徐興倩,劉 劍,屈 新,張新啟,竇思軍

(1.云南農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利學(xué)院，昆明 650201； 2.山西能源學(xué)院 地質(zhì)測(cè)繪工程系，山西 晉中 030600；3.河北工程大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院，河北 邯鄲 056038； 4.太原理工大學(xué) 原位改性采礦教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原 030024； 5.安陽工學(xué)院 土木與建筑工程學(xué)院，河南 安陽 455000)

1 研究背景

原位熱解是油頁(yè)巖新興開采技術(shù)，其通過原位注熱方式，使油頁(yè)巖在原位熱解為頁(yè)巖油和氣態(tài)產(chǎn)物，是未來油頁(yè)巖開發(fā)利用的重要方式。與傳統(tǒng)開采方式相比，油頁(yè)巖原位熱解不需要將礦產(chǎn)采掘至地表就可以獲取油氣，具有工藝流程少、成本低、開采率高、占地少等優(yōu)點(diǎn)。盡管如此，該開采方式仍會(huì)給采區(qū)水文地質(zhì)環(huán)境帶來一定影響，主要表現(xiàn)為熱解后油頁(yè)巖物理力學(xué)特性弱化誘發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害，如彈性模量、泊松比等力學(xué)參數(shù)的變化誘發(fā)的地面沉降、地下水污染等[1]。

近年來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)油頁(yè)巖熱解條件下力學(xué)特性的變化規(guī)律開展了相關(guān)研究。如：孫可明等[2](2008)認(rèn)為油頁(yè)巖熱解產(chǎn)物析出及油頁(yè)巖結(jié)構(gòu)弱化是造成油頁(yè)巖力學(xué)特性弱化的原因。Eseme等[3](2012)發(fā)現(xiàn)溫度對(duì)油頁(yè)巖的力學(xué)性能產(chǎn)生極大影響，溫度升高導(dǎo)致強(qiáng)度和彈性模量降低，且強(qiáng)度隨溫度的升高而呈對(duì)數(shù)降低。姜雪[4](2014)利用點(diǎn)載荷試驗(yàn)測(cè)定了油頁(yè)巖熱解前后的強(qiáng)度、內(nèi)摩擦角及內(nèi)聚力，發(fā)現(xiàn)熱解后的油頁(yè)巖力學(xué)特性發(fā)生了明顯弱化。趙靜[5](2014)對(duì)不同溫度作用后的油頁(yè)巖進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)油頁(yè)巖的單軸抗壓強(qiáng)度、彈性模量隨溫度的升高呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)，泊松比隨溫度的升高基本呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)。Rao和Kumar[6-7](2015)研究了油頁(yè)巖力學(xué)特性與溫度和有機(jī)質(zhì)含量的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)溫度和有機(jī)物含量的增加會(huì)導(dǎo)致強(qiáng)度和楊氏模量的降低。Bai等[8](2017)研究了100～800 ℃下樺甸油頁(yè)巖孔隙結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生和演變，結(jié)果表明：溫度能顯著影響孔隙結(jié)構(gòu)演化，油頁(yè)巖孔隙率和滲透率均隨溫度的升高而增大，油氣等產(chǎn)物的析出會(huì)增強(qiáng)孔隙粗糙度和表面不規(guī)則性。Geng等[9](2017)利用顯微 CT 技術(shù)分析在不同溫壓條件下熱解后的油頁(yè)巖試件的裂縫結(jié)構(gòu)演化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)溫度和壓力的耦合作用促進(jìn)了油頁(yè)巖試件的熱解破裂程度，使得裂縫分布范圍更廣。劉洪鵬等[10-11](2017)通過管式爐燃燒試驗(yàn)研究了油頁(yè)巖官能團(tuán)演化及其破碎特性。耿毅德[12](2018)對(duì)不同層理方位油頁(yè)巖的力學(xué)特性進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)油頁(yè)巖層理面為天然軟弱面，導(dǎo)致油頁(yè)巖的力學(xué)特性表現(xiàn)出明顯的各向異性。

綜上所述，目前研究成果主要集中于油頁(yè)巖熱解前后力學(xué)特性的對(duì)比分析及討論，關(guān)于油頁(yè)巖力學(xué)特性隨熱解程度變化的研究卻鮮有報(bào)道。本文開展了油頁(yè)巖熱解過程中彈性模量的變化規(guī)律試驗(yàn)研究，根據(jù)油母質(zhì)熱解導(dǎo)致油頁(yè)巖彈性模量變化的機(jī)理，建立熱解反應(yīng)速率方程，提出了油頁(yè)巖熱解過程中的彈性模量定量計(jì)算模型。對(duì)預(yù)測(cè)油頁(yè)巖原位熱解導(dǎo)致的采區(qū)水文地質(zhì)環(huán)境變化具有重要意義。

