微波作用下龍馬溪頁巖物理性質(zhì)實(shí)驗(yàn)測(cè)試與分析

衣宏學(xué)，劉紅岐，辛炯?jí)牛瑥堄晖?羽

（西南石油大學(xué) 地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，四川成都 610500）

經(jīng)過多年的勘探，探明我國(guó)頁巖氣的技術(shù)可采資源量達(dá)到了36×1012m3，穩(wěn)居世界第一。近年來，國(guó)家出臺(tái)了許多政策來推動(dòng)頁巖氣產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，未來頁巖氣將是我國(guó)的重中之重。但開采頁巖氣不僅會(huì)消耗大量水資源，還可能造成地下水污染。同時(shí)，頁巖氣儲(chǔ)層具有滲透性差、吸附氣含量大等特性，常規(guī)技術(shù)不易開采[1]。為了對(duì)頁巖氣有更多的了解，探索開采新方法，本次實(shí)驗(yàn)的目的為：了解頁巖氣的生成及吸附原理，了解微波化學(xué)，通過對(duì)比實(shí)驗(yàn)來了解微波作用下龍馬溪頁巖物理性質(zhì)的變化，主要探究微波能否促進(jìn)頁巖氣的解吸。若微波能成功運(yùn)用于頁巖氣開采，將有助于提高頁巖氣產(chǎn)量，保護(hù)生態(tài)環(huán)境。

1 頁巖基礎(chǔ)性質(zhì)測(cè)量實(shí)驗(yàn)

1.1 基礎(chǔ)參數(shù)

使用直尺及游標(biāo)卡尺等計(jì)量工具測(cè)量巖心的基礎(chǔ)參數(shù)，巖心高度h，外徑D，內(nèi)孔徑d，重量m等參數(shù)并及時(shí)記錄測(cè)量數(shù)據(jù)。

1.2 物性參數(shù)

使用QKY-Ⅱ型氣體孔隙度測(cè)定儀測(cè)定頁巖巖心的孔隙度，SKY-Ⅱ型氣體滲透率測(cè)定儀測(cè)定頁巖巖心的滲透率，YDS-Ⅲ型巖心電阻聲波聯(lián)測(cè)儀測(cè)量頁巖巖心的電阻率，獲得頁巖基礎(chǔ)參數(shù)與物性參數(shù)，如圖1所示。

圖1 P2-V交會(huì)圖

根據(jù)數(shù)據(jù)處理結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)使用標(biāo)準(zhǔn)樣品鋼圓盤的測(cè)量數(shù)據(jù)，來繪制P2-V交會(huì)圖所擬合得到的公式，其擬合度為0.9947，擬合效果好。帶進(jìn)放入巖心后的平衡壓力，計(jì)算得到巖心5的孔隙度約為0.4%，巖心6無法計(jì)算得到孔隙度值。但這并不是巖心的真實(shí)孔隙度，原因有二：①儀器所提供的壓力較小，不足1MPa，氮?dú)饣緹o法進(jìn)入頁巖的孔隙；②樣品表面有許多鉆取巖心時(shí)造成的劃痕，有些還比較深，推測(cè)這些或大或小的劃痕可能是造成此次實(shí)驗(yàn)巖心a顯示有孔隙性的主要原因。

使用SKY-Ⅱ型氣體滲透率測(cè)定儀來測(cè)量頁巖巖心滲透率，將環(huán)壓調(diào)至2MPa，測(cè)量壓力提高至最大值0.6MPa處，使用最小量程（6～60mL/min）的流量計(jì)進(jìn)行讀數(shù)。等待1.5h左右后，發(fā)現(xiàn)小球基本沒有變化，即無讀數(shù)，可能無氣流通過頁巖巖心或通過的氣流流量太小。推測(cè)原因：頁巖的滲透性太差、孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜、測(cè)量壓力較小等無法滿足氣體通過頁巖縫隙的條件，導(dǎo)致流量計(jì)基本無任何變化，此為主要原因。或者實(shí)驗(yàn)儀器的精度較低，無法檢測(cè)到氣體流量。

使用YDS-Ⅲ型巖心電阻聲波聯(lián)測(cè)儀測(cè)得兩塊頁巖巖心的電阻均為1 500Ω左右，根據(jù)公式ρ=R×S/L，可以計(jì)算得到其電阻率約為14Ω·m。

