陳國輝，蔣 恕，李 醇，李思思，彭 鵬，莫 蘭，張鈺瑩，張魯川，張?zhí)煊?/p>

［1. 中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）構(gòu)造與油氣資源教育部重點實驗室，湖北 武漢 430074； 2. 中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）油氣勘探開發(fā)理論與技術(shù)重點實驗室，湖北 武漢 430074； 3. 中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）資源學(xué)院，湖北 武漢 430074］

美國已憑借頁巖油氣革命性技術(shù)突破和成功的商業(yè)開發(fā)，從原油和天然氣進(jìn)口國變?yōu)槌隹趪?。然而，中?020年原油對外依存度已上升至73%，已遠(yuǎn)超國際所公認(rèn)的50 %警戒線。在中國常規(guī)油氣資源產(chǎn)量逐年下降之際，加大對頁巖油氣資源的勘探和開發(fā)力度有望提高當(dāng)下國內(nèi)油氣產(chǎn)量，進(jìn)而保障能源供給并優(yōu)化調(diào)整能源結(jié)構(gòu)［1-6］。

自然資源部油氣資源戰(zhàn)略研究中心2012—2013年評價中國陸相頁巖油地質(zhì)資源量為402×108t，可采資源量為37×108t；中國石化2014 年評價中國陸相頁巖油地質(zhì)資源量為204 × 108t；中國石油2017 年評價中國中-高成熟度頁巖油資源量為132×108t。盡管不同機(jī)構(gòu)的評價存在一定差異，但就中國頁巖油資源潛力巨大這一基本認(rèn)識已達(dá)成共識。

盡管資源潛力巨大，但中國絕大多數(shù)陸相含油頁巖的成熟度偏低，儲層具有低孔、低滲的特征，加上頁巖油分子大，并且具有極性強(qiáng)和高含蠟等特點，導(dǎo)致其難以流動。盡管目前已經(jīng)通過水力壓裂等手段一定程度地增強(qiáng)了頁巖儲層孔隙連通性，但仍未獲得理想產(chǎn)能［3］，亟需新理論、新技術(shù)和新方法的誕生和發(fā)展為中國陸相頁巖油的有效開發(fā)開辟新途徑［7］。

國外在對油頁巖開發(fā)時探索了原位加熱改質(zhì)技術(shù)［8］，與地面干餾相比，原位加熱開采具有成本低、占地面積小、環(huán)境污染小的優(yōu)勢［9-10］。目前，對頁巖原位加熱改質(zhì)技術(shù)的探索主要包括電加熱、蒸汽加熱、電磁波加熱等［11-12］，其中，殼牌公司探索的原位電加熱技術(shù)最為成熟，加熱工藝和關(guān)鍵設(shè)備等技術(shù)難題已基本得到解決，并在美國科羅拉多州、加拿大阿爾伯達(dá)省、約旦等地進(jìn)行了38 個井組現(xiàn)場試驗，基本具備工業(yè)化應(yīng)用條件［13］。原位加熱改質(zhì)技術(shù)有望在未來的頁巖油大規(guī)模商業(yè)化開采中起到關(guān)鍵作用。

與國外相比，國內(nèi)對頁巖原位加熱改質(zhì)技術(shù)的研究工作起步較晚，21 世紀(jì)以來高校和科研單位才逐步開展相關(guān)研究，并且主要針對油頁巖而非頁巖油資源［14-18］。對頁巖油的探索近幾年才剛剛開始，尚處于論證、探索和初步嘗試階段，對國外技術(shù)依賴性強(qiáng)，尚未掌握核心機(jī)理，難以對原位加熱過程中頁巖儲層和原油性質(zhì)進(jìn)行有效預(yù)測，更難對增產(chǎn)效果進(jìn)行準(zhǔn)確評估。

