂隙在試件內(nèi)部相互交叉，形成復(fù)雜的縫網(wǎng)結(jié)構(gòu)，迅速增加了滲流通道，因此試件滲透率迅速增加。在體積應(yīng)力σ=26MPa的條件下，當(dāng)熱解溫度由300 ℃增加至400 ℃時(shí)，油頁(yè)巖試件滲透率由1.53×10-8μm2增加至142.50×10-8μm2.3種不同體積應(yīng)力條件下， 與300 ℃時(shí)的滲透率相比，該階段內(nèi)滲透率增加了24.3～92.4倍。

圖6 不同體積應(yīng)力σ和孔隙壓力pm下滲透率隨溫度的變化 Fig.6 Permeability variation with temperature at different volume stress σ and pore pressure pm

3) 第三階段：400～600 ℃.隨著溫度進(jìn)一步升高，油頁(yè)巖中的干酪根進(jìn)一步熱解；但由于在上一階段試件中的大部分干酪根已經(jīng)熱解，本階段試件失重率增速下降。同時(shí)，由于熱解產(chǎn)生的孔裂隙增速減緩，原有裂隙開(kāi)度增加并伴有新的裂隙產(chǎn)生，試件滲透率進(jìn)一步增加，但增速減緩。在體積應(yīng)力σ=39 MPa、孔隙壓力pm=9 MPa條件下，當(dāng)熱解溫度由400 ℃增加至600 ℃時(shí)，試件滲透率由104.07×10-8μm2增加至180.62×10-8μm2，增幅僅為73.56%.在不同的應(yīng)力條件下，該階段內(nèi)滲透率僅增加了1.69～2.49倍。

2.2 滲透率隨體積應(yīng)力的變化規(guī)律

圖7為孔隙壓力為1 MPa時(shí)，不同熱解溫度條件下，油頁(yè)巖滲透率隨體積應(yīng)力的變化規(guī)律。由圖7可看出：在不同熱解溫度條件下，滲透率均隨體積應(yīng)力增大而逐漸減??；但由于熱解溫度對(duì)油頁(yè)巖孔裂隙產(chǎn)生階段性影響，滲透率隨體積應(yīng)力的變化也具有明顯的階段性。第一階段：20～300 ℃，該階段油頁(yè)巖孔隙率較低，體積應(yīng)力的增加對(duì)于孔裂隙壓縮有限，滲透率隨著體積應(yīng)力的增大而緩慢降低，滲透率降幅為3.66%～14.15%.第二階段：300～400 ℃，由于試件中生成大量裂隙，在逐漸增加的體積應(yīng)力作用下，新生成的裂隙被壓縮，滲透率明顯降低；該階段滲透率由體積應(yīng)力13 MPa下的151.52×10-8μm2降低至體積應(yīng)力39 MPa下的117.83×10-8μm2，降幅達(dá)22.23%.第三階段：400～600 ℃，隨著熱解溫度的升高，油頁(yè)巖中原有裂隙開(kāi)度進(jìn)一步增大，新的裂隙還在不斷生成，體積應(yīng)力對(duì)裂隙變形影響進(jìn)一步增強(qiáng)；在體積應(yīng)力由13 MPa增加至39 MPa時(shí)，600 ℃熱解后的試件滲透率由377.61×10-8μm2降低至253.59×10-8μm2，該階段滲透率降幅增加至32.84%～41.79%.

圖7 不同熱解溫度下油頁(yè)巖滲透率隨體積應(yīng)力的變化(孔隙壓力pm=1 MPa) Fig.7 Permeability variation with the volumetric stress under different pyrolysis temperature (pm=1 MPa)

3 結(jié)論

油頁(yè)巖是一種滲透率低但對(duì)溫度異常敏感的烴源巖，注熱是對(duì)原位條件下油頁(yè)巖滲透率改性的一種有效手段。本文研究了不同熱解溫度和應(yīng)力條件下油頁(yè)巖的滲透率變化，得到以下結(jié)論：

1) 溫度對(duì)油頁(yè)巖物性影響呈階段性變化。20～300 ℃，油頁(yè)巖中層間水和吸附水開(kāi)始蒸發(fā)，試件失重率和孔隙率均呈現(xiàn)微弱增加；300～400 ℃，巖體中的干酪根發(fā)生熱解，油頁(yè)巖的失重率和孔隙率迅速增加；400～600 ℃，試件中的干酪根進(jìn)一步熱解，失重率和孔隙率進(jìn)一步增加，但增速減緩。

2) 油頁(yè)巖滲透率隨熱解溫度呈現(xiàn)階段性變化。20～300 ℃，試件滲透率變化十分微弱，僅增加了1.54～3.13倍；300～400 ℃，試件滲透率迅速增加，增幅達(dá)到24.3～92.4倍；400～600 ℃，滲透率增速減緩，僅增加了1.69～2.49倍。

3) 在不同熱解溫度條件下，體積應(yīng)力對(duì)滲透率影響呈現(xiàn)出明顯的階段性。20～300 ℃，體積應(yīng)力對(duì)滲透率影響較??；300～400 ℃，體積應(yīng)力的影響明顯增加，隨體積應(yīng)力增加滲透率下降達(dá)22.23%；400～600 ℃，體積應(yīng)力對(duì)滲透率的作用進(jìn)一步增強(qiáng)，滲透率降幅增加至32.84%～41.79%.