鄂爾多斯盆地延長組長7頁巖層段巖石熱導率特征及啟示

崔景偉，侯連華，朱如凱，李士祥，吳松濤

(1.中國石油勘探開發研究院，北京 100083；2.中國石油 長慶油田公司 勘探開發研究院，西安 710018)

頁巖層系內豐富的非常規油氣資源成為全球油氣勘探開發的熱點。得益于水平井和大規模體積壓裂技術的進步，中國已經在四川盆地五峰—龍馬溪組頁巖層段獲得頁巖氣，在鄂爾多斯盆地、松遼盆地、柴達木盆地取得了陸相致密油的突破[1-5]。然而，中國陸相頁巖層系總體而言成熟度偏低(Ro﹤1.1%)，頁巖中殘留液態烴偏低。如何將大量仍具生烴潛力的有機質轉化成油氣，已成為重要攻關方向。中國石油勘探開發研究院和荷蘭皇家殼牌通過攻關認為原位轉化技術可能是有效的途徑，即通過 “地下煉廠”將頁巖中的殘余油和具備生烴潛力的有機質原位轉化成輕質油和凝析油，從而實現中國頁巖油的突破，并可能引領油氣行業的下一次革命，即“頁巖油革命”[6]。因此，原位轉化過程中熱場的演化至關重要，而巖石熱物性是精確構建熱場的基礎。

目前，巖石熱物性研究主要聚焦在3個領域：一是測定熱物性參數的方法；二是熱物性的影響因素和各向異性分析；三是探討巖石熱物性的預測模型[7-12]。雖然熱場動態演化主要通過數值模擬實現，但數值模擬也需要精細的熱物性數據。直接使用常溫常壓下的熱物性，會使模擬結果偏離實際。總之，目前頁巖層系巖石熱物性參數研究手段有限、研究程度較低、數據較少。對于頁巖層系內不同巖性、不同方向的熱物性資料匱乏，缺少可資借鑒的例子。

基于上述工業需求和研究現狀，筆者首先通過光學裝置(TCS)對鄂爾多斯盆地延長組長7段新鮮巖心樣品進行測試，獲得常溫常壓情況下的熱導率。然后，優選代表性樣品開展不同溫度下的熱擴散系數、熱膨脹系數和比熱容分析，獲得不同溫度條件下長7頁巖層段粉砂巖、粉砂質泥巖、泥巖和頁巖的熱物性參數，以期為規模試驗原位轉化技術及建立示范區提供參考。

1 地質背景與樣品

圖1 鄂爾多斯盆地構造分區、沉積相、延長組地層及井位置

2 實驗設備與條件

常規熱導率測試采用德國Lippmann公司生產的TCS熱導儀。該設備具有省時、無損壞、無接觸、準確度高、精確度高等優點，且測試前無需對樣品進行特殊制備，可以測量完整巖心、斷頭巖心和碎塊巖心的熱導率，試樣形態無需加工，可快速高效測量圓柱形、方形樣品的不同面水平方向上的熱導率。本次實驗樣品測試工作在中國科學院地質與地球物理研究所熱物性實驗室完成(表1)。

熱擴散系數測試利用國際上最新型的激光熱導儀，型號為LFA427。實驗按照國家標準《GB/T22588—2008》進行。其中，為防止頁巖高溫條件下開裂，在樣品上方增加壓力閥，可耐壓10 MPa。巖石比熱容測試利用國際上通用的同步熱分析儀帶自動進樣器 STA 449 F3設備對樣品進行測試，實驗參考美國標準《ASTM E 1269-11》進行。采用國際上通用的DIL 402SE型熱膨脹儀進行巖石密度校正，校正原理即是根據巖石在測試方向的膨脹率校正。

分別在常溫(25 ℃)，100，200，300，400，500，600 ℃下測試垂直層面和水平層面熱物性。巖石熱導率則根據巖石密度、巖石比熱容和熱擴散系數三者相乘計算獲得。

3 實驗結果

長7頁巖層系巖石熱導率(λ)TCS測試結果(圖2)顯示，不同巖性巖石的熱導率存在明顯差異，黑色頁巖最低為0.998 W/(m·K)(常溫)，凝灰巖—泥巖互層型巖石以及粉砂巖則相對較高，粉砂巖的熱導率為2.955 W/(m·K)(常溫)；凝灰質泥巖的熱導率明顯高于泥巖，含油粉砂巖的熱導率低于粉砂巖。

