游利軍，李鑫磊，康毅力，陳明君，郝志偉

油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室·西南石油大學(xué)，四川 成都610500

引言

中國(guó)頁(yè)巖氣資源豐富，開發(fā)潛力巨大，頁(yè)巖氣勘探開發(fā)已在蜀南地區(qū)取得了戰(zhàn)略性突破。不同于常規(guī)儲(chǔ)層，鑒于頁(yè)巖儲(chǔ)層低孔、超低滲的特點(diǎn)，頁(yè)巖氣藏以長(zhǎng)水平井和水力壓裂為主要增產(chǎn)改造技術(shù)[1]，水力壓裂技術(shù)可以提高泄流面積，促進(jìn)氣體產(chǎn)出，但在壓裂過(guò)程中存在用液量大、壓裂液滯留儲(chǔ)層難返排的工程難題[2-3]。威遠(yuǎn)Wx 頁(yè)巖氣井在壓裂筇竹寺組、龍馬溪組頁(yè)巖氣層時(shí)注入地層總液量達(dá)3 836.51 m3[4]。彭水隆頁(yè)1HF 井在長(zhǎng)達(dá)12 d 的壓裂施工過(guò)程中累計(jì)用液量34 194.8 m3，壓后15 d進(jìn)行壓裂液返排，返排率僅10.4%[5]。大量壓裂液滯留儲(chǔ)層引發(fā)嚴(yán)重的水相圈閉損害，已成為氣井產(chǎn)量快速遞減、穩(wěn)產(chǎn)難的重要原因[6-7]。因此，研究緩解甚至完全解除頁(yè)巖氣藏水相圈閉損害的方法有利于頁(yè)巖氣藏的經(jīng)濟(jì)、高效開發(fā)[8-9]。

有關(guān)水相圈閉損害的防控方法主要分為化學(xué)法（通過(guò)減小界面張力和改變儲(chǔ)層潤(rùn)濕性）和物理緩解法（通過(guò)蒸發(fā)驅(qū)替或改善滲流通道）[10-13]。近年來(lái)，越來(lái)越多的學(xué)者[14-17]關(guān)注高溫?zé)崽幚韰f(xié)調(diào)水力壓裂技術(shù)來(lái)解除水相圈閉損害、改善巖石滲透性，實(shí)現(xiàn)壓裂液返排及回收再利用。高溫?zé)崽幚砩婕昂藦U料埋存[18]、深部巖體地?zé)衢_發(fā)[19-20]、油頁(yè)巖原位開采[21-22]、煤層地下氣化[23-25]等多個(gè)領(lǐng)域，但關(guān)于頁(yè)巖氣藏的熱處理增產(chǎn)改造技術(shù)并未在礦場(chǎng)中有所應(yīng)用，室內(nèi)實(shí)驗(yàn)也鮮有報(bào)道。Wang 等[26]開展的微波加熱致密砂巖氣藏?cái)?shù)值模擬研究結(jié)果表明，微波加熱儲(chǔ)層可以解除近井帶的水相圈閉損害。Wang等[27]通過(guò)數(shù)值模擬明確了熱處理提高水力壓裂頁(yè)巖氣藏采收率的因素，主要包括加熱溫度、裂縫間距、儲(chǔ)層滲透率、井底壓力和頁(yè)巖熱物性參數(shù)，合理優(yōu)化這些參數(shù)可以提高加熱效率促進(jìn)頁(yè)巖儲(chǔ)層吸附氣解吸。Hayatdavoudi 等[28]針對(duì)Pierre 頁(yè)巖氣藏獨(dú)特的地質(zhì)特征，提出了頁(yè)巖儲(chǔ)層熱壓裂的方法，該方法主要原理是通過(guò)小幅度升高壓裂液或水蒸氣溫度來(lái)形成微裂縫。

以往研究主要集中在干巖石熱處理增滲與氣井熱處理解除儲(chǔ)層水相圈閉損害，然而，在頁(yè)巖等致密儲(chǔ)層熱處理過(guò)程，很少重視滯留壓裂液發(fā)揮的積極作用與增滲機(jī)理。本文以四川盆地東部重慶市彭水境內(nèi)下志留統(tǒng)龍馬溪組富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖為研究對(duì)象，通過(guò)干燥頁(yè)巖重復(fù)升溫和含水頁(yè)巖重復(fù)升溫?zé)峒?shí)驗(yàn)，對(duì)比分析不同加熱過(guò)程中頁(yè)巖表觀顏色、質(zhì)量損失、滲透率和縱橫波速率的變化特征，明確兩種重復(fù)升溫過(guò)程頁(yè)巖有效增滲的主要溫度范圍，探討含水富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖重復(fù)升溫?zé)峒っ壬⒘芽p的機(jī)理。