2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)樣品取自新疆吉木薩爾，采用定制鉆頭將大塊油頁(yè)巖順層理加工成Φ7.5 mm×15 mm的試件，并對(duì)試樣兩端打磨處理，保證其平整性，以供試驗(yàn)備用。

2.1 油頁(yè)巖熱解失重試驗(yàn)

如圖1所示，開啟熱重分析儀(SETSYS Evolution 16/18)，清零坩堝質(zhì)量，將研磨好的油頁(yè)巖試樣(粒徑≤0.2 mm)放置于坩堝中，然后緩慢送入高純氬氣(純度99.99%)作為載氣，并稱量樣品質(zhì)量。設(shè)定好升溫速率(30 ℃/min)和終溫(650 ℃)，啟動(dòng)加熱爐，在加熱過程中，計(jì)算機(jī)將自動(dòng)記錄油頁(yè)巖的質(zhì)量變化數(shù)據(jù)。

圖1 熱重分析儀Fig.1 Thermal gravimetric analyzer

圖2 電子萬能試驗(yàn)機(jī)Fig.2 Universal electronictesting machine

2.2 單軸壓縮試驗(yàn)

將用鋁箔紙包裹好的油頁(yè)巖試件放置于馬弗爐內(nèi)加熱，并依次調(diào)節(jié)溫度檔為200、350、400、450、500、600 ℃，加熱時(shí)間均為60 min，每個(gè)條件下的樣品各3～4組，加熱完成后依次將其取出并冷卻至室溫。

篩選沒有明顯裂紋的油頁(yè)巖試件，用電子萬能試驗(yàn)機(jī)(WDW-100，如圖2所示)以恒定的加載速率(0.02 mm/min)進(jìn)行壓縮破壞，由計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)自動(dòng)記錄不同熱解條件下油頁(yè)巖的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

3 熱解過程中油頁(yè)巖彈性模量變化定量關(guān)系分析

3.1 油頁(yè)巖熱解過程中彈性模量變化機(jī)理

油頁(yè)巖中的油母質(zhì)熱解產(chǎn)生頁(yè)巖油以及相關(guān)氣態(tài)產(chǎn)物，隨著熱解產(chǎn)物的析出，油頁(yè)巖內(nèi)部的孔隙壓力減小，有效應(yīng)力增大，在外部圍巖的作用下油頁(yè)巖被壓縮，該過程直接表現(xiàn)為彈性模量的改變及油頁(yè)巖骨架強(qiáng)度的降低[6,13]。因此，熱解過程中油母質(zhì)的減少以及骨架強(qiáng)度的降低是油頁(yè)巖抗壓強(qiáng)度和彈性模量弱化的主要原因。

設(shè)油頁(yè)巖熱解前的彈性模量和抗壓強(qiáng)度分別為E0和σ0，骨架強(qiáng)度為σ0′，熱解前由油母質(zhì)提供的孔隙壓力為u；熱解過程中油頁(yè)巖的抗壓強(qiáng)度和彈性模量分別為σt和Et，骨架強(qiáng)度的衰減量為Δσ，油母質(zhì)析出所產(chǎn)生的孔隙壓力減少量為Δu，熱解過程中油頁(yè)巖骨架強(qiáng)度為σ′，熱解過程中由油母質(zhì)提供的孔隙壓力為ut，油母質(zhì)的熱解轉(zhuǎn)化率為α。在相同應(yīng)變的情況下，有如下方程：

其中，油頁(yè)巖熱解前的彈性模量E0、抗壓強(qiáng)度σ0及熱解過程中的骨架強(qiáng)度σ′可由單軸壓縮試驗(yàn)直接測(cè)得；熱解前的骨架強(qiáng)度σ0′可由骨架強(qiáng)度擬合關(guān)系式間接計(jì)算獲得，熱解轉(zhuǎn)化率α可由油頁(yè)巖熱解反應(yīng)速率方程求得。

3.2 油頁(yè)巖熱解反應(yīng)速率方程的建立

運(yùn)用Coats-Redfern(C-R)法[13-15]，對(duì)油頁(yè)巖熱解反應(yīng)所測(cè)得的質(zhì)量-溫度曲線進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析。該方法所遵循的動(dòng)力學(xué)方程式為

k=Ae-D/(RT)。

(3)