2 頁巖粉末的解吸實(shí)驗(yàn)

此次實(shí)驗(yàn)使用的微波爐為格蘭仕P7021TL-7型，輸入與輸出功率分別為1 180W和700W，微波的額定頻率為2 450MHz。實(shí)驗(yàn)過程中選擇中低火（40%功率輸出）進(jìn)行加熱，溫度約為55℃。由于沒有實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)出合適的方法來完成實(shí)驗(yàn)，所以并未使用電熱鼓風(fēng)干燥箱來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

2.1 尋找合適材料

通過將數(shù)種不同材質(zhì)的物品放入微波爐，加熱一段時(shí)間后觀察物品的變化，發(fā)現(xiàn)黑色橡膠塞、小截輸液管和黃色橡膠軟管出現(xiàn)軟化及燒焦現(xiàn)象。玻璃制品出現(xiàn)發(fā)燙現(xiàn)象，白色塞子加熱10余分鐘后僅出現(xiàn)略微的溫度變化，由聚四氟乙烯制成的1mm導(dǎo)管基本無任何變化，PET材料制成的塑料瓶收集器亦只有些許溫度變化，微波爐中的托盤經(jīng)過加熱后也出現(xiàn)溫度上升現(xiàn)象。排除這些微波加熱后會(huì)軟化變形、燒焦的材料制品，選用剩下的進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

2.2 樣品的前期處理

頁巖的孔滲性差，對(duì)巖心整體進(jìn)行注氣不方便，采用粉末狀樣品進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。使用密封式化驗(yàn)制樣粉碎機(jī)對(duì)巖樣進(jìn)行粉碎處理，取出粉末狀巖樣后，重復(fù)粉碎大顆粒巖樣。使用8 000目的細(xì)篩來篩選頁巖粉末后，將粉末裝入密封罐中，然后利用2XZ-4型片式真空泵將密封罐中的空氣抽出，最后使用充氣加壓裝置為頁巖粉末充飽和甲烷氣。

2.3 腔體內(nèi)收集氣體

將已充氣且經(jīng)過卸壓的頁巖粉末（每克含氣量約為0.001g）放入燒杯中，進(jìn)行加熱后收集氣體。開始時(shí)設(shè)想加熱后混合氣在腔體內(nèi)呈均勻分布，因此只需要把收集器放在腔體內(nèi)即可收集到氣體，待一段時(shí)間后密封取出便可以進(jìn)行檢驗(yàn)。但是取出的混合氣中頁巖氣含量太低，無法使用色譜儀及質(zhì)譜儀檢測(cè)。在經(jīng)過加熱的頁巖粉末中，發(fā)現(xiàn)了一小團(tuán)泥巖，推測(cè)是細(xì)篩上殘留或者其他原因。

設(shè)想增加頁巖粉末量，或者使用容量大的收集器來提高氣體含量，但是此法需要打開爐門才能密閉收集器，這個(gè)過程中會(huì)溢出大量混合氣，依舊無法收集到合適的混合氣（滿足檢驗(yàn)要求）。

甲烷分子量?jī)H為16，空氣約為29，即空氣比甲烷重。腔體內(nèi)甲烷主要處于靠近上部分腔體的空間，采用向下排氣法或者排水法收集氣體才合理。設(shè)計(jì)了一個(gè)使用向下排氣法收集氣體的裝置（圖2），整個(gè)裝置由兩個(gè)集氣瓶、一個(gè)玻璃容器、3個(gè)木塞和4根玻璃管組成。但是各個(gè)部分連接的彎狀玻璃管無法找到，實(shí)驗(yàn)室中常用黃色橡膠軟管連接玻璃管形成彎管，由于橡膠軟管在微波爐中會(huì)發(fā)生燒焦軟化現(xiàn)象，因此無法用于完成實(shí)驗(yàn)；若能定做出這種彎管，此裝置用于定性分析微波能否促進(jìn)頁巖氣的解吸也是適用的。