1 實(shí)驗(yàn)樣品與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)樣品

實(shí)驗(yàn)巖樣選用四川盆地東部重慶市彭水境內(nèi)下志留統(tǒng)龍馬溪組出露的黑色頁(yè)巖，有機(jī)碳含量1.1%，鏡質(zhì)組反射率1.5%，黏土礦物含量47.9%，其中，伊利石、綠泥石和伊/蒙間層礦物相對(duì)含量分別為62.9%，25.1%和12.0%，測(cè)試結(jié)果表明，實(shí)驗(yàn)樣品為高成熟富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖，黏土礦物發(fā)育。將同一塊頁(yè)巖露頭巖樣沿平行層理方向鉆取柱狀巖芯，直徑約25 mm，對(duì)鉆取的柱狀巖芯進(jìn)行切割，長(zhǎng)度約為35～45 mm。打磨平整切割后的巖芯端面，并置于烘箱中在60°C條件下烘干。實(shí)驗(yàn)頁(yè)巖巖芯基礎(chǔ)物性參數(shù)見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)巖芯基礎(chǔ)參數(shù)Tab.1 Experimental core parameters

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

由于頁(yè)巖基塊具有低孔、超低滲特征，采用常規(guī)的穩(wěn)態(tài)法難以測(cè)量氣體滲透率，而測(cè)量氣體通過(guò)巖芯時(shí)流壓隨時(shí)間的變化可以表征氣體傳質(zhì)特征。其原理是：施加圍壓3 MPa，在巖芯入口端加上1 MPa 流壓，氣體在壓力作用下沿著巖芯流動(dòng)，在此過(guò)程中壓力在頁(yè)巖中緩慢傳遞，使入口端的流壓逐漸減小。巖芯孔隙度高，滲透性好，則氣體在巖芯中的流動(dòng)速度快，壓力衰減就快。反之，巖芯孔隙度低，滲透性差，氣體在巖芯中的流動(dòng)速度慢，壓力衰減的時(shí)間就長(zhǎng)。在壓力衰減裝置的出口端增加皂泡流量計(jì)可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)出口端流量，監(jiān)測(cè)裝置如圖1所示。

實(shí)驗(yàn)采用干燥頁(yè)巖5°C/min 重復(fù)升溫與含水頁(yè)巖10°C/min 重復(fù)升溫?zé)峒煞N方法，通過(guò)達(dá)西公式計(jì)算不同溫度加熱前后頁(yè)巖的氣體滲透率。

圖1 壓力衰減法與滲透率測(cè)試裝置Fig.1 Pressure decay method to test the permeability device

干燥頁(yè)巖5°C/min 重復(fù)升溫實(shí)驗(yàn)步驟為：（1）將實(shí)驗(yàn)巖芯在60°C恒溫條件下烘干，待巖芯干燥后用天平稱量干重。（2）巖芯熱處理。將巖芯置于氣氛管式加熱爐（圖2），加熱過(guò)程中通入N2保持無(wú)氧環(huán)境以模擬儲(chǔ)層條件，為避免溫度梯度對(duì)裂縫擴(kuò)展造成的影響，設(shè)定升溫速率為5°C/min。設(shè)定目標(biāo)溫度為100°C，加熱至100°C后在該溫度下保溫4 h，使巖芯充分受熱。待巖芯自然冷卻至室溫，利用壓力衰減裝置監(jiān)測(cè)壓力隨時(shí)間的變化特征，并計(jì)算加熱后頁(yè)巖的氣體滲透率，使用DS1052E 型數(shù)字示波器采集聲波時(shí)差。（3）用天平稱量巖芯在每一溫度點(diǎn)下加熱后的重量。（4）拍照記錄加熱后巖芯的外觀形態(tài)。測(cè)量完畢，依次對(duì)巖芯進(jìn)行200，300，400，500，600 及700°C熱處理，重復(fù)步驟（2）～（4）。