頁巖原位加熱原位改質(zhì)過程中，有機(jī)質(zhì)和無機(jī)礦物的物理-化學(xué)綜合作用將導(dǎo)致頁巖儲層產(chǎn)生增孔致裂效應(yīng)，大幅增強(qiáng)頁巖孔和縫的連通性，改善頁巖儲層的滲透性［19］，并進(jìn)一步提高頁巖儲層中油氣的流動性和可采性。對原位加熱過程中儲層改質(zhì)效果與波及范圍的有效預(yù)測，是制定經(jīng)濟(jì)有效的加熱方案的重要前提。然而，原位加熱改質(zhì)過程中的增孔致裂過程十分復(fù)雜，目前對其機(jī)理認(rèn)識不清，加之中國陸相頁巖儲層非均質(zhì)性極強(qiáng)［20-22］，進(jìn)一步加大了對該過程的研究難度，為增孔致裂過程的有效預(yù)測以及加熱方案的合理制定帶來了巨大挑戰(zhàn)。因此，在研究頁巖油原位加熱改質(zhì)開采機(jī)理的過程中，頁巖儲層的增孔致裂機(jī)理是重要一環(huán)，也是目前研究的薄弱環(huán)節(jié)，亟需開展深入研究。

1 原位加熱過程中頁巖儲層改質(zhì)過程

頁巖主要由有機(jī)質(zhì)和無機(jī)礦物構(gòu)成，有機(jī)質(zhì)主要為干酪根和油氣，無機(jī)礦物主要包括各類粘土、碳酸鹽、石英和長石等［23-24］。在原位加熱改質(zhì)過程中，頁巖中的有機(jī)質(zhì)和無機(jī)礦物將發(fā)生一系列物理和化學(xué)作用，導(dǎo)致其產(chǎn)生增孔和致裂效應(yīng)。

1.1 頁巖受熱過程中的孔隙演化過程

高溫高壓條件將導(dǎo)致頁巖發(fā)生一系列促進(jìn)或抑制孔隙演化的成巖作用：①有機(jī)質(zhì)生烴作用，有機(jī)質(zhì)經(jīng)初次和二次裂解生成油氣，并伴隨有機(jī)酸、H2S 和CO2等酸性產(chǎn)物的生成［25］，與此同時，形成大量有機(jī)孔隙［26］；②無機(jī)礦物轉(zhuǎn)化作用，比如粘土礦物從成分上由蒙脫石（或伊/蒙混層）向伊利石轉(zhuǎn)化，形態(tài)上由片狀向絲狀、再向絮裝轉(zhuǎn)化，粘土礦物脫水收縮導(dǎo)致其晶間孔增加，有利于收縮縫的形成［27］；③溶蝕作用，有機(jī)質(zhì)裂解生成的有機(jī)酸和H2S 等酸性物質(zhì)使黃鐵礦、碳酸鹽巖、粘土礦物、石英和長石等不穩(wěn)定礦物發(fā)生溶蝕作用［5，28］，產(chǎn)生次生孔隙，但與此同時，可能會生成高嶺土、透輝石等礦物，會造成一定程度的孔隙充填［29］；④重結(jié)晶作用，有機(jī)質(zhì)裂解生成的CO2導(dǎo)致攜帶Ca2+的溶液在孔縫中重結(jié)晶而充填孔縫，導(dǎo)致頁巖儲集空間減少，但卻使得頁巖脆性增強(qiáng)，有利于增壓致裂。

