張 棟， 黃正均， 梁明純， 苗勝軍， 劉 鈺

(1. 北京科技大學(xué)土木與資源工程學(xué)院，北京 100083; 2. 北京科技大學(xué) 城市地下空間工程北京市重點實驗室，北京 100083)

0 引 言

近年來，隨著頁巖油氣等頁巖層中的非常規(guī)油氣資源開發(fā)利用的重視發(fā)展，部分國內(nèi)油氣開發(fā)領(lǐng)域的研究學(xué)者和工程技術(shù)人員針對我國陸相頁巖層系液態(tài)烴偏低的問題，已開展“原位轉(zhuǎn)化”等非常規(guī)油氣開發(fā)領(lǐng)域的技術(shù)革命研究，即“頁巖油革命”，從而實現(xiàn)我國頁巖油開發(fā)利用的突破[1]。因此，準(zhǔn)確獲取巖石的熱物性參數(shù)對保證原位轉(zhuǎn)化過程中巖層熱場精確構(gòu)建極為重要。此外，深部礦產(chǎn)資源開發(fā)及地?zé)崮艿惹鍧嵞茉撮_發(fā)利用，未來也將成為我國能源領(lǐng)域的重大戰(zhàn)略方向。深部礦產(chǎn)資源（2 000 m以深）開發(fā)利用中的高地溫巖層降溫技術(shù)、礦熱共采技術(shù)，以及地?zé)衢_采中的高效換能提取技術(shù)等，其設(shè)計、開采實施等過程都與巖層熱物性參數(shù)密切相關(guān)。然而，深部巖體與淺層不同，往往處于高地應(yīng)力、高地溫等復(fù)雜條件作用下，其熱物性參數(shù)與卸荷、常溫等條件下具有顯著不同。因此，準(zhǔn)確獲得巖石在不同壓力條件下的熱物性參數(shù)對指導(dǎo)深部資源開采、地?zé)衢_發(fā)利用等工程設(shè)計、施工、運行都具有重要指導(dǎo)意義。

巖石熱物理性質(zhì)通常包括熱導(dǎo)率（導(dǎo)熱系數(shù)）、熱擴(kuò)散系數(shù)、比熱容、熱膨脹系數(shù)等，其主要取決于巖石的礦物組成和內(nèi)部結(jié)構(gòu)，還與巖石所賦存的條件有重要關(guān)系，如巖石礦物成分、密度、含水率、溫度等。國內(nèi)外部分學(xué)者也對此開展了較多研究工作。徐振章[2]討論了影響巖石熱物理性質(zhì)的因素和機(jī)制，提出壓力對巖石比熱容的影響很小。張煥杰[3]等對春光油田泥巖和砂巖開展了熱物理參數(shù)影響試驗，得出了其與巖性、粒度、密度和含油水飽和度的影響關(guān)系。劉小宇[4]選擇吉林、黔江等不同地區(qū)的頁巖和砂巖開展了詳細(xì)的熱物理參數(shù)試驗，分析了頁巖熱物性參數(shù)的影響因素，得出了其與孔隙度、滲透率、TOC含量、層理方向、溫度等的影響變化規(guī)律。李香蘭[5]等采用光學(xué)掃描法測試了華南下樣子區(qū)泥頁巖的熱導(dǎo)率和生熱率，并簡要分析了礦物成分對其的影響。于文剛[6]以龍馬溪組頁巖為對象，分析了礦物組分、孔隙度、溫度等對熱導(dǎo)率的相互影響關(guān)系。郭政[7]等分析了熱處理溫度和壓力條件對北山花崗巖導(dǎo)熱系數(shù)的影響規(guī)律。DUCHKOV[8]等分析了俄羅斯西伯利亞Bazhenovo巖石熱導(dǎo)率與巖層方向的變化規(guī)律，認(rèn)為其與有機(jī)質(zhì)礦物和硅質(zhì)礦物的含量有關(guān)。于永軍[9]等分析了不同層理方向油頁巖熱膨脹系數(shù)和導(dǎo)熱系數(shù)的變化規(guī)律，并模擬了高溫條件下的熱破裂過程。程超[10]等總結(jié)了巖石熱物理性質(zhì)的研究進(jìn)展和發(fā)展趨勢，闡述了與其他性質(zhì)間的關(guān)系，提出巖石各向異性下導(dǎo)熱性能可能不同。其他學(xué)者[11-12]也針對不同地區(qū)的巖石開展了熱物性參數(shù)特征及影響因素分析，得出了部分有借鑒價值的研究成果。