圖2 SK-G06123K 型開啟式氣氛管式電爐Fig.2 SK-G06123K open atmosphere tube electric furnace

含水頁(yè)巖10°C/min 重復(fù)升溫?zé)峒げ襟E為：（1）將干燥頁(yè)巖飽和蒸餾水模擬壓裂液滯留頁(yè)巖儲(chǔ)層。（2）計(jì)算每次吸水后頁(yè)巖含水率，含水率=（濕重?干重）/濕重，吸水時(shí)間為4 h。（3）將升溫速率調(diào)整為10°C/min，每個(gè)溫度點(diǎn)穩(wěn)定4 h 后置于蒸餾水中冷卻，冷卻后將頁(yè)巖烘干。加熱溫度范圍為25～300°C，溫度間隔為50°C。（4）每一次飽和蒸餾水后將頁(yè)巖以10°C/min 加熱速率升溫至目標(biāo)溫度視為一次完整的熱激過(guò)程，在熱激后測(cè)量頁(yè)巖的壓力半衰期并計(jì)算氣體滲透率、質(zhì)量損失和縱橫波速率，并實(shí)時(shí)拍照監(jiān)測(cè)巖芯外觀的變化。（5）每一次冷卻后烘干頁(yè)巖，重復(fù)步驟（1）～（4），對(duì)頁(yè)巖實(shí)施熱激直至目標(biāo)溫度300°C。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 表觀特征與質(zhì)量損失

巖石顏色通常由其礦物組成決定，不同礦物呈現(xiàn)不同顏色，石英一般呈灰白色，正長(zhǎng)石為肉紅色、淺黃紅色、淺黃白色，方解石一般呈乳白色等，通常肉眼觀察的巖石顏色是組成巖石礦物的綜合反映，因此，巖石礦物的類型及含量的差異會(huì)導(dǎo)致其呈現(xiàn)不同的表觀顏色。而經(jīng)過(guò)不同溫度加熱后，組成頁(yè)巖的礦物成分及結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生一系列物理化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致其表觀顏色發(fā)生相應(yīng)變化。LMX-1 干燥頁(yè)巖在經(jīng)過(guò)25～700°C重復(fù)升溫后由暗黑色變?yōu)榛野咨?，這主要與有機(jī)質(zhì)熱解相關(guān)（圖3，圖4）。

圖3 LMX-1 干燥頁(yè)巖重復(fù)升溫過(guò)程表觀顏色變化特征Fig.3 Apparent color change of LMX-1 dry shale during cyclical heating period

在整個(gè)加熱過(guò)程并未觀察到巖芯表面有宏觀裂縫形成，初步論證干燥頁(yè)巖5°C/min 重復(fù)升溫并不能引發(fā)熱致裂，達(dá)到顯著增滲的效果（圖3，圖4），溫度超過(guò)500°C時(shí)，頁(yè)巖表觀顏色變化較為明顯。

為了更直觀地呈現(xiàn)熱激過(guò)程裂縫的擴(kuò)展、萌生和貫通過(guò)程，將巖芯側(cè)面劃分為3 個(gè)區(qū)域，用記號(hào)筆標(biāo)記，取裂縫萌生及擴(kuò)展最顯著的區(qū)域進(jìn)行原位描述。如圖5 所示，通過(guò)25～300°C的熱激可以看到，當(dāng)溫度低于150°C時(shí)，頁(yè)巖經(jīng)歷了兩次循環(huán)熱激，側(cè)面2 號(hào)區(qū)域并未發(fā)生顯著變化；當(dāng)加熱溫度達(dá)到200°C時(shí)，側(cè)面開始萌生裂縫，250°C時(shí)裂縫密度增加，且裂縫均沿著平行于層理面方向擴(kuò)展。

圖4 LMX-1 干燥頁(yè)巖重復(fù)升溫過(guò)程端面變化特征Fig.4 End face change of LMX-1 dry shale during cyclical heating period

圖5 LMX-3 含水頁(yè)巖重復(fù)升溫?zé)峒み^(guò)程變化特征Fig.5 Process of cyclical thermal stimulation to enhance permeability of LMX-3 water-bearing shale