1.2 頁巖受熱過程中的致裂過程

根據(jù)熱彈性力學(xué)理論，溫度改變時，物體由于外在約束以及內(nèi)在各部分之間的相互約束，使其不能完全自由脹縮而產(chǎn)生的應(yīng)力為熱應(yīng)力［30］。巖石受熱時會產(chǎn)生熱應(yīng)力，熱應(yīng)力最大值往往發(fā)生在礦物顆粒的邊界處，如果此處的熱應(yīng)力達(dá)到或超過巖石的強(qiáng)度極限（抗拉強(qiáng)度或抗剪強(qiáng)度），則沿此邊界的礦物顆粒之間的連結(jié)處斷裂并產(chǎn)生微裂紋，隨著溫度的升高，這些裂紋逐漸形成網(wǎng)絡(luò)，即產(chǎn)生熱破裂現(xiàn)象［31-32］。對頁巖進(jìn)行原位加熱改質(zhì)時，頁巖內(nèi)部顆粒、孔隙與微裂紋的強(qiáng)度較低，將在局部產(chǎn)生應(yīng)力集中，進(jìn)而發(fā)生熱破裂。現(xiàn)有研究表明，熱破裂作用在原位加熱改質(zhì)頁巖中起到了至關(guān)重要的作用［33］。

2 原位加熱中頁巖儲層改質(zhì)作用研究進(jìn)展

在原位加熱過程中，頁巖的增孔和致裂效應(yīng)往往同時發(fā)生，在研究的過程中難以將二者完全剝離，尤其在采用低溫液氮吸附、高壓壓汞、氣測孔隙度等實驗進(jìn)行測試時，所測得的孔體積和孔隙度等參數(shù)是增孔和致裂作用的綜合體現(xiàn)。

2.1 原位加熱中頁巖孔滲演化

在對烴源巖的生烴過程進(jìn)行定量研究時，國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)分別從實驗?zāi)M和數(shù)值模擬方面開展了大量研究。實驗?zāi)M方面，基于時溫互補(bǔ)原理分別開發(fā)了開放體系、封閉體系和半封閉體系等熱解實驗。在數(shù)值模擬方面，基于化學(xué)動力學(xué)原理對烴源巖生烴過程開展了定量研究［34-36］。在研究烴源巖生烴過程中所建立的理論、方法和模型仍然適用于頁巖原位加熱改質(zhì)研究。國內(nèi)外學(xué)者通過熱解實驗，確定了不同升溫階段頁巖的熱解產(chǎn)物組分，并根據(jù)產(chǎn)率的變化揭示了有機(jī)質(zhì)初次和二次裂解的動力學(xué)特征［19，37-40］。也有學(xué)者通過熱重分析確定了不同升溫階段時頁巖的重量損失，并逆向推斷出不同升溫階段所對應(yīng)的裂解作用以及該過程中的有機(jī)-無機(jī)裂解反應(yīng)進(jìn)程［41-43］。

明確頁巖孔隙演化規(guī)律是研究頁巖油氣儲集空間和賦存狀態(tài)的重要環(huán)節(jié)，為此，國內(nèi)外學(xué)者通過對自然演化和熱模擬催熟的頁巖樣品進(jìn)行孔隙表征，以闡明頁巖在不同熱演化程度時的孔隙演化規(guī)律。對人工熱催熟頁巖樣品的研究結(jié)果表明，低溫氮吸附實驗所測得的頁巖比孔容在受熱過程中明顯增大，但增幅差異較大（圖1）［44］。在無圍壓條件下對頁巖樣品進(jìn)行人工催熟處理，從低熟階段到高熟階段，伍德福德頁巖、鄂爾多斯盆地延長組7 段頁巖、四川盆地二疊系頁巖和中揚(yáng)子寒武系水井沱組頁巖比孔容可增大到原始樣品的1.8～4.2 倍，松遼盆地長嶺凹陷嫩江組二段湖相頁巖原始樣品比孔容較小，僅為0.006 5 cm3/g，當(dāng)Ro（鏡質(zhì)體反射率，最重要的有機(jī)質(zhì)成熟度指標(biāo)，用來標(biāo)定從早期成巖作用直至深變質(zhì)階段有機(jī)質(zhì)的熱演化）達(dá)到1.37 %時，比孔容陡增至0.066 4 cm3/g，當(dāng)Ro增至4.0%時，比孔容增加到原始樣品的15.7倍［29，45-48］。

