李強，卜青鋒

1．吉林大學 建設工程學院，長春 130026；2．油頁巖地下原位轉(zhuǎn)化與鉆采技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實驗室，長春 130026；3．頁巖油氣資源勘探開發(fā)省部共建協(xié)同創(chuàng)新中心，長春 130026；4．自然資源部復雜條件鉆采技術(shù)重點實驗室，長春 130026

0 引言

油頁巖是一種含有大量灰分與少量固體有機質(zhì)的沉積巖，主要成分為油母質(zhì)、黏土礦物[1]。油頁巖資源的利用方式，主要分為地表干餾與原位開采[2]，油頁巖原位開采具有經(jīng)濟性好、占地少和環(huán)保等優(yōu)勢，因此成為相關學者的重點研究方向。在吉林大學扶余油頁巖原位轉(zhuǎn)化試驗工程中發(fā)現(xiàn)[3]，通過向地下油頁巖目標礦層注熱，原位裂解油頁巖生產(chǎn)油氣，對循環(huán)返上地面的油氣進行分析，在加熱的初期，油氣運移的上返量與運移的速度都保持在一個合理的水平;伴隨加熱時間的增加，油氣的產(chǎn)量開始下降，推斷可能是油頁巖發(fā)生熱膨脹現(xiàn)象，導致地層內(nèi)部裂紋擴展速度減慢甚至使裂紋閉合，限制了油氣運移[4]。

前人對油頁巖的熱膨脹特性進行了大量的研究。Frederick et al.[5]研究干酪根含量及樣品層理結(jié)構(gòu)對油頁巖熱膨脹的影響，結(jié)果表明：熱膨脹隨干酪根含量的增長而增加；對各種等級壓縮載荷下，油頁巖不同層理方向的熱膨脹進行測量，結(jié)果表明增加壓縮載荷會降低最大熱膨脹量。孫可明等[6]發(fā)現(xiàn)油頁巖受熱時，隨溫度升高，油頁巖膨脹量不斷增大。溫度升高至熱解溫度之后，有機質(zhì)熱解造成的體積膨脹產(chǎn)生膨脹力，會引起一次較大的熱膨脹。王越等[7]通過靜態(tài)熱機械分析法(TMA)對取自樺甸大城子礦的3塊油頁巖樣本進行熱膨脹性質(zhì)研究。分別對其平行層理面和垂直層理面室溫至600℃范圍內(nèi)的熱膨脹特性進行測定，結(jié)果表明隨著有機質(zhì)含量升高，油頁巖的熱膨脹度增大；與垂直層理面的熱膨脹度相比，平行層理面的熱膨脹度較小[8]。于永軍等[9]測試了不同溫度下?lián)犴樣晚搸r垂直及平行層理方向的熱膨脹系數(shù)。室溫(25℃)時，垂直層理方向比平行層理方向熱膨脹系數(shù)多約0.6倍，室溫至300℃范圍內(nèi)，熱膨脹系數(shù)隨溫度升高起伏不定。上述研究都是油頁巖的熱膨脹特性的定性分析，缺乏油頁巖在原位狀態(tài)下的溫度、圍壓、層理結(jié)構(gòu)的分析，不利于解決原位轉(zhuǎn)化試驗中的實際問題。筆者在前人研究的基礎上，模擬油頁巖原位狀態(tài)的條件下油頁巖熱膨脹變化量，探索原位狀態(tài)下油頁巖熱膨脹的變化規(guī)律，提出防止熱膨脹的措施建議，為原位轉(zhuǎn)化技術(shù)進一步發(fā)展提供理論支持。

1 實驗過程

1.1 油頁巖力學性質(zhì)試驗

鉆取位于扶余油頁巖原位轉(zhuǎn)化試驗工程現(xiàn)場480～500 m處的原位巖芯標準巖樣，分別進行了原始油頁巖單軸抗壓強度及變形實驗和弱面抗剪切實驗以及抗拉強度實驗。得到油頁巖標準試樣的實驗結(jié)果及有關數(shù)據(jù)，計算出油頁巖在平行于層理和垂直于層理兩個方向上的抗壓強度、抗拉強度、抗剪強度、法向應力、彈性模量和泊松比等基本力學數(shù)據(jù)。

1.2 油頁巖熱膨脹試驗

熱膨脹系數(shù)測試采用德國NETZSCH公司的熱膨脹儀(DIL)。將油頁巖樣品加工成直徑6 mm，高25 mm的圓柱形試件，將試件按照平行層理和垂直方向?qū)永矸殖蓛山M，進行熱膨脹系數(shù)測試。在氬氣保護下，以3℃/min的升溫速率加熱到300℃，之后經(jīng)過軟件處理可得25～300℃內(nèi)熱膨脹系數(shù)。