除了觀察頁(yè)巖側(cè)面微裂縫的萌生及擴(kuò)展過(guò)程外，將巖芯兩個(gè)端面標(biāo)記為A、B 面，觀察2 個(gè)端面在不同溫度急劇冷卻后的變化特征（圖6）。未熱處理前頁(yè)巖巖芯兩個(gè)端面并沒(méi)有肉眼可觀察到的裂縫，50°C經(jīng)過(guò)第1 次熱激后A、B 端面萌生裂縫，且烘干后巖芯A 端面有可溶鹽析出，150°C后，A 端面可溶鹽析出量增加，且裂縫增至4 條，B 端面與50°C相比無(wú)顯著改變。繼續(xù)熱激，200°C和250°C后，B 端面裂縫更加密集，且均沿著層理面方向。綜合對(duì)比巖芯側(cè)面、端面A 和B 這3 個(gè)區(qū)域的裂縫萌生和擴(kuò)展過(guò)程，熱激循環(huán)次數(shù)增加至3 次，溫度超過(guò)200°C時(shí)，裂縫數(shù)量大幅增加。

圖6 LMX-3 含水頁(yè)巖重復(fù)升溫?zé)峒み^(guò)程端面變化特征Fig.6 End face change of cyclical thermal stimulation to enhance permeability of LMX-3 water-bearing shale

進(jìn)一步采用質(zhì)量損失率定量表征頁(yè)巖受熱前后質(zhì)量變化，質(zhì)量損失率為

圖7 為頁(yè)巖質(zhì)量損失率隨溫度的變化曲線，由圖7 可知，在25～700°C，頁(yè)巖質(zhì)量損失率變化主要呈現(xiàn)出如下3 個(gè)階段。

25～200°C加熱過(guò)程為第I 階段，頁(yè)巖質(zhì)量損失率略有增加。200～400°C的加熱過(guò)程為第II 階段，頁(yè)巖質(zhì)量損失率基本不變。400～700°C的加熱過(guò)程為第III 階段，頁(yè)巖質(zhì)量損失率顯著增加。

圖7 干燥頁(yè)巖重復(fù)升溫過(guò)程質(zhì)量損失率的變化特征Fig.7 Change of mass loss rate of dry shale during cyclical heating period

2.2 滲透性變化特征

干燥頁(yè)巖重復(fù)升溫過(guò)程壓力衰減特征見圖8和圖9。LMX-1 干燥頁(yè)巖未加熱前從1 MPa 衰減至0.5 MPa所用時(shí)間為1.94 h（圖8），當(dāng)溫度分別上升至200°C和300°C時(shí)，半衰期分別增至2.95，3.29 h。在300～500°C時(shí)，半衰期分別為2.32，2.53和1.98 h。600°C和700°C 時(shí)，半衰期出現(xiàn)銳減，分別為1.01 h 和0.47 h。

圖8 LMX-1 干燥頁(yè)巖不同溫度處理下壓力隨時(shí)間的變化Fig.8 Change of pressure with time of LMX-1 dry shale

圖9 LMX-2 不同溫度處理下壓力隨時(shí)間的變化Fig.9 Change of pressure with time of LMX-2

將整個(gè)加熱過(guò)程分為3 個(gè)階段，第I 階段為25～200°C，半衰期延長(zhǎng)，氣體傳質(zhì)效率減弱；第II階段200～400°C，半衰期降低，與室溫相比略有延長(zhǎng)，說(shuō)明氣體傳質(zhì)效率與室溫條件下基本相近；第III 階段400～700°C，半衰期發(fā)生劇降，說(shuō)明氣體傳質(zhì)能力增強(qiáng)。LMX-2 頁(yè)巖經(jīng)過(guò)25～700°C重復(fù)升溫，壓力半衰期整體縮短，氣體傳質(zhì)性能改善（圖9）。

干燥頁(yè)巖重復(fù)升溫后相應(yīng)基礎(chǔ)參數(shù)見表2，并計(jì)算得到重復(fù)升溫過(guò)程不同溫度前后干燥頁(yè)巖的滲透率大小。

表2 干燥頁(yè)巖重復(fù)升溫過(guò)程半衰期和滲透率變化特征Tab.2 Change of pressure decay and permeability of dry shale during cyclical heating period

