高溫條件下油頁巖細觀結構與力學性能研究現狀

王敬澤，王魯男，劉偉健，孫希宇,王 震

遼寧石油化工大學土木工程學院,遼寧 撫順 113001

隨著我國經濟長期高速的發展，油氣資源的需求量與日俱增，供需矛盾愈發嚴峻。非常規油氣資源的開發利用是緩解當前緊張局面的有效途徑，尤其是油頁巖，具有儲量高、開采技術成熟等特點，已成為接替常規油氣資源的重要選擇。油頁巖是一種富含固態有機質、可燃燒的細粒沉積巖，加熱至400～500℃時可分解產生頁巖油，具有非常廣闊的開發前景。無論是地表干餾還是地下原位開采，探明加熱過程中油頁巖的細觀結構演化特征及其宏觀力學響應規律是至關重要的，但相關研究較為零散，缺乏系統的概述。因此，本文對高溫條件下油頁巖的細觀結構與力學性能演化研究進行了綜述。

1 高溫條件下油頁巖的細觀結構演化特征研究現狀

高溫環境中的油頁巖受熱應力驅使，經歷著一個損傷累積的過程，從細觀尺度上可歸納為孔裂隙缺陷的演化問題［1］。

基于CT 技術，Tiwari 等［2］對美國綠河油頁巖熱解前后內部孔隙空間的發育情況進行研究，發現在溫度作用下油頁巖內部形成大量的新孔隙；在390℃時出現大量沒有連通的孔裂隙，達到400℃時裂隙相互連通，孔隙率急劇上升。康志勤等［3］以撫順群油頁巖為研究對象，通過顯微CT 技術觀察常溫到600℃高溫下的熱破裂演化特征，并確定300℃為熱破裂閾值溫度。一旦超過該閾值，油頁巖的孔裂隙結構急劇劣化，相應的滲透能力大為提升。通過對比分析傳導與對流兩種加熱模式下油頁巖孔隙結構特征的差異及形成機制，提出對流模式下油頁巖受熱均勻、換熱面積大，其有機質熱解更加充分，因而油頁巖原位熱解開采應首選對流模式。

Yang 等［4］利用壓汞試驗測量不同溫度水平下油頁巖的孔隙結構參數，分析油頁巖的孔容、孔徑分布及孔隙度等變化特征。結果表明，隨著溫度的升高，油頁巖的孔隙體積、平均孔徑及孔隙度均呈現增加的趨勢；在此過程中，微孔逐漸合并為小孔、中孔，甚至于大孔，使得致密的油頁巖轉化為高滲透性的多孔巖石。Han 等［5］通過氮氣吸附法測定不同燃燒方式下油頁巖的孔隙結構參數，發現燃燒過程中，孔隙體積和比表面積表現出降～升～降的變化規律。趙麗梅［6］研究原位熱解過程中油頁巖的孔隙結構變化規律，提出300～600℃下孔隙體積和比表面積增長最快，而滲透率經歷了先升高后降低的過程，其數值與熱解終溫、孔隙壓力有顯著的關聯。綜合運用顯微CT、壓汞及掃描電鏡技術，耿毅德等［7］對加熱條件下油頁巖的細觀結構劣化特征進行描述。結果顯示，溫度超過300℃后，有機質開始熱解成油氣，并逐漸排出，導致油頁巖中形成眾多的孔裂隙通道，孔隙體積、孔隙率及裂縫面積密度等持續增大。

2 高溫條件下油頁巖的力學性能研究現狀

開展油頁巖的力學特性研究有助于指導油頁巖資源的開采與利用。早期的研究多偏重于常溫條件；近些年，以太原理工大學、吉林大學為代表的高校科研團隊在高溫條件下油頁巖力學性能演化方面取得了不俗的研究成果，為油頁巖的原位地下開采提供理論與技術支撐。

在常溫下，Chong 等［8］對美國多地區的油頁巖開展抗拉、抗壓試驗，推導出油頁巖的抗拉強度線性回歸方程，并建立荷載頻率與油頁巖彈性模量、泊松比間的定量關系。Eseme 等［9］分析油頁巖的品位與力學性質間的關聯性，發現彈性模量、抗壓強度及抗拉強度與油頁巖的品位呈負相關，而泊松比與品位呈正相關。梁冰等［10］對不同水化時間的油頁巖開展三軸壓縮試驗，發現水化作用對油頁巖的力學特性影響很大。隨著水化時間的增加，峰值強度和彈性模量均呈現降低的趨勢，屈服階段越加顯著，并伴有明顯的延性效應。

針對高溫條件下油頁巖的力學特性，薛晉霞［11］、趙靜［12］利用單軸壓力試驗機對不同溫度水平下油頁巖的力學性質進行研究。結果顯示，隨著溫度的升高，油頁巖的彈性模量、泊松比及單軸抗壓強度呈顯著的降低趨勢，而且溫度與彈性模量呈對數關系，與泊松比呈直線關系，與單軸抗壓強度呈指數關系。畢井龍［13］對不同層理方向、溫度水平的油頁巖開展三點彎曲試驗，獲取了各巖樣的載荷-位移曲線斜率的變化規律，并綜合研究不同溫度條件下水、有機質及礦物成分對油頁巖斷裂韌度的影響，提出熱損傷與熱破裂是油頁巖宏觀斷裂韌度發生急劇下降的根本原因。

3 結束語

綜上，國內外已開始關注高溫條件下油頁巖的細觀結構與力學性能演化問題，但研究還處于起步階段、成果較少，這在一定程度上限制著油頁巖資源的大規模開發與利用。與常溫不同，高溫條件下油頁巖中有機質熱解生成油氣，形成大量的孔裂隙，其細觀結構的急劇劣化引起力學性能的快速退化，極易誘發嚴重的工程地質問題。且油頁巖儲層埋深較大，高地應力亦不可忽視。因此，下一步的研究應重點關注高應力-高溫度耦合作用下油頁巖的細觀結構演化特征及其宏觀力學響應規律。