圖2 向下排氣法裝置

若采用排水法收集則需要在腔體內(nèi)放置一個(gè)裝水的容器，在加熱情況下水蒸氣會(huì)充滿腔體且此收集法需要以手或者其他夾持裝置固定收集器，而實(shí)驗(yàn)室中的夾持器基本都是鐵質(zhì)器件，金屬類物品放入微波爐中會(huì)產(chǎn)生電火花，危險(xiǎn)系數(shù)高，這種方法亦被淘汰。也設(shè)想過使用某種軟性材料做成盒子狀，上部有可開閉的氣體出口，待加熱完畢后從出口處收集氣體即可，但是加熱時(shí)混合氣體會(huì)膨脹，盒子容易發(fā)生爆炸，安全系數(shù)低，舍去這個(gè)方法。

2.4 腔體外收集氣體

在腔體外收集混合氣的方法為使用一根導(dǎo)管將氣體導(dǎo)出腔體后，利用排水法收集。起初嘗試用易于找到的輸液管充當(dāng)導(dǎo)管，在實(shí)驗(yàn)過程中主要發(fā)現(xiàn)了兩大問題，分別是：①管子較粗時(shí)，爐門無法完全關(guān)閉，微波爐不能正常進(jìn)行加熱；②輸液管為PVC（聚氯乙烯）材料制成，受熱會(huì)變形且有燒焦現(xiàn)象產(chǎn)生。因此需要尋找新的導(dǎo)管，一段時(shí)間后，發(fā)現(xiàn)微波爐爐壁的上方有一個(gè)小孔，并且找到一種基本不受溫度影響的導(dǎo)管，由聚四氟乙烯材料制成的1mm細(xì)管，按照原始方案將導(dǎo)管從爐腔傳出，兩端分別與放樣品的容器與氣體收集器連接，而后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

但在實(shí)驗(yàn)過程中，又發(fā)現(xiàn)了一個(gè)極其嚴(yán)重的問題，微波爐的加熱方式為間歇性加熱，加熱5s左右的時(shí)間內(nèi)有氣泡產(chǎn)生，但是5s后微波爐會(huì)停止加熱，此時(shí)無氣泡產(chǎn)生且有倒吸現(xiàn)象發(fā)生。實(shí)驗(yàn)后的腔體內(nèi)，明顯可見裝有樣品的容器已經(jīng)由于倒吸，導(dǎo)致整個(gè)瓶身全部覆蓋著一層頁巖粉末。而且加熱15s左右后，容器內(nèi)的空氣基本已經(jīng)排干凈，會(huì)有部分頁巖粉末經(jīng)由導(dǎo)管中被“吹出”。同時(shí)也發(fā)現(xiàn)在導(dǎo)管與白色塞子的連接處有燒焦膨脹現(xiàn)象，連接處涂有膠水堵塞縫隙，膠水也不耐高溫。

查閱文獻(xiàn)后得知，頁巖吸附氣快速解吸的時(shí)間一般為8～24h[2]，盡管在微波作用下速度會(huì)提高，也不可能短短數(shù)秒完成解吸，因此需要重新設(shè)計(jì)出一個(gè)微波發(fā)生器來完成實(shí)驗(yàn)。而且頁巖儲(chǔ)層的溫度一般處于60～90℃，未來實(shí)驗(yàn)時(shí)需要改變加熱溫度，使加熱時(shí)的樣品溫度接近實(shí)際儲(chǔ)層的溫度范圍。

2.5 理論設(shè)計(jì)圖

根據(jù)實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的各類問題，并結(jié)合頁巖吸附氣的影響因素，設(shè)計(jì)了一個(gè)缺點(diǎn)比較少的裝置（圖3），理論上此裝置獲取的數(shù)據(jù)能夠證明在微波作用下可以提高頁巖氣的解吸速度。

圖3 微波加熱實(shí)驗(yàn)裝置

其中，1為量筒，精度盡量高；2是傳輸氣體的導(dǎo)管，最好附帶氣體流量監(jiān)測(cè)計(jì)；3為盛滿水的容器；4為托架和夾持器，用于放置盛水容器和固定量筒；5為頁巖巖心，從現(xiàn)場(chǎng)取心并進(jìn)行密封的巖心為最佳樣品；6為放置頁巖的腔體（帶旋轉(zhuǎn)功能），里面有支撐結(jié)構(gòu)固定巖心；7為加熱儀器，主要由微波發(fā)生器、溫度和壓力控制儀組成；此儀器應(yīng)具有溫度及壓力可控，微波頻率可以調(diào)節(jié)，微波發(fā)射及作用方式可選，可持續(xù)產(chǎn)生微波的特性。