重復(fù)升溫過(guò)程干燥頁(yè)巖滲透率變化特征如圖10所示，由圖10 可知，滲透率變化特征與壓力衰減呈現(xiàn)同步變化特征（圖11）。

圖10 干燥頁(yè)巖重復(fù)升溫過(guò)程滲透率變化特征Fig.10 Permeability change of dry shale during cyclical heating period

整個(gè)加熱過(guò)程LMX-1 干燥頁(yè)巖半衰期持續(xù)降低，對(duì)應(yīng)滲透率逐步增加。25～200°C加熱的第I 階段，LMX-2 干燥頁(yè)巖半衰期增加，滲透率略有下降，200～400°C處理后，半衰期降低，滲透率恢復(fù)至初始值，至700°C 時(shí)半衰期已大幅降低，對(duì)應(yīng)滲透率驟升，700°C時(shí)滲透率增至初始值的3.5 倍。

圖11 干燥頁(yè)巖重復(fù)升溫過(guò)程壓力衰減特征Fig.11 Pressure decay change of dry shale during cyclical heating period

表3 為含水頁(yè)巖重復(fù)升溫?zé)峒こ贪胨テ诤蜐B透率的變化特征，可以看出，室溫下LMX-3 含水頁(yè)巖入口端壓力從1.0 MPa 衰減至0.5 MPa 的時(shí)間為73 min，經(jīng)過(guò)重復(fù)升溫?zé)峒ぶ?50°C，半衰期降為40 min。從壓力衰減變化特征（圖12）可以看出，熱激過(guò)程LMX-3 含水頁(yè)巖壓力半衰期持續(xù)降低，并未增加。為明確整個(gè)熱激過(guò)程氣體滲透率的變化特征與不同含水率對(duì)應(yīng)的頁(yè)巖增滲幅度大小，將無(wú)因次滲透率歸一化處理，闡述含水率、熱激溫度、熱激循環(huán)次數(shù)對(duì)頁(yè)巖滲透性的作用（圖13）。

表3 含水頁(yè)巖重復(fù)升溫?zé)峒み^(guò)程半衰期和滲透率變化Tab.3 Change of pressure decay and permeability of water-bearing shale during cyclical thermal stimulation period

圖13 為不同含水率條件下頁(yè)巖滲透率變化特征，LMX-3 頁(yè)巖在熱激過(guò)程中總計(jì)飽和水5 次，含水率在1%～5%，因此，蒸氣壓對(duì)頁(yè)巖熱致裂的作用是不可忽視的一個(gè)重要因素之一。對(duì)比干燥頁(yè)巖重復(fù)升溫實(shí)驗(yàn)，可以看出，提高加熱速率，含水頁(yè)巖加熱并冷卻更易萌生裂縫，干燥頁(yè)巖重復(fù)升溫至700°C時(shí)并未觀察到肉眼可見的裂縫，而含水頁(yè)巖熱激至200°C時(shí)開始形成熱誘導(dǎo)裂縫，說(shuō)明熱激增滲的方法能有效降低頁(yè)巖的閾值溫度，干燥頁(yè)巖重復(fù)升溫至700°C時(shí)，滲透率增加約3.5 倍，而對(duì)含水頁(yè)巖重復(fù)升溫?zé)峒ぶ?00°C時(shí)，頁(yè)巖基塊滲透率由初始的0.000 73 mD 增加至25.000 00 mD。

圖12 LMX-3 含水頁(yè)巖熱激過(guò)程壓力衰減特征Fig.12 Pressure decay change of LMX-3 water-bearing shale during cyclical thermal stimulation period

圖13 LMX-3 含水頁(yè)巖不同含水率下熱激滲透率變化特征Fig.13 Permeability change of LMX-3 shale at different water-bearing conditions during thermal shock

2.3 縱橫波速率

超聲波法應(yīng)用于巖石熱損傷評(píng)估的理論與應(yīng)用研究一直是國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。超聲波對(duì)巖石具有一定的穿透力和分辨力，反映與巖石物理力學(xué)性質(zhì)相關(guān)的各種信息，可用于分析高溫?zé)崽幚砗蟮膸r石內(nèi)結(jié)構(gòu)的變化。本文使用DS1052E 型雙通道數(shù)字示波器采集了兩種加熱過(guò)程頁(yè)巖的聲波時(shí)差數(shù)據(jù)，通過(guò)式（3）與式（4）將聲波時(shí)差轉(zhuǎn)換成聲波速率，計(jì)算公式為