1.3 熱物理性質(zhì)測定試驗

采用瑞典Hot Dist公司導熱分析儀(2500S)測試導熱系數(shù)。將油頁巖加工成邊長為10 mm、厚度為3 mm正方形試件，將厚度按照平行層理方向和垂直層理方向分成兩組，進行測試。分別測試油頁巖在25℃、50℃、100℃、150℃、200℃、250℃和300℃時的導熱系數(shù)、比熱容。

1.4 油頁巖熱重試驗

TG分析采用STA--449F3熱分析儀。在氮氣氣氛保護下，以50 mL/min的流量，10℃/min的升溫速率，從30℃開始升溫，終止溫度800℃，試驗樣品質(zhì)量15 mg。

2 實驗結(jié)果

2.1 力學結(jié)果

通過對圖1中油頁巖在水平層理和垂直層理方向上的參數(shù)對比，發(fā)現(xiàn)無論在哪個方向上，油頁巖強度為σ抗壓>σ抗剪>σ抗拉，并且其抗壓強度遠大于抗拉強度，該結(jié)論與嚴軒辰博士觀點相同[10]。水平層理方向的抗壓強度、抗拉強度均大于垂直層理方向的相應參數(shù);相反垂直層理方向的泊松比和彈模均大于水平層理方向的相應參數(shù)，故選取平均值作為接下來模擬的力學參數(shù)。

a組為抗拉強度；b組為抗壓強度；c組為抗剪強度。圖1 油頁巖的力學性能Fig.1 Mechanical properties of oil shale

2.2 熱膨脹結(jié)果

測得結(jié)果如圖2所示，25℃時，各個試件平行層理方向熱膨脹系數(shù)分別為1.16×10-5/K,1.15×10-5/K和1.90×10-5/K，平均值為1.40×10-5/K；垂直層理方向為2.32×10-5/K、2.35×10-5/K和2.41×10-5/K，平均值為2.36×10-5/K，垂直層理熱膨脹系數(shù)約是平行層理方向的1.7倍。其余測量溫度下，熱膨脹系數(shù)都呈現(xiàn)這種趨勢，可以看出油頁巖在垂直層理方向熱膨脹性能優(yōu)于平行層理方向。

圖2 油頁巖熱膨脹系數(shù)曲線Fig.2 Thermal expansion coefficient curves of oil shale

2.3 熱物理性質(zhì)結(jié)果

同溫度下，平行層理導熱系數(shù)平均值為1.84 W/(m·K),垂直層理為1.00 533 W/(m·K),平行層理方向?qū)嵯禂?shù)約為垂直層理方向的1.8倍。兩組試件平均導熱系數(shù)均隨溫度增高而降低，且平行層理導熱系數(shù)始終大于垂直層理。由于油頁巖自身較強的致密性，使得導熱系數(shù)整體呈現(xiàn)遞減趨勢。

兩種巖樣的比熱容：1號巖樣實驗結(jié)果為1 987 J/(kg·℃)，2號巖樣實驗結(jié)果為2 380 J/(kg·℃)。引起這種變化的原因與油頁巖自身的孔隙率有關?？紫吨械臍?、液體對比熱容的影響較大。同時經(jīng)實驗測得比熱容在20～1 000℃范圍沒有明顯變化。

2.4 熱重曲線結(jié)果

油頁巖的失重TG--DTG曲線如圖3所示。徐紹濤博士的觀點為[11]，將油頁巖熱解曲線大體上劃分為3個階段，分別為：低溫失重段、中溫失重段和高溫失重段。其中低溫失重段又根據(jù)引起失重的主要因素分為3個部分：100～150℃，失重由油頁巖中的自由水蒸發(fā)所引起；150～250℃，失重率約0.4%，失重由油頁巖中的礦物間結(jié)晶水所引起；250～300℃，失重率約0.6%，則是較高成熟度的有機質(zhì)裂解所引起。

圖3 N2氣氛下油頁巖TG--DTG曲線圖Fig.3 TG--DTG curves of oil shale in N2 atmosphere

3 數(shù)值模擬

為了擴大油頁巖熱膨脹影響因素的研究范圍并簡化計算過程，通過ANSYS軟件建立油頁巖模型，對不同條件下的熱膨脹并進行仿真模擬，探究溫度、層理結(jié)構(gòu)和圍壓對油頁巖熱膨脹的影響，為原位開采技術(shù)的現(xiàn)場施工提供理論參考。