獲得任意溫度T下的油頁(yè)巖熱解反應(yīng)速率方程，即

(4)

有研究[13]表明，油頁(yè)巖熱解可按一級(jí)反應(yīng)予以描述，故式(4)可變?yōu)?/p>

(5)

對(duì)式(5)積分可得

α=1-e-kt。

(6)

此式即為恒溫條件下油母質(zhì)轉(zhuǎn)化率α與時(shí)間的函數(shù)關(guān)系。其表達(dá)式為

(7)

式中：w0為油頁(yè)巖樣品的初始質(zhì)量；wT為溫度為T時(shí)的油頁(yè)巖樣品質(zhì)量；w∞為熱解反應(yīng)終止時(shí)殘留物的質(zhì)量。

4 試驗(yàn)結(jié)果與驗(yàn)證

4.1 油頁(yè)巖熱解失重試驗(yàn)結(jié)果分析

圖3為吉木薩爾油頁(yè)巖熱解TG曲線(油頁(yè)巖熱解前后質(zhì)量比TG與溫度T關(guān)系曲線)。

圖3 吉木薩爾油頁(yè)巖熱解TG曲線Fig.3 Pyrolysis TG curves of oil shale in Jimusar

從圖3可以明顯看出油頁(yè)巖熱解經(jīng)歷了3個(gè)不同階段：①溫度在0～350 ℃，樣品質(zhì)量緩慢下降，變化幅度較小。該階段失重原因在于油頁(yè)巖水分析出。②溫度在350～600 ℃，樣品質(zhì)量快速大幅降低。該階段失重原因在于油頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)熱解產(chǎn)生頁(yè)巖油及氣態(tài)產(chǎn)物。③溫度超過600 ℃，樣品質(zhì)量下降速度明顯放緩，但快于第①階段。普遍認(rèn)為該階段是油頁(yè)巖中碳酸鹽受熱分解、固定碳高溫碳化產(chǎn)生揮發(fā)性氣體所導(dǎo)致的失重階段[4,14]。

4.2 油頁(yè)巖力學(xué)特性變化特征分析

表1為熱解過程中油頁(yè)巖抗壓強(qiáng)度與彈性模量變化情況，可以看出油頁(yè)巖的抗壓強(qiáng)度和彈性模量均隨著溫度的升高呈先小幅降低、后大幅降低、再緩慢降低的變化趨勢(shì)。

450、500、600 ℃加熱60 min條件下油頁(yè)巖已經(jīng)熱解完全，但其抗壓強(qiáng)度和彈性模量進(jìn)一步減小，這說明在高溫條件下油頁(yè)巖的骨架強(qiáng)度存在一定的降低。

表1 不同溫度下油頁(yè)巖力學(xué)特性Table 1 Mechanical properties of oil shale atdifferent temperatures

4.3 熱解過程中油頁(yè)巖彈性模量定量分析

4.3.1 油頁(yè)巖熱解反應(yīng)速率方程的建立

圖4 ln[-ln(1-α)/T2]-1/T線性擬合結(jié)果Fig.4 Linear fitting result of ln[-ln(1-α)/T2] versus 1/T

兩者的線性擬合方程為

y=-16 891x+8.264 9 。

(8)

基于建立的熱解反應(yīng)速率方程可知：

(9)

(10)

其中，D=140 431.7 J/mol≈140.43 kJ/mol；A=1 968 688 843.3 min-1，以溫度為變量的油頁(yè)巖熱解反應(yīng)速率方程可表示為：

(11)

在不同溫度條件下，油頁(yè)巖完全熱解，按轉(zhuǎn)化率99%計(jì)得到熱解所需時(shí)間(見表2)?？梢钥闯觯S著溫度的逐漸上升，油頁(yè)巖完全熱解所需時(shí)間急劇縮短，從350 ℃的上千分鐘，縮短到450、500 ℃的幾十分鐘、幾分鐘。

4.3.2 油頁(yè)巖熱解過程中彈性模量的計(jì)算及驗(yàn)證

對(duì)450、500、550、600 ℃下熱解的油頁(yè)巖的骨架

表2 不同溫度條件下油頁(yè)巖完全熱解所需時(shí)間Table 2 Time required for the completion of oil shalepyrolysis at different temperatures