表1 鄂爾多斯盆地頁巖層系樣品基本信息

圖2 鄂爾多斯盆地長7頁巖層系巖心常溫常壓熱導率值

頁巖熱導率(λ)使用方程λ=αCpρ進行計算獲得，其中α為巖石的熱擴散系數、Cp為巖石的比熱容、ρ為巖石密度。巖石上述3個參數分別測試 25，100，200，300，400，500，600 ℃下的數據。長7頁巖層系巖石熱擴散系數除泥質粉砂巖樣品2-6外，其余樣品水平層理方向上的熱擴散系數均高于垂直層理方向，體現出較強的各向異性。2-6樣品水平層理方向和垂直層理方向比較一致，可能反映其為弱各向異性。無論是垂直層理方向還是平行層理方向，巖石的熱擴散系數均隨著溫度的升高而降低(圖3a)。不同巖性的巖石比熱容數據比較接近，垂直和平行層理方向僅存在細微差異。比熱容隨著溫度變化明顯，普遍隨著溫度的升高而增加(圖3b)。巖石密度在垂直和平行層理方向上基本無變化，只有2-13S樣品垂直層理方向上密度比水平方向上降低。頁巖不同方向上的密度差異，可能揭示其物質成分差異，也可能反映其孔隙差異，這也印證出頁巖具有較強非均質性(圖3c)。

巖石熱導率計算結果(圖3d)顯示，長7頁巖層系不同巖性巖石、不同方向、不同溫度均存在一定的差異，粉砂巖熱導率相對較高，頁巖熱導率最低；水平層理方向上的熱導率明顯高于垂直層理方向，特別是頁巖樣品差異最明顯。隨著溫度的增加，巖石熱導率呈現出基本一致的趨勢，即隨著溫度升高先降低后升高。樣品2-6泥質粉砂巖、2-10灰黑色泥巖和2-13凝灰巖的熱導率最低值處于300 ℃處。頁巖的熱導率相對復雜，水平方向上從1.048 W/(m·K)(常溫25 ℃)逐漸增加到1.692 W/(m·K)(500 ℃)，并在隨后(600 ℃)降低；垂直方向上從0.395 W/(m·K)(常溫25 ℃)逐漸降低至0.246 W/(m·K)(500 ℃)，并在600 ℃時略增到0.315 W/(m·K)。

圖3 鄂爾多斯盆地長7頁巖層系巖石熱物性測試結果

4 討論

4.1 巖石熱導率差異性及啟示

熱導率是用來表征物質導熱能力的物理量，通過物質內部微觀粒子相互碰撞實現熱量的傳遞。本次實驗測試結果發現，長7頁巖層系巖石熱導率從高到低依次為粉砂巖、含油粉砂巖、凝灰巖—泥巖互層型巖石、凝灰質泥巖、暗色泥巖和黑色頁巖。其中最低的為黑色頁巖，其熱導率為0.998 W/(m·K)(常溫)；最高的為粉砂巖，其熱導率達到2.955 W/(m·K)(常溫)。事實上，地質巖石中不僅含有各種晶粒組成的無機非金屬物質，還包含一部分有機物質和流體，熱導影響因素復雜。

中細砂巖的熱導率平均值為3.05 W/(m·K)，煤巖為0.61 W/(m·K)，泥巖和黏土熱導率也僅為1.00 W/(m·K)，中砂巖為2.96 W/(m·K)，粉砂巖為2.50 W/(m·K)，泥巖為2.22 W/(m·K)，灰巖為2.31 W/(m·K)(圖4a)。巖石中不同礦物熱導率存在明顯差異(圖4b)，石英的熱導率接近8.0 W/(m·K)，磁鐵礦的熱導率也超過5.0 W/(m·K)，方解石的熱導率約3.5 W/(m·K)，云母和長石的熱導率相對較低，約2.0 W/(m·K)[15-17]。因此，巖石組分會影響巖石的熱導率，巖石的熱導率在本質上受其組成礦物控制，細粒巖的熱導率通常隨其泥質含量的增加而減小。長7頁巖層系巖石中，粉砂巖中石英含量為31%，高于泥巖(29%)和頁巖(19.1%)，泥質含量又低于頁巖。頁巖中總有機碳含量(23.2%)遠高于泥巖(3.85%)和泥質粉砂巖(0.45%)。因此，長7頁巖層系內粉砂巖的熱導率大約是黑色頁巖的3倍，其機理可以解釋為受礦物以及有機碳含量的控制。