圖1 人工熱催熟頁巖樣品低溫氮吸附實驗所得比孔容變化對比［29，45-48］Fig.1 Comparison of specific pore volume of artificial thermal mature shale samples obtained by nitrogen adsorption experiment at low temperature［29，45-48］

另有學(xué)者對泥巖、頁巖和油頁巖加熱至500～650 ℃，并對樣品的比孔容和孔隙度進(jìn)行測試，發(fā)現(xiàn)比孔容和孔隙度均隨加熱溫度的增高而明顯增大（圖2）［33，49-51］。其中，當(dāng)溫度高于300 ℃時，撫順油頁巖和鄂爾多斯盆地長7 段油頁巖的比孔容急劇升高，當(dāng)溫度達(dá)到400 ℃時，鄂爾多斯盆地泥巖孔隙度增幅明顯變大，因此，300 ℃和400 ℃可能分別為油頁巖和泥巖熱破裂的溫度閾值。這種孔隙體積的變化主要由生排烴、熱破裂和無機(jī)礦物演化等作用所造成［51］，但不同巖石性質(zhì)可能造成溫度閾值的差異性。

圖2 比孔容和孔隙度隨樣品加熱溫度的變化［33，49-51］Fig.2 Specific pore volume and porosity variation in samples with different heating temperatures［33，49-51］

崔景偉在覆壓條件下對樣品進(jìn)行加熱催熟，發(fā)現(xiàn)孔隙體積隨溫度的增加而增大，但達(dá)到峰值后隨溫度的升高而降低，這可能由于部分有機(jī)孔隙在圍壓作用下被壓實所致［52］。不同學(xué)者的實驗結(jié)果在微孔、介孔和宏孔的變化規(guī)律上不完全一致［53-55］，但在有機(jī)孔的貢獻(xiàn)方面可基本達(dá)成一致，即認(rèn)為有機(jī)質(zhì)的生-排烴過程所導(dǎo)致的有機(jī)孔隙演化在頁巖總孔隙演化過程中起到了至關(guān)重要的作用［47，49，56-57］，此外，無機(jī)礦物的成巖轉(zhuǎn)化也是頁巖儲層性質(zhì)改善的重要原因［45-46］。

比孔容和孔隙度的增大，必然導(dǎo)致滲透率隨之增大，實驗結(jié)果顯示，滲透率的變化與孔隙變化趨勢具有一定相似性，撫順油頁巖和新疆油頁巖樣品滲透率在300 ℃左右開始大幅升高，而鄂爾多斯盆地泥巖樣品滲透率則在450 ℃左右才開始大幅升高，油頁巖和泥巖的滲透率變化溫度閾值分別為300 ℃和450 ℃（圖3）［33，58］。

圖3 頁巖在不同圍壓條件下加熱到不同溫度時的滲透率［33，58］Fig.3 Permeability of shale heated to different temperatures under different confining pressures［33，58］

除熱破裂效應(yīng)之外，頁巖因富含有機(jī)質(zhì)而具有特殊性。在高溫加熱過程中，干酪根將發(fā)生初次裂解生成油氣分子，已經(jīng)生成的油氣分子將發(fā)生二次裂解生成分子量更小的油氣分子。這是一個油氣分子數(shù)量逐漸增多，并且平均分子量逐漸降低的過程。該過程中流體體積膨脹系數(shù)逐漸增高，流體體積發(fā)生大幅度膨脹，在孔隙中形成生烴增壓效應(yīng)［17，18，59-60］。有機(jī)碳含量為5 %、氫指數(shù)為600 mg/g 的頁巖樣品在封閉體系中進(jìn)行熱模擬實驗，體系壓力可增高至66 MPa［61］。生烴增壓效應(yīng)所蓄積的流體壓力將與熱應(yīng)力發(fā)生疊加，使熱致裂作用進(jìn)一步復(fù)雜化，對突破頁巖礦物顆粒內(nèi)部以及顆粒之間的連結(jié)力起到促進(jìn)作用，進(jìn)而加劇頁巖的熱致裂效應(yīng)。因此，在研究頁巖熱致裂效應(yīng)時，需將頁巖礦物骨架的熱破裂作用與生烴增壓致裂作用進(jìn)行耦合，綜合研究頁巖熱致裂機(jī)理及其數(shù)值模擬方法，以達(dá)到對熱致裂過程及其所伴隨的孔滲變化進(jìn)行動態(tài)定量預(yù)測的目的。