強(qiáng)度數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，如圖5所示，擬合可以得到骨架強(qiáng)度σ′與溫度T呈線性關(guān)系，關(guān)系式為

σ′=-0.012 8T+11.367 。

(14)

圖5 油頁(yè)巖骨架強(qiáng)度和溫度的關(guān)系Fig.5 Relationship betwee strength of oil shaleand temperature

由表2可知，吉木薩爾油頁(yè)巖在溫度為350 ℃時(shí)，即開始熱解。以溫度200 ℃、加熱時(shí)長(zhǎng)60 min條件下的油頁(yè)巖抗壓強(qiáng)度和彈性模量作為熱解前的初始值，以排除水分對(duì)于孔隙壓力的影響，即

σ0=48.36 MPa，E0=4 229 MPa 。

由式(14)可算出油頁(yè)巖熱解前的骨架強(qiáng)度為

σ0′=-0.012 8×200+11.367=8.807 MPa 。

(15)

熱解前由油母質(zhì)提供的孔隙壓力為

u=σ0-σ0′=48.36-8.799 4=39.553 MPa 。

(16)

熱解過程中由油母質(zhì)提供的孔隙壓力為

ut=u(1-α)=ue-kt=39.553e-kt。

(17)

熱解過程中油頁(yè)巖的彈性模量為

(18)

按上述方法，計(jì)算不同溫度、時(shí)間條件下油頁(yè)巖的彈性模量。在同等條件下，選取350、400、450、500、600 ℃，熱解60 min的油頁(yè)巖彈性模量計(jì)算值，對(duì)比驗(yàn)證試驗(yàn)值(見表3)。

表3 熱解過程中油頁(yè)巖彈性模量計(jì)算值與試驗(yàn)值對(duì)比

Table 3 Comparison between calculated values and measured values of elastic modulus of oil shale during pyrolysis

溫度/℃試驗(yàn)值/MPa計(jì)算值/MPa相對(duì)誤差/%3504 072.803 435.5015.654001 463.501 321.709.69450608.03491.0419.24500498.25434.3612.82600397.68322.4218.92

由表3可知，油頁(yè)巖彈性模量的計(jì)算值與試驗(yàn)值比較接近，存在一定誤差。主要原因在于包裹樣品的鋁箔阻礙油頁(yè)巖熱解產(chǎn)物的析出，從而導(dǎo)致部分產(chǎn)物殘留于樣品中，使得油頁(yè)巖彈性模量的試驗(yàn)值相對(duì)略高于計(jì)算值。

4.4 試驗(yàn)結(jié)果討論與分析

(1)本研究默認(rèn)油頁(yè)巖溫度瞬間一致，實(shí)際上低溫(350 ℃)傳熱較慢，時(shí)間對(duì)誤差影響較大，而高溫(600 ℃)下巖體呈現(xiàn)塑性，誤差也較大。

(2) 通過油頁(yè)巖熱解反應(yīng)速率方程計(jì)算其彈性模量具有可行性，但試件尺寸效應(yīng)對(duì)其力學(xué)特性的影響仍需考慮。本研究對(duì)象為小型油頁(yè)巖試件，樣品內(nèi)部溫度可以在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到均一，但在現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)中，由于采區(qū)面積巨大，動(dòng)輒幾十公里，這樣大尺度的熱解對(duì)象勢(shì)必會(huì)出現(xiàn)溫度分布不均勻的現(xiàn)象。

(3)若模擬計(jì)算大尺度采區(qū)油頁(yè)巖彈性模量變化，則需要結(jié)合油頁(yè)巖導(dǎo)熱系數(shù)。先弄清油頁(yè)巖溫度分布及其變化，然后再利用本研究所建模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)采區(qū)油頁(yè)巖彈性模量變化的定量計(jì)算。

5 結(jié) 論

(1)通過單軸壓縮試驗(yàn)對(duì)不同熱解條件下油頁(yè)巖的抗壓強(qiáng)度和彈性模量進(jìn)行測(cè)定，發(fā)現(xiàn)油頁(yè)巖的抗壓強(qiáng)度和彈性模量均隨著溫度的升高而呈現(xiàn)出先小幅降低、再大幅降低、最后緩慢降低的趨勢(shì)。

(2)根據(jù)熱解過程中彈性模量的變化機(jī)理，建立其熱解反應(yīng)速率方程，提出了油頁(yè)巖彈性模量定量計(jì)算模型。理論計(jì)算值與試驗(yàn)值誤差總體較小，400 ℃時(shí)相對(duì)誤差最小。