前述研究幾乎都圍繞巖石無荷載條件下的熱物性參數(shù)及變化規(guī)律，對于不同荷載條件下的熱物性參數(shù)變化規(guī)律鮮有涉及，且均未考慮巖石性質(zhì)具有各向異性的影響，更不用說將荷載條件與各向異性影響結(jié)合考慮。本文主要以某泥頁巖為研究對象，重點開展室溫時不同壓力條件下巖石的熱物性參數(shù)特征分析，并結(jié)合各向同性和各向異性兩種模塊，采用TPS瞬態(tài)平面熱源法測試主要熱物性參數(shù)的變化規(guī)律，分析荷載壓力與方向等對其的影響規(guī)律，為非常規(guī)頁巖油氣開采和深部礦產(chǎn)資源及地?zé)崮荛_發(fā)利用提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 試驗方案

1.1 巖樣及設(shè)備

本文結(jié)合某油氣工程現(xiàn)場取回的泥頁巖巖樣，加工為直徑50 mm，高度25～30 mm的圓盤試樣，加工精度符合GB/T 50266—2013《工程巖體試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》的要求[13]。共計4組，分別為1#～4#，每組3件，部分巖樣照片見圖1。

圖1 部分泥頁巖試樣

泥頁巖加載過程采用美國MTS公司的815系列巖石力學(xué)測試系統(tǒng)進(jìn)行（見圖2），其最大軸向負(fù)荷2 700 kN，具有測量和控制精度高、伺服響應(yīng)速度快、穩(wěn)定性好、可負(fù)荷控制和變形控制多種加載方式等特點。巖石熱物理性質(zhì)采用Hot disk公司的TPS2500S熱常數(shù)分析系統(tǒng)進(jìn)行測試，其具有測試范圍廣、精度高、適用樣品廣、有各向同性和各向異性多種測試模塊、測試時間短等優(yōu)點，見圖3。

圖2 MTS 815巖石力學(xué)測試系統(tǒng)

圖3 Hot disk TPS2500S熱常數(shù)測試系統(tǒng)

1.2 測試方法及加載設(shè)計

巖石熱物性參數(shù)測試方法通常有熱流法、熱線法、熱絲法、激光法、熱探針法、平面熱源法、閃光法等[14]。本文采用瞬態(tài)平面熱源法（TPS）進(jìn)行測試，該方法測量用時較短、測試范圍廣，且不受接觸面熱阻的影響，誤差范圍在5%以內(nèi)，精度較高[15]，原理如下式和圖4所示。

圖4 瞬態(tài)平面熱源法測量原理示意

巖樣測試時的加載過程綜合考慮泥頁巖的單軸抗壓強(qiáng)度，采用分級加載方式，每級5 MPa，直至巖石應(yīng)力-應(yīng)變曲線發(fā)生明顯拐點，暫停加載并以此為最后一級熱物性測試應(yīng)力等級。加載時前50%階段采用載荷控制，速率0.2 kN/s，后切換為變形控制，速率為0.02 mm/min。每級應(yīng)力條件下的熱物性參數(shù)測試時間40 s，功率150～300 W不等，根據(jù)實際情況調(diào)整，測試2次，等待時間10 min，期間保持巖樣應(yīng)力恒定。具體加載及測試路徑如圖5所示。