利用式（3）和式（4）得到干燥頁(yè)巖重復(fù)升溫后不同溫度的縱、橫波速率（圖14），縱、橫波速率總體隨溫度升高呈降低趨勢(shì)，在25～200°C的加熱過(guò)程中縱波速率出現(xiàn)突然增加的趨勢(shì)，這是初始加熱時(shí)頁(yè)巖孔隙空間被壓縮，造成縱、橫波速率驟然增加，300°C后縱、橫波速率恢復(fù)至初始值并隨溫度的增加而減小。

圖14 干燥頁(yè)巖重復(fù)升溫過(guò)程聲波速率的變化Fig.14 Wave velocity change of dry shale during cyclical heating period

含水頁(yè)巖經(jīng)25～300°C重復(fù)升溫?zé)峒ず?，聲波速率整體呈降低趨勢(shì)，且降低幅度較干燥頁(yè)巖重復(fù)升溫時(shí)更大（圖15）。

圖15 LMX-3 號(hào)含水頁(yè)巖熱激縱橫波速率變化特征Fig.15 Velocity variation of LMX-3 water-bearing shale during thermal shock

在前兩次熱激后（150°C），頁(yè)巖波速下降并不明顯，第3 次熱激后（200°C），頁(yè)巖縱、橫波速率急劇下降，聲波速率的變化也間接反映了熱激過(guò)程中頁(yè)巖力學(xué)強(qiáng)度在減弱，可見熱激條件下頁(yè)巖的增滲閾值溫度在200～300°C（在該溫度區(qū)間可觀察到肉眼可見的宏觀裂縫），相比干燥頁(yè)巖重復(fù)升溫時(shí)的增滲閾值溫度為600～700°C（經(jīng)過(guò)重復(fù)升溫在該溫度區(qū)間并未觀察到肉眼可見的宏觀裂縫），含水頁(yè)巖重復(fù)升溫?zé)峒ぶ铝言鰸B閾值溫度要比干燥頁(yè)巖重復(fù)升溫時(shí)低大約1 倍。

3 討論

3.1 水-巖相互作用誘發(fā)頁(yè)巖熱激致裂

頁(yè)巖非均質(zhì)性強(qiáng)，礦物顆粒熱膨脹系數(shù)具有差異性，在高溫作用下，礦物顆粒間出現(xiàn)熱應(yīng)力集中使頁(yè)巖內(nèi)部萌生熱誘導(dǎo)裂縫，引發(fā)熱致裂。干燥頁(yè)巖加熱至600～700°C，滲透率僅增加3～5 倍。只考慮頁(yè)巖強(qiáng)非均質(zhì)性致裂增滲，所需溫度過(guò)高，且增滲幅度低。含水富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖重復(fù)升溫?zé)峒ぃ?00°C裂縫沿層理面開始萌生。溫度升高，裂縫數(shù)量和長(zhǎng)度均增加，形成縫網(wǎng)愈發(fā)密集。因此，考慮含水頁(yè)巖熱激增滲的機(jī)理便顯得尤為重要。

巖石中的水主要具有水楔作用、孔隙壓力作用和潛蝕-溶蝕作用[29]，這種作用程度取決于巖石與水接觸的時(shí)間效應(yīng)。時(shí)間越長(zhǎng)，越易弱化巖石力學(xué)強(qiáng)度，形成水化裂縫，對(duì)熱激致裂的貢獻(xiàn)就越大?；诖?，有學(xué)者[30]提出利用滯留頁(yè)巖儲(chǔ)層中壓裂液造縫的積極作用，可延長(zhǎng)燜井時(shí)間擴(kuò)大縫網(wǎng)面積。

協(xié)調(diào)水力壓裂熱處理頁(yè)巖儲(chǔ)層提高氣藏采收率的方法也是當(dāng)前學(xué)者關(guān)注的焦點(diǎn)之一[11]。按賦存狀態(tài)巖石中的水通常分為自由水、吸附水（束縛水）、層間水和結(jié)構(gòu)水。常壓下，當(dāng)溫度達(dá)110°C時(shí)，前3 種水便可脫除，而結(jié)構(gòu)水脫除則需更高溫度。這些水的快速脫除也會(huì)導(dǎo)致礦物晶體從中部拉斷和從附著顆粒邊緣分離，萌生微裂縫，宏觀上出現(xiàn)“龜裂”現(xiàn)象，提升滲透性[9]。