3.1 模型建立

模型范本選用扶余油頁巖原位試驗工程鉆取油頁巖，該地區(qū)油頁巖資源優(yōu)質(zhì)，根據(jù)位于480～500 m處的原位巖芯測試，其平均含油率為5.3%，有機質(zhì)含量約為5.72%，其中飽和烴占45.4%，芳烴占17.3%。該地區(qū)油頁巖中的黏土礦物主要為伊利石、蒙脫石等膨脹性黏土成分，黏土礦物總含量為35%[12]。構(gòu)建一個直徑50 mm，高100 mm的圓柱體模型，假設圓柱體的圓面為平行層理面方向，長度方向為垂直層理方向[13]。根據(jù)上述測定的各項參數(shù)(表1)、熱膨脹系數(shù)(圖2)及導熱系數(shù)線性公式，設置平行層理方向和垂直層理方向各自的油頁巖參數(shù)，建立油頁巖模型如圖4所示。

圖4 油頁巖模型示意圖Fig.4 Schematic diagram of oil shale simulation model

表1 油頁巖力學參數(shù)表Table 1 Mechanical parameters of oil shale

平均導熱系數(shù)線性擬合公式為[14]：

(1)

式中：KH為平行層理平均導熱系數(shù)；KV為垂直層理平均導熱系數(shù)。

3.2 網(wǎng)格劃分及條件設置

通過ANSYS軟件中Mesh進行網(wǎng)格劃分，模型結(jié)構(gòu)規(guī)則用映射網(wǎng)格，所建模型為三維有限元規(guī)則體模型，采用映射網(wǎng)格劃分，以2 mm為單元尺寸對模型進行網(wǎng)格劃分，六面體網(wǎng)格劃分后共266 969個節(jié)點，64 413個單元。選用Steady--State Thermal、Static Structural兩個模塊，并將后者鏈接到前者的Solution模塊，對油頁巖的熱膨脹進行模擬。

對于模型邊界條件的選擇主要考慮油頁巖在地下原位狀態(tài)下所受溫壓條件，由于在此狀態(tài)中油頁巖始終處于水平方向有側(cè)壓力、豎直方向上部有上覆巖體壓力狀態(tài)，因此對模型設置不同的溫壓條件，來表示油頁巖所處不同的地層深度，選擇圓柱體上底面作為本次模擬傳熱模型的邊界條件。

3.3 溫度對油頁巖變化量的影響

在不施加圍壓的狀態(tài)下，選擇5個溫度100℃、150℃、200℃、250℃和300℃，分別對油頁巖模型平行(垂直)層理方向的熱膨脹進行觀察，得到的熱膨脹量如圖5所示。

a～e分別為100℃、150℃、200℃、250℃和300℃平行層理方向的熱膨脹變化量；f～j分別為100℃、150℃、200℃、250℃和300℃垂直層理方向的熱膨脹變化量。圖5 0 MPa不同溫度下的熱膨脹變化量Fig.5 Variation of thermal expansion at different temperatures under 0 MPa

觀察油頁巖熱膨脹仿真模擬，不施加圍壓時，主導油頁巖熱膨脹變化量的主要因素是溫度。由圖5所示，平行層理方向最小熱膨脹量為100℃時的0.036 9 mm，增大至300℃時，達到最大值0.098 9 mm；垂直層理方向最大熱膨脹量為100℃時的0.169 9 mm，增大至300℃時，達到最大值0.675 6 mm。油頁巖熱膨脹變化量從100～300℃，整體增加了約3倍。根據(jù)油頁巖TG和DTG曲線中可知，由室溫至300℃屬于低溫失重階段，溫度升高，平行層理方向和垂直層理方向的熱膨脹系數(shù)都呈現(xiàn)出增加的趨勢，溫度越高，熱膨脹系數(shù)越大，熱膨脹變化量越大，導致油頁巖礦體的熱穩(wěn)定性變?nèi)?，不利于地下油頁巖礦體密閉環(huán)境的保持。由圖3可知，低溫失重的熱膨脹變化大致分為3個階段：第一階段，100～150℃，溫度升高，油頁巖結(jié)構(gòu)中原子受熱，核內(nèi)質(zhì)子和中子以及核外電子呈現(xiàn)為粒子運動的加速狀態(tài)，宏觀表現(xiàn)為熱膨脹；第二階段，150～250℃，此時油頁巖孔裂隙中水分相態(tài)發(fā)生改變，內(nèi)部的自由水與結(jié)晶水，由液態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)，體積增大使得油頁巖產(chǎn)生體積膨脹，隨著水分完成析出，兩相流體階段結(jié)束；第三階段，250～300℃，油頁巖內(nèi)部熱膨脹的動力來源開始發(fā)生轉(zhuǎn)變，部分熟化程度高的干酪根開始裂解，產(chǎn)生大量油、氣，為熱膨脹提供更加強大的動力。從原位試驗來看，這種現(xiàn)象表現(xiàn)為體積膨脹，當實驗對象從巖芯尺度放大到儲層規(guī)模時，膨脹變化量將變得十分可觀，一定程度上對工程前期的壓裂工程產(chǎn)生的裂縫，造成一定的封閉效果，大大降低油氣運移的效率。