圖4 典型巖石和礦物的熱導率

盡管各類巖石的熱導率呈現出一定規律，但同種巖性的巖石，其熱導率也存在一定變化，長7含油砂巖和凝灰質泥巖都存在一個變化范圍(圖2)。這既可能是同種巖性之間物質成分存在差異，也可能受物質成分分布樣式等因素影響。熱導率變化不僅受砂巖粒徑、膠結物、 壓實程度等影響，還與巖石的孔隙度有關[18]。

長7頁巖層系4類巖性中，凝灰巖含量增加可以有效增加泥頁巖的熱導率。長7頁巖中薄層和紋層狀凝灰巖十分發育，盆地南部正8井長7烴源層段毫米級至厘米級的凝灰巖達180余層之多[19-20]。圖5為盆地東南部銅川地區瑤曲鎮衣食村長7剖面，通過厘米級采樣，并通過巖石薄片定性，最終確定采集156層凝灰巖。盆地內長7頁巖層系凝灰巖由南西—北東向逐漸變薄，正寧—黃陵以南厚度最大，超過1.0 m，分布范圍廣泛[20-21]。因此，薄層狀凝灰巖發育對長7頁巖層系原位轉化是一個有利的地質條件，可以明顯增加頁巖的熱導率。特別是對厚層頁巖而言，相當于在其中加入多層“導熱毯”，可以有效提升頁巖層段的熱導率，即薄層凝灰巖的發育可以增加熱導率，擴大熱場分布范圍。

長7頁巖層系不同巖性巖石熱導率測試結果對開展頁巖原位轉化具有重要啟示。在優選頁巖原位轉化“甜點區”時，不僅要考慮頁巖品質(成熟度、有機質豐度、生烴潛力)、厚度、埋深等參數，還應考慮巖石的沉積建造，即層狀凝灰巖以及砂巖層的發育程度。另外，砂巖和凝灰巖的熱導率遠高于頁巖，對于原位轉化工藝也有一定啟示,即在層狀凝灰巖發育區，長7原位改質工藝設計時可以適當增加井間距。

圖5 鄂爾多斯盆地東南部銅川地區瑤曲鎮衣食村長7剖面凝灰巖分布

4.2 巖石熱導率各向異性及啟示

實驗顯示，長7頁巖層系巖石熱導率各向異性特征明顯，相同溫度條件下水平層理方向高于垂直層理方向(圖6)。渤海灣盆地沾化凹陷泥質巖、粉砂巖和砂巖存在熱導率各向異性，平行層理方向的熱導率高于垂直層理方向的熱導率，解釋為2個方向上的孔隙連通存在差異；松遼盆地樺甸油頁巖熱導率也具有較強的各向異性，亦呈現水平層理方向高于垂直層理方向，解釋為2個方向上應力引起的壓實緊密程度差異；俄羅斯西伯利亞巴熱諾夫(Bazhenovo)組巖石也具有水平方向熱導率高于垂直方向的現象，解釋認為與有機質和硅質礦物含量有關[7,22-23]。

綜上所述，頁巖熱導率各向異性并非是長7巖石所特有，可能是沉積巖的一個共性。對長7頁巖層系不同巖性巖石的熱導各向異性系數分析發現，泥質粉砂巖的熱導率各向異性遠小于泥巖、頁巖和凝灰巖。頁巖樣品非均質性強可能與有機紋層發育有關，垂直方向上由于多層有機質分隔，導致熱導率最低；而水平方向上除了有機質紋層，還發育黏土紋層、膠磷礦等礦物，所以熱導率相對較高。考慮到精細熱物性測試樣品大小為毫米—厘米級，其機理不僅與孔隙連通性相關，可能還與孔隙、面理以及成分非均質性有關[8,24]。