3.2 熱蒸氣壓促進(jìn)頁(yè)巖納微孔隙破裂

溫度上升，巖石孔隙中的水受熱產(chǎn)生蒸氣壓可提高孔隙壓力，引發(fā)熱致裂。在可滲透性巖石中，由于水的壓縮性較低，僅釋放少量的水孔隙壓力便會(huì)大大降低。致密巖石孔隙壓力隨溫度的變化存在指數(shù)關(guān)系[31]，當(dāng)巖石初始含水飽和度低于孔隙體積的6%時(shí)，飽和蒸氣壓力大于巖石的抗拉強(qiáng)度，如果巖石孔隙被水飽和，孔隙壓力會(huì)隨著溫度升高而急劇上升，而這種加壓速率取決于巖石的致密程度。巖石孔隙度、滲透率越低蒸氣壓對(duì)孔隙發(fā)生破裂的貢獻(xiàn)就越大。

在蒸氣壓作用下頁(yè)巖微裂縫的長(zhǎng)度和數(shù)量會(huì)增加，微裂縫在加熱初始階段擴(kuò)展速度較慢，但當(dāng)毛細(xì)管被水蒸氣飽和時(shí)，微裂縫的擴(kuò)展速度呈指數(shù)式上升，最終趨于平衡[32]。頁(yè)巖納米級(jí)孔隙發(fā)育，對(duì)含水頁(yè)巖重復(fù)升溫?zé)峒ぃ{米孔相當(dāng)于微小的壓力倉(cāng)，倉(cāng)內(nèi)流體發(fā)生熱液作用、熱膨脹增壓都有效降低了頁(yè)巖熱致裂閾值溫度（圖16）。

圖16 頁(yè)巖水熱增壓機(jī)制[33]Fig.16 Hydrothermal boost mechanism of shale[33]

3.3 高加熱速率引發(fā)空間熱應(yīng)力

不同的加熱速率對(duì)頁(yè)巖的熱膨脹性也起到重要作用，在熱激實(shí)驗(yàn)中柱狀巖芯表面溫度變化不能瞬間被傳遞至整個(gè)巖芯，這種熱傳遞時(shí)間效應(yīng)會(huì)產(chǎn)生空間上的熱應(yīng)力，導(dǎo)致頁(yè)巖萌生微裂縫。近年來(lái)，也有眾多學(xué)者考慮了加熱速率對(duì)巖石熱致裂的影響來(lái)開展室內(nèi)實(shí)驗(yàn)（表4）。本文干燥頁(yè)巖重復(fù)升溫加熱過(guò)程采用5°C/min 的加熱速率，含水頁(yè)巖重復(fù)升溫?zé)峒げ捎?0°C/min 的加熱速率。加熱速率低于5°C/min 時(shí)，微裂縫萌生受溫度單獨(dú)作用，與巖芯內(nèi)外部溫度梯度無(wú)關(guān)。當(dāng)加熱速率高于10°C/min時(shí)，巖芯熱誘導(dǎo)裂縫的萌生是溫度和內(nèi)外溫差所產(chǎn)生的熱應(yīng)力共同作用所致。

表4 巖石熱處理實(shí)驗(yàn)加熱速率Tab.4 Experimental heating rate about rock heat treatment

4 結(jié)論

（1）相比干燥頁(yè)巖加熱，含水頁(yè)巖熱激更易創(chuàng)生裂縫，滲透率增幅更大，聲波速率降幅更大。

（2）干燥頁(yè)巖5°C/min 加熱的熱致裂閾值溫度在600°C以上，加熱至700°C時(shí)滲透率增加3～5 倍；升溫速率由5°C/min 提升至10°C/min，含水頁(yè)巖熱致裂閾值溫度在200～300°C，滲透率顯著提升。

（3）滯留壓裂液在頁(yè)巖儲(chǔ)層升溫?zé)峒み^(guò)程中強(qiáng)化水-巖與熱蒸氣壓作用，降低熱致裂閾值溫度，促使頁(yè)巖在較低溫度下致裂增滲。