上述研究主要在關(guān)注有機(jī)質(zhì)裂解生成油、氣的過程，以及該過程中所伴隨的有機(jī)質(zhì)孔隙和粘土礦物孔隙演化，對高溫高壓條件下的酸性生烴附屬產(chǎn)物（有機(jī)酸、H2S 和CO2等）的生成及其對礦物產(chǎn)生的溶蝕作用和重結(jié)晶作用等成巖演化的影響研究相對薄弱，由該過程所導(dǎo)致的頁巖儲層增孔效果的定量化研究有待進(jìn)一步開展。

2.2 原位加熱中頁巖致裂效應(yīng)

事實上，對于巖石熱破裂作用的研究并非一個全新的課題。為了滿足油氣開發(fā)、地?zé)崮荛_發(fā)和核廢料存儲等領(lǐng)域的需求，前人已分別從實驗室物理模擬、細(xì)觀機(jī)理模擬和數(shù)值模擬等方面對砂巖、碳酸巖和花崗巖等巖石的熱破裂現(xiàn)象開展了一定研究［32，62-63］。

2.2.1 實驗研究

實驗方面，利用電液伺服材料試驗系統(tǒng)進(jìn)行溫度加載，同時檢測巖石滲透率的變化，以反映巖石的熱破裂程度。與此同時，通過聲發(fā)射記錄儀實時檢測各個溫度段的巖石破裂聲發(fā)射信號，包括聲發(fā)射事件數(shù)、能量、持續(xù)時間和振幅等參量，用以監(jiān)測不同溫度時巖石熱破裂的進(jìn)程和強(qiáng)度，并確定巖石熱破裂的溫度閾值［32，63-64］。趙 陽 升 等［65］將 細(xì) 砂 巖 由150 ℃加 溫 到300 ℃，并在高溫三軸應(yīng)力條件下檢測聲發(fā)射事件（圖4），發(fā)現(xiàn)從175 ℃開始，細(xì)砂巖聲發(fā)射事件增多，在185～203 ℃最為劇烈和密集，后間歇性減弱至230 ℃進(jìn)入相對平靜期。

圖4 高溫三軸應(yīng)力條件下細(xì)砂巖聲發(fā)射事件計數(shù)率［65］Fig.4 Acoustic emission event counting rates of fine sandstone under high temperature triaxial stress［65］

此外，通過對熱處理過的巖石樣品進(jìn)行光學(xué)顯微鏡、掃描電鏡、X 射線形貌和CT 等實驗，從微觀角度研究了巖石熱破裂過程中細(xì)紋萌生、擴(kuò)展、貫通和失穩(wěn)過程的規(guī)律以及孔裂隙結(jié)構(gòu)演化規(guī)律［66-67］。趙陽升等［68］將花崗巖加熱到不同溫度后通過CT 實驗觀測巖石的細(xì)觀變化，加熱到500 ℃時，晶體顆粒的封閉多邊形裂紋幾乎全部形成，使花崗巖呈現(xiàn)糜棱狀的晶體顆粒結(jié)構(gòu)，90%以上的熱破裂裂紋沿顆粒周邊的相對薄弱的膠結(jié)界面發(fā)生，僅有少部分裂紋穿過巖石顆粒。