圖5 應(yīng)力加載及熱物性測試路徑示意

2 試驗結(jié)果

2.1 試驗總結(jié)及計算

本次試驗結(jié)合是否考慮巖石性質(zhì)具有各向異性特征，分別采用各向同性和各向異性模塊開展了巖石熱物性參數(shù)測試，共完成 1#、2#、3#、4#、5#共 5組泥頁巖9個試樣。其中各向同性模塊5件，各向異性4件。各向同性下分級測試了巖樣在不同應(yīng)力水平下的導(dǎo)熱系數(shù)、熱擴(kuò)散系數(shù)和體積比熱容，結(jié)果匯總見表1。各向異性條件下測試了同樣分級應(yīng)力水平時的軸向（沿加載方向）和徑向（垂直加載方向）不同方向的導(dǎo)熱系數(shù)和熱擴(kuò)散系數(shù)，具體見表2。

表1 各向同性下泥頁巖熱物性參數(shù)測試結(jié)果

表2 各向異性時泥頁巖熱物性參數(shù)測試結(jié)果

2.2 各向同性下熱物性變化規(guī)律

采用各向同性模塊測試時，各泥頁巖樣的主要熱物性參數(shù)與軸向加載應(yīng)力水平的變化關(guān)系如圖6～圖8所示。圖6揭示了導(dǎo)熱系數(shù)隨加載應(yīng)力的變化，從中可以看出，除2#巖樣外，其余巖樣的導(dǎo)熱系數(shù)都先隨荷載施加而增大，隨后為很小范圍上下波動階段，但整體處于隨應(yīng)力水平增加而緩慢增大。結(jié)合巖樣照片及礦物組成，1#和2#巖樣為明顯的頁巖，有機(jī)質(zhì)含量高于3#、4#、5#，顏色為炭黑色，且壓縮過程中有油性液體滲出。3#、4#、5#顏色為灰黑色，局部泛白，說明其泥質(zhì)含量較高，有機(jī)質(zhì)含量較低，為典型泥頁巖，故而1#和2#導(dǎo)熱系數(shù)明顯低于 3#、4#和 5#。

圖6 各向同性下導(dǎo)熱系數(shù)隨應(yīng)力變化關(guān)系

圖7 各向同性下熱擴(kuò)散系數(shù)隨應(yīng)力變化關(guān)系

圖8 各向同性下比熱容隨應(yīng)力變化關(guān)系

此外，2#巖樣施加荷載后導(dǎo)熱系數(shù)出現(xiàn)明顯降低，與巖樣內(nèi)部層理結(jié)構(gòu)有關(guān)，觀察發(fā)現(xiàn)5個巖樣均為平行層理方向加載，但2#試樣的層理間可見部分松散充填物，且局部有節(jié)理裂隙存在。

圖7為巖樣熱擴(kuò)散系數(shù)與加載應(yīng)力的變化關(guān)系曲線。由此可見，荷載應(yīng)力的施加與否對巖石的熱擴(kuò)散系數(shù)影響明顯，其中1#巖樣在開始施加應(yīng)力后熱擴(kuò)散系數(shù)明顯增大，其余2#～5#巖樣均明顯減小。在應(yīng)力水平達(dá)到10 MPa以后，各巖樣熱擴(kuò)散系數(shù)均隨應(yīng)力水平的繼續(xù)增加而呈上下波動變化，表明此時巖樣已從壓密階段進(jìn)入彈性至彈塑性變形階段，擴(kuò)散系數(shù)的變化與巖樣內(nèi)部裂隙萌生發(fā)展的結(jié)構(gòu)變化有密切關(guān)系。

