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

中國頁巖氣資源豐富，開發(fā)潛力巨大，頁巖氣勘探開發(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，鑒于頁巖儲(chǔ)層低孔、超低滲的特點(diǎn)，頁巖氣藏以長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 頁巖氣井在壓裂筇竹寺組、龍馬溪組頁巖氣層時(shí)注入地層總液量達(dá)3 836.51 m3[4]。彭水隆頁1HF 井在長達(dá)12 d 的壓裂施工過程中累計(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巖氣藏水相圈閉損害的方法有利于頁巖氣藏的經(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（通過減小界面張力和改變儲(chǔ)層潤濕性）和物理緩解法（通過蒸發(fā)驅(qū)替或改善滲流通道）[10-13]。近年來，越來越多的學(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)于頁巖氣藏的熱處理增產(chǎn)改造技術(shù)并未在礦場中有所應(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]通過數(shù)值模擬明確了熱處理提高水力壓裂頁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)頁巖儲(chǔ)層吸附氣解吸。Hayatdavoudi 等[28]針對(duì)Pierre 頁巖氣藏獨(dú)特的地質(zhì)特征，提出了頁巖儲(chǔ)層熱壓裂的方法，該方法主要原理是通過小幅度升高壓裂液或水蒸氣溫度來形成微裂縫。

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，在頁巖等致密儲(chǔ)層熱處理過程，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)頁巖為研究對(duì)象，通過干燥頁巖重復(fù)升溫和含水頁巖重復(fù)升溫?zé)峒?shí)驗(yàn)，對(duì)比分析不同加熱過程中頁巖表觀顏色、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)升溫過程頁巖有效增滲的主要溫度范圍，探討含水富有機(jī)質(zhì)頁巖重復(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%，測試結(jié)果表明，實(shí)驗(yàn)樣品為高成熟富有機(jī)質(zhì)頁巖，黏土礦物發(fā)育。將同一塊頁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)法難以測量氣體滲透率，而測量氣體通過巖芯時(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)，在此過程中壓力在頁巖中緩慢傳遞，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。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)測出口端流量，監(jiān)測裝置如圖1所示。

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

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

干燥頁巖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），加熱過程中通入N2保持無氧環(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)測壓力隨時(shí)間的變化特征，并計(jì)算加熱后頁巖的氣體滲透率，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

含水頁巖10°C/min 重復(fù)升溫?zé)峒げ襟E為：（1）將干燥頁巖飽和蒸餾水模擬壓裂液滯留頁巖儲(chǔ)層。（2）計(jì)算每次吸水后頁巖含水率，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程，在熱激后測量頁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)測巖芯外觀的變化。（5）每一次冷卻后烘干頁巖，重復(fù)步驟（1）～（4），對(duì)頁巖實(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)過不同溫度加熱后，組成頁巖的礦物成分及結(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 干燥頁巖在經(jīng)過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 干燥頁巖重復(fù)升溫過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)加熱過程并未觀察到巖芯表面有宏觀裂縫形成，初步論證干燥頁巖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500°C時(shí)，頁巖表觀顏色變化較為明顯。

為了更直觀地呈現(xiàn)熱激過程裂縫的擴(kuò)展、萌生和貫通過程，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25～300°C的熱激可以看到，當(dāng)溫度低于150°C時(shí)，頁巖經(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 干燥頁巖重復(fù)升溫過程端面變化特征Fig.4 End face change of LMX-1 dry shale during cyclical heating period

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

除了觀察頁巖側(cè)面微裂縫的萌生及擴(kuò)展過程外，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）。未熱處理前頁巖巖芯兩個(gè)端面并沒有肉眼可觀察到的裂縫，50°C經(jīng)過第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)展過程，熱激循環(huán)次數(shù)增加至3 次，溫度超過200°C時(shí)，裂縫數(shù)量大幅增加。

圖6 LMX-3 含水頁巖重復(fù)升溫?zé)峒み^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巖受熱前后質(zhì)量變化，質(zhì)量損失率為

圖7 為頁巖質(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加熱過程為第I 階段，頁巖質(zhì)量損失率略有增加。200～400°C的加熱過程為第II 階段，頁巖質(zhì)量損失率基本不變。400～700°C的加熱過程為第III 階段，頁巖質(zhì)量損失率顯著增加。

圖7 干燥頁巖重復(fù)升溫過程質(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

干燥頁巖重復(fù)升溫過程壓力衰減特征見圖8和圖9。LMX-1 干燥頁巖未加熱前從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)加熱過程分為3 個(gè)階段，第I 階段為25～200°C，半衰期延長，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，說明氣體傳質(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，說明氣體傳質(zhì)能力增強(qiáng)。LMX-2 頁巖經(jīng)過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)升溫過程不同溫度前后干燥頁巖的滲透率大小。