此外，也有學(xué)者對于油頁巖原位加熱改質(zhì)過程中儲層物性的變化開展了一定研究，比如太原理工大學(xué)對加熱到不同階段的油頁巖進(jìn)行CT掃描，得到了油頁巖在熱解過程中的整體破裂規(guī)律，認(rèn)為油頁巖熱破裂的閾值溫度為200～300 ℃（圖5），與前文所述低溫氮吸附實驗和氦氣法孔隙度實驗得到的結(jié)果一致［69-72］。

圖5 不同溫度下油頁巖內(nèi)部最大空隙連通團(tuán)分布［72］Fig.5 Distribution diagrams of the largest pore groups connected in oil shale at different temperatures［72］

奧斯陸大學(xué)的Maya Kobchenko 等（2011）［73］將綠河頁巖從60 ℃加熱到400 ℃，采用X 射線斷層成像技術(shù)進(jìn)行觀測，結(jié)果顯示，在350 ℃左右開始產(chǎn)生裂縫，隨著溫度繼續(xù)升高，平行于頁巖層理的裂縫擴(kuò)展合并（圖6）。

圖6 加熱到391 ℃時頁巖樣品X射線斷層成像Fig.6 X-ray tomography images showing shale samples heated to 391 ℃

地質(zhì)條件下的加熱與實驗室條件下的加熱存在一定區(qū)別，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：①加熱溫度不同，地質(zhì)條件下加熱溫度可能在300 ℃或350 ℃左右，而實驗室中可達(dá)600 ℃；②升溫速率不同，地質(zhì)條件下頁巖儲層尺度大，升溫速率很大程度上取決于巖石熱傳導(dǎo)效率，而實驗室條件下頁巖樣品尺度小，升溫速率快；③圍壓不同，地質(zhì)條件下頁巖儲層處于地層壓力下，而實驗中可能在無圍壓條件下進(jìn)行。

在實驗室研究過程中，要在不同圍壓下進(jìn)行加熱，闡明圍壓對頁巖起裂規(guī)律的影響，并且，以不同的升溫速率將頁巖加熱到不同溫度，以闡明升溫速率和溫度對頁巖熱破裂的影響。在進(jìn)行地質(zhì)評價時，需要綜合考慮圍壓、加熱溫度和升溫速率的影響，從實驗室尺度跨度到地質(zhì)尺度，以便做出客觀準(zhǔn)確的預(yù)測。

2.2.2 巖石熱破裂細(xì)觀機(jī)理研究

通過宏觀實驗往往只能獲得巖石熱破裂的宏觀過程，難以揭示熱破裂的細(xì)觀機(jī)理。Cundall 率先提出可通過在顆粒流（particle flow code，簡稱PFC）離散元模擬中賦予模型熱存儲和熱傳導(dǎo)屬性［74-75］，從而模擬巖石細(xì)觀顆粒的力與運動狀態(tài)，并進(jìn)一步揭示巖石裂縫在熱-力耦合作用下的熱破裂細(xì)觀機(jī)理。在構(gòu)建基于巖石細(xì)觀組分空間分布的PFC 數(shù)值模型［76］的基礎(chǔ)上，進(jìn)行單軸壓縮模擬，確定模型力學(xué)參數(shù)。在充分考慮巖石力學(xué)與熱力學(xué)參數(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行升溫模擬，闡明巖石應(yīng)變、裂縫數(shù)量、裂縫分布形態(tài)等參數(shù)隨溫度升高的變化規(guī)律，以及應(yīng)力對巖石熱破裂的影響規(guī)律，進(jìn)而揭示熱破裂細(xì)觀機(jī)理。PFC 模擬中使用的所有本構(gòu)方程均為接觸方程，通常采用平行粘結(jié)模型表征巖石材料的膠結(jié)現(xiàn)象［77-79］（圖7）。