通常認為巖石的熱導率隨著溫度的增加會降低[25]。長7頁巖層系巖石熱導率在不同方向上隨溫度變化的趨勢基本相同。泥質粉砂巖、泥巖和凝灰巖熱導率隨溫度升高先降低后升高，最低值均處于400 ℃(圖6a-c)。趙永信等[17]對長石石英砂巖、泥質粉砂巖和變質凝灰巖等巖樣在室溫到180 ℃之間的熱導率隨溫度變化進行過研究，獲得熱導率隨溫度升高而下降的結論。本次實驗結果認為泥質粉砂巖、頁巖和凝灰巖熱導率隨溫度降低的趨勢可以擴大到400 ℃。盡管于永軍等[10]認為油頁巖的熱導率也是隨溫度增大而線性遞減，但長7頁巖實測熱導率變化趨勢要相對復雜，水平層理方向上熱導率基本穩定，但仔細分析發現存在 “M”變化趨勢，在200 ℃存在一個較大值，在500 ℃時存在一個峰值；垂直層理方向上基本處于低幅度，也有先降低后增加的變化趨勢，最低值處于500 ℃(圖6d)。該變化趨勢在其他盆地也有體現，如周科等[22]對松遼盆地農安油頁巖熱導率隨溫度變化進行研究，發現在100 ℃時存在一個較大值，另外2個方向的熱導率在500 ℃均有所增大，但熱導率的增幅沒有本次長7頁巖樣品明顯。

美國綠河頁巖的熱導率在不同溫度下也存在明顯變化，熱導率的變化與裂解過程有關，裂解之前導熱系數非常低，裂解時導熱系數達到最大值[22]。長7頁巖熱導率的變化可以按幾個階段進行分析，在25～200 ℃升溫過程中，隨頁巖樣品溫度的升高，頁巖中殘留的烴類和水分會膨脹并使孔隙增加，導致垂直層理方向熱導率下降；水平層理方向上則因為水分和烴類沿紋層排出，從而使水平層理方向的孔隙和微裂縫連通，從而引起水平層理方向上熱導率的增加，存在一個較大值。200～400 ℃升溫過程中，礦物結晶水完全析出，油頁巖孔隙度增大，巖石顆粒間接觸面積減小，從而引起導熱系數下降，同時頁巖中干酪根軟化和焦化，使頁巖孔隙度增大并充滿導熱性較差的原油，進一步導致頁巖熱導率下降。400～500 ℃升溫過程中，頁巖大量生成原油的裂解階段，垂直層理上由于生排烴縫增加，從而導致垂直方向上熱導率降至最低值；水平方向上由于有機質和生成油的裂解生氣，不僅增加了水平層理方向上的密度，更因為微裂縫中所排氣體攜熱，從而使水平方向上的熱導率出現一個高峰值。500～600 ℃升溫過程中，導熱系數隨油頁巖內部有機質生油產氣能力的衰減、孔隙度進一步增大而降低，熱導率再次降低。鄂爾多斯盆地長7泥巖、頁巖與松遼盆地嫩江組油頁巖對比發現，嫩江組油頁巖的熱導率介于長7頁巖和泥巖熱導率之間(圖7)。其原因可能是受巖石中有機質豐度控制，通常有機質豐度與熱導率存在負相關關系[22]。

圖6 鄂爾多斯盆地長7頁巖層系巖石水平和垂直方向熱導率隨溫度變化

長7頁巖層系巖石熱導率各向異性分析結果對開展頁巖原位轉化也具有重要啟示。首先是工程設計時采用什么類型的井進行加熱。鑒于垂直層理方向熱導率遠低于水平層理方向，工程設計選用水平井、垂直井還是斜井開展加熱，需要開展目標層厚度、鉆井成本以及經濟性綜合評價而定。再者，鑒于有機質豐度較高的黑色頁巖的熱導率遠低于暗色泥巖，原位轉化在平面“甜點區”和垂向“甜點段”的優選是否應該選擇有機質豐度最高的頁巖層作為目的層，也需要進一步思考。因為有機質豐度越高，盡管生烴潛量會最大，但是相同工藝條件和時間下加熱的“有效體積”可能不大，需要綜合生烴量、能耗以及成本優選原位轉化的“甜點”。