表2 干燥頁巖重復(fù)升溫過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)升溫過程干燥頁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 干燥頁巖重復(fù)升溫過程滲透率變化特征Fig.10 Permeability change of dry shale during cyclical heating period

整個(gè)加熱過程LMX-1 干燥頁巖半衰期持續(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 干燥頁巖重復(fù)升溫過程壓力衰減特征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，熱激過程LMX-3 含水頁巖壓力半衰期持續(xù)降低，并未增加。為明確整個(gè)熱激過程氣體滲透率的變化特征與不同含水率對(duì)應(yīng)的頁巖增滲幅度大小，將無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)頁巖滲透性的作用（圖13）。

表3 含水頁巖重復(fù)升溫?zé)峒み^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巖滲透率變化特征，LMX-3 頁巖在熱激過程中總計(jì)飽和水5 次，含水率在1%～5%，因此，蒸氣壓對(duì)頁巖熱致裂的作用是不可忽視的一個(gè)重要因素之一。對(duì)比干燥頁巖重復(fù)升溫實(shí)驗(yàn)，可以看出，提高加熱速率，含水頁巖加熱并冷卻更易萌生裂縫，干燥頁巖重復(fù)升溫至700°C時(shí)并未觀察到肉眼可見的裂縫，而含水頁巖熱激至200°C時(shí)開始形成熱誘導(dǎo)裂縫，說明熱激增滲的方法能有效降低頁巖的閾值溫度，干燥頁巖重復(fù)升溫至700°C時(shí)，滲透率增加約3.5 倍，而對(duì)含水頁巖重復(fù)升溫?zé)峒ぶ?00°C時(shí)，頁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 含水頁巖熱激過程壓力衰減特征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程頁巖的聲波時(shí)差數(shù)據(jù)，通過式（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，在25～200°C的加熱過程中縱波速率出現(xiàn)突然增加的趨勢，這是初始加熱時(shí)頁巖孔隙空間被壓縮，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 干燥頁巖重復(fù)升溫過程聲波速率的變化Fig.14 Wave velocity change of dry shale during cyclical heating period

含水頁巖經(jīng)25～300°C重復(fù)升溫?zé)峒ず螅暡ㄋ俾收w呈降低趨勢，且降低幅度較干燥頁巖重復(fù)升溫時(shí)更大（圖15）。

圖15 LMX-3 號(hào)含水頁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），頁巖波速下降并不明顯，第3 次熱激后（200°C），頁巖縱、橫波速率急劇下降，聲波速率的變化也間接反映了熱激過程中頁巖力學(xué)強(qiáng)度在減弱，可見熱激條件下頁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），相比干燥頁巖重復(fù)升溫時(shí)的增滲閾值溫度為600～700°C（經(jīng)過重復(fù)升溫在該溫度區(qū)間并未觀察到肉眼可見的宏觀裂縫），含水頁巖重復(fù)升溫?zé)峒ぶ铝言鰸B閾值溫度要比干燥頁巖重復(fù)升溫時(shí)低大約1 倍。

3 討論

3.1 水-巖相互作用誘發(fā)頁巖熱激致裂

頁巖非均質(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)力集中使頁巖內(nèi)部萌生熱誘導(dǎo)裂縫，引發(fā)熱致裂。干燥頁巖加熱至600～700°C，滲透率僅增加3～5 倍。只考慮頁巖強(qiáng)非均質(zhì)性致裂增滲，所需溫度過高，且增滲幅度低。含水富有機(jī)質(zhì)頁巖重復(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)量和長度均增加，形成縫網(wǎng)愈發(fā)密集。因此，考慮含水頁巖熱激增滲的機(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，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。基于此，有學(xué)者[30]提出利用滯留頁巖儲(chǔ)層中壓裂液造縫的積極作用，可延長燜井時(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。

在蒸氣壓作用下頁巖微裂縫的長度和數(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]。頁巖納米級(jí)孔隙發(fā)育，對(duì)含水頁巖重復(fù)升溫?zé)峒?，納米孔相當(dāng)于微小的壓力倉，倉內(nèi)流體發(fā)生熱液作用、熱膨脹增壓都有效降低了頁巖熱致裂閾值溫度（圖16）。

圖16 頁巖水熱增壓機(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)致頁巖萌生微裂縫。近年來，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開展室內(nèi)實(shí)驗(yàn)（表4）。本文干燥頁巖重復(fù)升溫加熱過程采用5°C/min 的加熱速率，含水頁巖重復(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）相比干燥頁巖加熱，含水頁巖熱激更易創(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）滯留壓裂液在頁巖儲(chǔ)層升溫?zé)峒み^程中強(qiáng)化水-巖與熱蒸氣壓作用，降低熱致裂閾值溫度，促使頁巖在較低溫度下致裂增滲。