圖7 平行粘結(jié)模型Fig.7 Parallel bond model

在PFC 模擬中，總接觸力根據(jù)接觸面可分為切向接觸力和法向接觸力［80］：

為力矩的切向分量，N·m。

平行粘結(jié)模型可以視為梁結(jié)構(gòu)，根據(jù)梁理論［81］，在粘結(jié)周邊會產(chǎn)生最大拉應(yīng)力（σmax）和最大剪應(yīng)力（τmax）：

式中：A為粘結(jié)面的面積，m2；J為截面的極慣性矩，m4；I為截面切向的慣性矩，m4。

當(dāng)最大拉應(yīng)力大于平行粘結(jié)抗拉強(qiáng)度或者最大剪應(yīng)力大于平行粘結(jié)抗剪強(qiáng)度時，顆粒連接鍵發(fā)生斷裂，即在顆粒的粘結(jié)處產(chǎn)生裂紋。可根據(jù)拉破壞形成拉伸裂紋、剪破壞形成剪切裂紋的原則，判別優(yōu)先產(chǎn)生哪種裂紋。

采用PFC模擬所揭示的巖石熱破裂效應(yīng)隨溫度變化的發(fā)展規(guī)律及其細(xì)觀機(jī)理，將為進(jìn)一步建立或優(yōu)選模型對熱破裂作用進(jìn)行宏觀預(yù)測提供理論基礎(chǔ)和參數(shù)依據(jù)。

2.2.3 數(shù)值模擬研究

自從Dougill 于1976 年首次將損傷力學(xué)引入巖石類材料的研究領(lǐng)域以來［82］，有關(guān)巖石損傷特性的研究得到了學(xué)者們的廣泛關(guān)注。通過高溫條件下的力學(xué)和顯微觀察等實驗，得到巖石力學(xué)和熱力學(xué)損傷規(guī)律，在此基礎(chǔ)上建立或完善巖石損傷模型［83-91］，探究溫度和壓縮荷載共同作用下的巖石力學(xué)行為和破裂的宏觀變化過程［92-94］。

康健［31］為探究高溫地?zé)豳Y源開發(fā)中的巖石熱破裂機(jī)制，采用隨機(jī)概率分布函數(shù)（隨機(jī)均勻分布、隨機(jī)正態(tài)分布、隨機(jī)韋伯分布、隨機(jī)指數(shù)分布）對巖石非均質(zhì)性進(jìn)行描述，基于彈塑性理論［95］建立隨機(jī)非均質(zhì)熱彈塑性力學(xué)模型：

式中：xi為坐標(biāo)，無量綱，i=1為x方向，i=2為y方向，i=3為z方向；σ為正應(yīng)力，N；τ為切應(yīng)力，N；λ和G為拉梅常數(shù)，無量綱；u為位移，m；F為外力，N；β為熱膨脹系數(shù)，無量綱；γ為剪切應(yīng)變，無量綱；ε為體積應(yīng)變，無量綱；K為體積變形模量，無量綱；T為溫度，K。為了有針對性地考慮溫度梯度和熱膨脹梯度引起的巖石應(yīng)變效應(yīng)，將λ和G定為常數(shù)，可得巖體應(yīng)力平衡方程：

式中：κ為導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·K）；▽2為拉普拉斯算子，無量綱；T為溫度，K；ρ為材料的密度，kg/m3；c為比熱容，J/K；t為時間，s；Q0為體系的總熱量，J。

將巖體應(yīng)力平衡方程與隨機(jī)介質(zhì)非穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)方程進(jìn)行耦合，將力學(xué)參數(shù)（如彈性模量、泊松比、內(nèi)摩擦角、抗拉強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度等）設(shè)為定值，采用有限元分析方法進(jìn)行數(shù)值求解，得到熱變形引起的初應(yīng)變ε0，并進(jìn)一步確定初應(yīng)變引起的等效節(jié)點載荷FT和Fβ。采用Drucker-Prager 屈服準(zhǔn)則［96］對熱破裂進(jìn)行判定，根據(jù)逾滲理論［97-104］，當(dāng)平面模型熱破裂的單元數(shù)達(dá)到59.275%時，即認(rèn)為對應(yīng)的溫度為熱破裂門檻值Tc，亦可考察此時巖石滲透率的突變情況。并可通過對隨機(jī)分布函數(shù)及其參數(shù)的調(diào)整，考察巖石非均質(zhì)性對熱破裂作用的影響。通過數(shù)值模擬探索巖石受熱時裂紋產(chǎn)生、擴(kuò)展、匯合以及貫通過程的變化規(guī)律。