此外，有無應(yīng)力作用時，1#和2#巖樣的熱擴(kuò)散系數(shù)與導(dǎo)熱系數(shù)變化規(guī)律一致，3#、4#和5#巖樣的熱擴(kuò)散系數(shù)與導(dǎo)熱系數(shù)變化規(guī)律明顯相反。同時，除1#巖樣外，其余4件巖樣的導(dǎo)熱系數(shù)與熱擴(kuò)散系數(shù)分布規(guī)律一致，即導(dǎo)熱系數(shù)越大，熱擴(kuò)散系數(shù)也越大，而1#巖樣導(dǎo)熱系數(shù)低于2#，但熱擴(kuò)散系數(shù)卻高于2#，這是由于1#巖樣的比熱容明顯低于其余4件巖樣，應(yīng)與其礦物成分有明顯關(guān)系，推測其粘土礦物和有機(jī)質(zhì)含量均比另4件巖樣高。

圖8揭示了巖樣比熱容與加載應(yīng)力的變化關(guān)系?？梢钥闯觯S著應(yīng)力水平的增加，巖樣的比熱容均呈現(xiàn)增大趨勢，在低應(yīng)力水平階段，除1#巖樣外，其余巖樣比熱容均顯著增大，而后隨著荷載不斷增加，所有巖樣比熱容均在整體上呈緩慢增大趨勢。表明巖樣在初始加載時為壓密階段，巖樣內(nèi)部孔隙閉合導(dǎo)致其體積呈一定減小，故而比熱容明顯增大，隨后為穩(wěn)定變形階段，體積整體變化不明顯，故比熱容變化不大，且比熱容變化規(guī)律與內(nèi)部裂隙發(fā)展與體積變化趨勢一致。但1#巖樣由于粘土礦物和有機(jī)質(zhì)含量較高，其內(nèi)部孔隙較少，初始加載時體積有微小膨脹，故比熱容會呈微小減小變化。

此外，2#～5#巖樣比熱容較為接近，1#巖樣明顯低于其余4件，也進(jìn)一步說明1#巖樣的礦物組成與其余巖樣有明顯不同。

整體上看，圖6～圖8表明在各向同性條件下，應(yīng)力條件對泥頁巖熱物性參數(shù)有明顯影響，整體上應(yīng)力越大，導(dǎo)熱系數(shù)和比熱容越大；應(yīng)力條件對熱擴(kuò)散系數(shù)影響明顯，但在后期隨應(yīng)力水平變化影響不敏感。初始加載階段，即是否施加荷載對泥頁巖熱物性參數(shù)影響更為顯著。

2.3 各向異性下熱物性變化規(guī)律

采用各向異性模塊測試時，泥頁巖巖樣的主要熱物性參數(shù)與加載應(yīng)力水平的變化關(guān)系如圖9～圖16所示。

圖9 各向異性下軸向?qū)嵯禂?shù)隨應(yīng)力變化關(guān)系

圖10 各向異性下軸向熱擴(kuò)散系數(shù)隨應(yīng)力變化關(guān)系

圖11 各向異性下徑向?qū)嵯禂?shù)隨應(yīng)力變化關(guān)系

圖12 各向異性下徑向熱擴(kuò)散系數(shù)隨應(yīng)力變化關(guān)系

圖13 各向異性下各熱物性參數(shù)隨應(yīng)力變化關(guān)系-2#

圖14 各向異性下各熱物性參數(shù)隨應(yīng)力變化關(guān)系-3#

圖15 各向異性下各熱物性參數(shù)隨應(yīng)力變化關(guān)系-4#

圖16 各向異性下各熱物性參數(shù)隨應(yīng)力變化關(guān)系-5#

圖9和圖10分別揭示了巖樣在軸向方向（加載方向）上導(dǎo)熱系數(shù)和熱擴(kuò)散系數(shù)與應(yīng)力的變化規(guī)律。從圖中可以看出，巖樣的導(dǎo)熱系數(shù)和熱擴(kuò)散系數(shù)在軸向方向上隨應(yīng)力增加均呈明顯增大趨勢。其中，在初始加載階段，巖樣的軸向?qū)嵯禂?shù)和熱擴(kuò)散系數(shù)均顯著增大；此后隨著應(yīng)力水平繼續(xù)增加，其導(dǎo)熱系數(shù)和熱擴(kuò)散系數(shù)均繼續(xù)增大，但增加速率降低，呈緩慢穩(wěn)定增加趨勢。