4.3 地下巖石熱導率真實性及啟示

巖心測試環境與其地下埋深條件大不相同。熱導率的影響因素不僅包含巖石成分、孔隙、層理、溫度等，孔隙流體成分和壓力對熱導率也有影響。通常，干燥巖石的熱導率不能代替地質條件下真實巖石的熱導率。因為水的熱導率[0.62 W/(m·K)]比巖石低、原油的熱導比水低、空氣的熱導比原油低，所以飽和水的地下巖石的熱導率要高于干燥樣品，飽和油的熱導率處于飽和水和干樣之間。如果巖石的礦物組成相同，其致密程度(或孔隙度)就是其熱導率大小的決定因素。即巖石越致密、孔隙度越小，密度就越大,熱導率也越大。除自身致密的灰巖和白云巖外，砂巖、粉砂質泥巖及泥巖均需要考慮流體的影響，一般可根據其深度對熱導率給予校正[26]。本次分析測試的長7頁巖層系樣品為三疊系，埋深較深，孔隙度均值在3%以下，樣品采集時均避開含水層且經過密封保存[27]，故可以不做孔隙飽和水校正，忽略地層流體的影響。

圖7 鄂爾多斯盆地長7泥巖、頁巖

通常認為壓力會對巖石孔隙度產生一定影響，從而影響巖石實驗室測試熱導率結果的真實性[28]。壓力對熱導率影響的研究目前主要集中在砂巖，尚未關注頁巖。前人認為800 m以上，壓力校正量和溫度校正量較為接近，無需校正；800 m以下埋深，壓力校正量大于溫度校正量，需要進行壓力校正[15]。也有學者認為在低壓 (p≤50 MPa )情況下，熱導率隨著壓力增加而增加；在50 MPa以上，熱導率與壓力呈現線性關系[29]。所以，利用本文實驗室測試結果進行現場實際應用時，仍需要結合埋藏深度對熱導率進行恢復。然而，現有的壓力校正依據是片麻巖、閃巖和砂巖，并沒有現成的針對頁巖的壓力校正數據。盡管本文探索了多種影響巖石熱導率的原因，揭示出不同巖性、不同方向、不同溫度的變化，獲得了大量基礎數據，但仍不能直接用于并指導地下真實原位轉化。考慮到目前長7頁巖層段埋深普遍大于800 m，增加壓力會導致頁巖密度增加，地下熱導率會高于實驗測試數據，因此在工程設計時可以適當增加井間距。

目前熱導率的測試，即使是國際上最著名的德國耐馳系列熱導率測試裝置，也不能滿足地下溫度和壓力的條件，無法滿足實際工業需求的熱導率和比熱。因此，對頁巖原位轉化分析測試技術而言，需要把握4個發展趨勢：(1)測試設備從通用儀器擴展到特定研發裝置；(2)測試條件從常溫常壓擴展到高溫高壓；(3)測試參數呈現從地質參數擴展到工程參數；(4)測試地點從實驗室逐步擴展到現場。頁巖的研究也需要從地質研究上升到熱物理—地質力學—生烴化學—流固耦合研究的新階段。目前在熱物性研究領域迫切需要攻關3個方面：(1)建立考慮了頁巖非均質性的熱導地質模型；(2)建立巖石骨架和流體綜合因素的熱導理論模型[30-31]；(3)完善包括裂縫、流體等多因素的熱導數值模型。因此，綜合巖石成分、流體、裂縫、非均質性、高溫高壓等因素，研發貼近地下真實條件的頁巖熱導率測試設備是重要的攻關方向之一。

5 結論

(1)鄂爾多斯盆地長7頁巖層段不同巖性的巖石熱擴散系數和熱導率存在差異，且隨砂質含量降低而降低，即粉砂巖>凝灰巖>粉砂質泥巖>泥巖>頁巖。長7頁巖層系4類巖性中，凝灰巖含量增加可以有效增加泥頁巖的熱導率，即薄層凝灰巖發育的地質特征可以增加熱導率，擴大熱場分布范圍。該結論為長7原位轉化 “甜點區”優選以及工藝設計井間距提供一定的依據。

(2)熱擴散系數和熱導率具有各向異性，水平方向是垂直方向的1～3.5倍，且其差異隨溫度升高而增大。熱物性參數的各向異性是巖石非均質性的體現，頁巖熱物性的各向異性最強，與微觀紋層發育相關；砂巖各向異性主要與巖石不同方向的滲透率相關。頁巖在水平方向熱導率遠高于垂直方向，該結論對長7原位轉化工程設計鉆井類型提供新的思路。

(3)長7頁巖實際地下熱導率受地層壓力、溫度和含水飽和度等多種因素影響，即使不考慮含油飽和度和溫度的影響，也需要對壓力進行校正。長7頁巖目前埋深普遍大于800 m，壓力校正后熱導率會升高。該結論可以進一步支持在長7原位改質工藝設計時應適當增加井間距。