對上述研究思路進(jìn)行延伸，進(jìn)一步探索破裂單元比例與滲透率之間的關(guān)系，并根據(jù)破裂單元比例的變化評價滲透率在熱破裂過程中的變化過程，有望據(jù)此對原位加熱過程中的頁巖滲透率進(jìn)行預(yù)測。

前期對于砂巖、碳酸鹽巖和花崗巖等巖石熱破裂作用的研究無疑為頁巖的研究奠定了良好基礎(chǔ)，不難將其實驗方法、理論模擬和數(shù)學(xué)模型進(jìn)行有針對性的改進(jìn)和轉(zhuǎn)化，服務(wù)于頁巖熱破裂作用的研究。但頁巖具有其特殊性，比如在受熱過程中將因有機(jī)質(zhì)裂解而產(chǎn)生增壓致裂效應(yīng)，在研究過程中應(yīng)特別加強(qiáng)對該過程的關(guān)注。

3 結(jié)語

基于對有機(jī)-無機(jī)成巖作用和熱致裂效應(yīng)的分析，初步明確了頁巖原位加熱過程中儲層改質(zhì)效應(yīng)的主要機(jī)理，即由有機(jī)質(zhì)裂解、無機(jī)礦物轉(zhuǎn)化、礦物溶蝕和重結(jié)晶引起的孔隙演化效應(yīng)，以及由熱應(yīng)力和生烴增壓所造成的致裂效應(yīng)耦合所導(dǎo)致。增孔和致裂效應(yīng)疊加，將導(dǎo)致頁巖儲層孔滲條件大幅改善，是頁巖油原位加熱增產(chǎn)的重要理論基礎(chǔ)之一。

盡管目前對于加熱后頁巖的孔隙演化開展了一定研究，但基本上是對于增孔致裂綜合效應(yīng)的整體分析，未對有機(jī)、無機(jī)孔隙演化以及熱破裂和生烴增壓致裂過程分別開展研究。這意味著對增孔致裂機(jī)理的認(rèn)識仍不充分，無法從機(jī)理出發(fā)對單一過程進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測，更無法實現(xiàn)對整個增孔增滲過程的準(zhǔn)確預(yù)測。因此，在進(jìn)一步研究中需對有機(jī)、無機(jī)孔隙演化和熱破裂、生烴增壓致裂開展相對獨立的研究，分別揭示其機(jī)理并建立評價模型。在與熱傳導(dǎo)模型耦合的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)對原位加熱過程中增孔增滲效應(yīng)在時間和空間上的定量預(yù)測，為開發(fā)方案的制定奠定基礎(chǔ)。

此外，不同構(gòu)造和沉積背景的含油氣盆地或同一含油氣盆地的不同沉積（微）相中頁巖的巖相具有顯著差異，意味著頁巖在有機(jī)質(zhì)含量與性質(zhì)、無機(jī)礦物組成和儲層孔隙度、滲透率、孔隙結(jié)構(gòu)等方面存在明顯差異。巖相的多樣性必將導(dǎo)致受熱過程中生排烴、無機(jī)礦物轉(zhuǎn)化、熱破裂和增壓致裂等效應(yīng)的明顯差異，進(jìn)而影響整體增壓致裂效果。因此，對不同巖相的頁巖分別開展增壓致裂機(jī)理研究，對該效應(yīng)的工程預(yù)測具有現(xiàn)實意義。