圖11和圖12給出了巖樣在徑向方向（垂直加載方向）上導(dǎo)熱系數(shù)和熱擴(kuò)散系數(shù)隨應(yīng)力的變化規(guī)律?？梢姡瑤r樣的徑向?qū)嵯禂?shù)和熱擴(kuò)散系數(shù)均隨應(yīng)力增加整體呈減小趨勢，與軸向方向的變化規(guī)律明顯相反。其中，初始加載階段，巖樣的導(dǎo)熱系數(shù)和熱擴(kuò)散系數(shù)均明顯減小，尤其是10 MPa以前。此后隨著應(yīng)力水平繼續(xù)增加而呈緩慢降低趨勢。

綜合對比圖9～圖12可知，巖樣的導(dǎo)熱系數(shù)和熱擴(kuò)散系數(shù)呈現(xiàn)顯著的各向異性變化特征，尤其在不同方向上變化趨勢明顯不同。

圖13～圖16分別展示了巖樣不同方向上熱物性參數(shù)的分布及變化規(guī)律。從中可見各巖樣不同方向上的熱物性參數(shù)分布及變化差異明顯：無應(yīng)力條件下，2#巖樣軸向方向?qū)嵯禂?shù)和熱擴(kuò)散系數(shù)均大于徑向，而3#、4#和5#巖樣軸向上的導(dǎo)熱系數(shù)和熱擴(kuò)散系數(shù)則小于徑向，這與巖石自身礦物組成和內(nèi)部結(jié)構(gòu)有明顯關(guān)系。但隨著巖樣承受應(yīng)力水平的增加，其不同方向上導(dǎo)熱系數(shù)和熱擴(kuò)散系數(shù)的差值均逐漸增大，其與巖石內(nèi)部結(jié)構(gòu)隨應(yīng)力的變化顯著相關(guān)，即應(yīng)力越大，巖石內(nèi)部開始產(chǎn)生裂隙萌生、擴(kuò)展、貫通直至巖石發(fā)生破裂，其不同方向上的熱物性參數(shù)的各向異性也愈發(fā)明顯。

3 結(jié)束語

本次試驗以泥頁巖為對象，分別從巖石各向同性和各向異性特征考慮，開展了不同實時應(yīng)力水平加載條件下的熱物理性質(zhì)變化規(guī)律分析，可得出如下結(jié)論：

1）各向同性條件下，應(yīng)力條件對泥頁巖熱物理性質(zhì)有明顯影響，初始加載階段影響更為顯著。整體上應(yīng)力越大，導(dǎo)熱系數(shù)和比熱容越大；后期熱擴(kuò)散系數(shù)隨應(yīng)力水平變化影響不敏感。

2）巖石導(dǎo)熱系數(shù)和熱擴(kuò)散系數(shù)具有顯著的各向異性特征，尤其在不同方向上變化趨勢明顯不同，與應(yīng)力加載方向、內(nèi)部層理結(jié)構(gòu)等密切相關(guān)。

3）巖石導(dǎo)熱系數(shù)和熱擴(kuò)散系數(shù)在軸向方向上（沿加載方向）整體上隨應(yīng)力增加而明顯增大，但增加速率在初期加載階段較大，后期隨應(yīng)力加大而趨緩；徑向方向上（垂直加載方向）隨應(yīng)力增加整體呈減小趨勢，其變化速率與軸向上基本一致，但規(guī)律相反。

4）受巖石礦物組成和內(nèi)部結(jié)構(gòu)影響，巖石不同方向上的熱物性參數(shù)分布及變化不同，但隨所承受應(yīng)力水平的增加，其不同方向上導(dǎo)熱系數(shù)和熱擴(kuò)散系數(shù)的差值均逐漸增大。