3.4 不同圍壓對于油頁巖熱膨脹變化量的影響

對油頁巖模型分別施加2.5 MPa、5 MPa及10 MPa壓力，并測量100℃、150℃、200℃、250℃和300℃溫度下油頁巖模型的熱膨脹量(圖6～8)。

根據(jù)上述圖6～8可知 ，不施加圍壓時油頁巖的熱膨脹量最大，當圍壓為2.5 MPa，平行和垂直層理方向的最大熱膨脹量分別減小到0.050 1 mm、0.140 3 mm；圍壓升高至5 MPa，這種趨勢更加明顯；圍壓增大至10 MPa，油頁巖壓縮量分別為0.096 0 mm、1.465 9 mm。在整個升溫過程中，無論是平行層理方向還是垂直層理方向，隨著油頁巖外部壓力的增大，膨脹量都有所減小，熱膨脹減小量依次為10 MPa>5 MPa>2.5 MPa，施加油頁巖的壓力過大時，膨脹變?yōu)閴嚎s。其原因主要分為兩個方面：第一方面，油頁巖施加的圍壓會與升溫過程中產(chǎn)生的膨脹力相互抵消，從而削弱油頁巖的熱膨脹力，減小熱膨脹量；另一方面，油頁巖施加圍壓使得油頁巖的內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加緊湊，當溫度升高，油頁巖內(nèi)部受熱引起的原子晶格振動作用會大大減弱，進而在宏觀上表現(xiàn)為膨脹變化量減小。原位試驗中，如果圍壓超過油頁巖本身的力學強度，會導致油頁巖沿層理方向連續(xù)性拉裂，導致原位注氣的封閉體系破壞。

a～e分別為100℃、150℃、200℃、250℃和300℃平行層理方向的熱膨脹變化量；f～j分別為100℃、150℃、200℃、250℃和300℃垂直層理方向的熱膨脹變化量。圖6 2.5 MPa下不同溫度的熱膨脹變化量Fig.6 Variation of thermal expansion at different temperatures under 2.5 MPa

a～e分別為100℃、150℃、200℃、250℃和300℃平行層理方向的熱膨脹變化量；f～j分別為100℃、150℃、200℃、250℃和300℃垂直層理方向的熱膨脹變化量。圖7 5 MPa下不同溫度的熱膨脹變化量Fig.7 Variation of thermal expansion at different temperatures under 5 MPa

a～e分別為100℃、150℃、200℃、250℃和300℃平行層理方向的熱膨脹變化量；f～j分別為100℃、150℃、200℃、250℃和300℃垂直層理方向的熱膨脹變化量。圖8 10 MPa下不同溫度下的熱膨脹變化量Fig.8 Variation of thermal expansion at different temperatures under 10 MPa

3.5 層理結(jié)構(gòu)對于油頁巖熱膨脹變化量的影響

分別以不同溫度和壓力下平行層理方向、垂直層理方向的熱膨脹變化量建立坐標系(圖9)。

a．平行層理方向變形量；b．垂直層理方向變形量。圖9 層理結(jié)構(gòu)對熱膨脹變化量的影響曲線Fig.9 Influence curves of bedding structure on thermal expansion change