此裝置可以測(cè)量不同初始溫度及壓力，不同微波頻率下的頁巖氣解吸速度。若條件允許最好設(shè)計(jì)出高精度氣體檢測(cè)儀與收集裝置相連接。

3 頁巖的加熱對(duì)比實(shí)驗(yàn)

通過將4塊干的頁巖巖心兩兩分別放入微波爐與電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱進(jìn)行加熱，等待一段時(shí)間后觀察頁巖表面變化。等待合適的時(shí)間后，將巖心浸入水中，飽和較長(zhǎng)時(shí)間后，再次將巖心放入兩種儀器中進(jìn)行加熱，等待一段時(shí)間后觀察頁巖表面變化。

實(shí)驗(yàn)前選取的4塊巖心表面幾乎無任何肉眼可見的微裂縫。頁巖巖心無論是否浸水，在經(jīng)過烘箱加熱后都沒有任何特殊的變化。經(jīng)過加熱實(shí)驗(yàn)后，可以發(fā)現(xiàn)干巖心經(jīng)過微波作用后幾乎無任何變化；而經(jīng)過水浸泡的頁巖在接受微波加熱后有明顯的裂縫產(chǎn)生。

有研究者曾經(jīng)對(duì)飽和了原油的巖心進(jìn)行切片加工，然后使用微波輻射與恒溫烘箱兩種方式對(duì)薄片進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)。進(jìn)行加熱后，發(fā)現(xiàn)恒溫烘箱加熱后的切片沒有變化，而微波加熱后的切片出現(xiàn)十余條裂縫且原來不明顯的晶間縫也有了明顯的變寬現(xiàn)象，使用微波對(duì)巖心進(jìn)行加熱處理可以促進(jìn)裂縫的發(fā)育。儲(chǔ)集層中一般會(huì)存在大量的孔隙，其中含有以地層水和油氣為主的流體，不同物質(zhì)對(duì)微波的吸收能力有著千差萬別的不同，比如石英對(duì)微波能的吸收能力還不及水的十分之一。由此可見，微波作用于不同物質(zhì)時(shí)其溫度變化差距很大，不同組分的熱膨脹系數(shù)也大不相同，造成巖心發(fā)生了不均勻熱膨脹現(xiàn)象，在此過程中會(huì)產(chǎn)生很大的熱應(yīng)力，導(dǎo)致巖心會(huì)出現(xiàn)很多裂縫。此次實(shí)驗(yàn)在微波作用下，飽和部分水的頁巖產(chǎn)生了少許裂縫，這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果是符合實(shí)際的。

4 結(jié)論

1）龍馬溪頁巖孔隙度和滲透率很低，屬于特致密的巖石，且脆性很大。這些特性導(dǎo)致了實(shí)驗(yàn)過程中的諸多不便。

2）甲烷與干酪根之間的吸附力主要為色散力（范德華力的一種）。微波具有熱效應(yīng)和非熱效應(yīng)，理論上當(dāng)微波作用于頁巖時(shí)能夠促進(jìn)頁巖氣的解吸；但是由于實(shí)驗(yàn)條件的限制，沒有獲得可靠的數(shù)據(jù)可以進(jìn)行佐證。需要對(duì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行進(jìn)一步的完善，設(shè)計(jì)合適的實(shí)驗(yàn)儀器和實(shí)驗(yàn)步驟，才可能得到可信的實(shí)驗(yàn)結(jié)果來證明這一想法。

3）飽和部分水的頁巖經(jīng)過微波加熱后會(huì)產(chǎn)生少許裂縫，而經(jīng)過烘箱加熱的頁巖無明顯變化。原因是微波作用下頁巖不同組分的溫度變化差距十分大，巖心會(huì)發(fā)生不均勻的熱膨脹和冷收縮現(xiàn)象，在此過程中會(huì)產(chǎn)生很大的熱應(yīng)力，導(dǎo)致巖心出現(xiàn)很多微裂縫。