由100～300℃內(nèi)的熱膨脹變化量(圖9)可知。首先，無論是否對油頁巖施加圍壓，油頁巖熱膨脹量都呈現(xiàn)增大趨勢，根據(jù)3.3分析可知，這種趨勢主要取決于溫度；其次，無論對哪個方向施加圍壓，油頁巖熱膨脹變化量都依次為0 MPa>2.5 MPa>5 MPa>10 MPa，相同條件下，圍壓的影響程度很小。所以，忽略溫度與圍壓兩個因素對油頁巖熱膨脹變化量影響，進一步推斷可知，層理結(jié)構(gòu)使油頁巖熱膨脹變化量在不同方向上有較大的差異，其影響表現(xiàn)為兩個方面：第一方面，受溫度升高的影響，油頁巖的熱膨脹系數(shù)不斷增大，比熱容也隨之增大，同時平行層理主要成分為油、氣及有機質(zhì)軟化的黏性液體，在垂直層理多為碳酸鹽類的固體骨架，根據(jù)傳熱學原理，熱量在固體傳遞過程中效果要優(yōu)于在氣、液體中的傳遞效果，隨著溫度升高，平行層理方向的比熱容增速大于垂直層理方向上比熱容的增速，導致二者比熱容的差異上進一步加大，進而增大了熱膨脹的差異；另一方面，油頁巖是一種沉積巖，在沉積作用下導致油頁巖內(nèi)部的孔裂隙，大多數(shù)呈順層理方向排列，使得平行層理方向的氣孔數(shù)量要多于垂直層理方向，導致平行層理方向的抗剪切強度要弱于垂直層理方向，受熱產(chǎn)生的氣體膨脹更容易造成平行層理方向的破壞，使得氣液多沿狹長孔長軸方向更容易釋放，氣液引起的膨脹壓力減小，引起的熱膨脹也隨之減??；相反在垂直層理方向上，抗剪切強度更強，受熱產(chǎn)生的氣體膨脹較難對其造成破壞，從而氣液垂直于狹長孔方向排出更加困難，氣液引起的膨脹壓力增大，引起的熱膨脹也隨之增大。原位試驗中，可通過加快裂解油氣運移的方式，減小垂直層理方向熱膨脹的內(nèi)動力，減小膨脹對原位開采的影響。

4 油頁巖原位防膨脹措施建議

綜上所述，溫度、圍壓和層理結(jié)構(gòu)是影響熱膨脹變化量的重要因素。對于油頁巖原位裂解來說，膨脹會導致注氣、傳熱、區(qū)域穩(wěn)定和油氣驅(qū)替的狀態(tài)發(fā)生變化。結(jié)合已成熟的技術(shù)對實施原位防膨脹措施提出3個方面的建議，實際情況還需要依據(jù)野外現(xiàn)場進行實施。

4.1 控制原位裂解溫度

原位裂解油頁巖需要將油頁巖礦層加熱至裂解溫度以上，需要將溫度傳感器放置在監(jiān)測井中，實施監(jiān)測油頁巖礦層溫度，便于控制加熱情況。工藝中，要控制注入的熱載體溫度和流量，使注熱介質(zhì)平穩(wěn)均勻注入，保障油頁巖有一定裂解速度，且裂解區(qū)域的溫度均勻。

4.2 控制原位儲層圍壓

儲層圍壓增大，可以減少油頁巖的熱膨脹量。但壓力過高可能會導致地層破裂，破壞密閉的加熱環(huán)境，增加裂解的難度。工藝中，需要采取裂解區(qū)域封閉措施，保證注氣過程中較高的地層背壓，區(qū)域封閉可使用冷凍墻技術(shù)[15]、氣驅(qū)帷幕技術(shù)和注漿帷幕技術(shù)[16]等相關技術(shù)；注氣過程中要控制注氣壓力，在地層背壓允許的情況下，盡量增大注氣壓力。

4.3 控制原位層理膨脹內(nèi)部驅(qū)動力

油頁巖層理結(jié)構(gòu)對于熱膨脹變化量有著十分重要的影響，油氣驅(qū)替減慢會為垂直層理方向的膨脹提供內(nèi)部驅(qū)動力，而膨脹又會反向影響油氣驅(qū)替，所以改善油頁巖孔裂隙狀態(tài)，將加快孔裂隙的氣液流動，并極大改善油頁巖垂直層理方向的膨脹。從原位開采的角度分析，油頁巖熱膨脹對開采區(qū)域的儲層改善有極大影響，并提高原位開采的采收率。儲層改造可使用可控沖擊波技術(shù)[17]、酸化壓裂技術(shù)[18]和定向壓裂技術(shù)等相關技術(shù)。

5 結(jié)論

(1)溫度、圍壓和層理結(jié)構(gòu)是油頁巖熱膨脹的主要因素。溫度在室溫至300℃對熱膨脹的影響主要分為3個階段，分別由晶格振動、水分相變及部分有機質(zhì)裂解所引起；圍壓對熱膨脹從兩個方面產(chǎn)生影響，第一，圍壓會與內(nèi)部的膨脹力相互抵消；第二，圍壓讓油頁巖的內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加緊湊，平行層理方向熱膨脹小于垂直層理方向。

(2)油頁巖地下原位裂解可以從溫度、圍壓及內(nèi)部驅(qū)動力3個方面進行調(diào)控，在扶余野外現(xiàn)場通過3方面調(diào)控，緩解了熱膨脹帶來的阻礙，但影響機制未明，尚需研究。