川南龍馬溪組含氣頁巖熱導(dǎo)率實(shí)驗(yàn)研究

程 超，林海宇，蔣裕強(qiáng)，馮 磊，夏 雨，牟春濠

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

近年來，頁巖氣成了地學(xué)和油氣領(lǐng)域工作者關(guān)注的熱點(diǎn)。隨著研究深入，頁巖氣勘探開發(fā)得到了迅速發(fā)展[1]。我國首個(gè)大型頁巖氣田(涪陵氣田)的建成也標(biāo)志著我國頁巖氣加速邁進(jìn)商業(yè)化發(fā)展階段。完善頁巖的基礎(chǔ)研究也成為亟待解決的問題，其中含氣頁巖的熱物理性質(zhì)的研究逐漸得到關(guān)注。陳墨香等[2-6]開展了火山巖、碳酸鹽巖、砂巖和巖土層熱物理性質(zhì)的實(shí)驗(yàn)研究，探討了火山巖、碳酸鹽巖和砂巖熱物理性質(zhì)的影響因素以及與其他物理性質(zhì)間的變化規(guī)律。研究認(rèn)為巖石的熱導(dǎo)率受多種因素影響，對于環(huán)境因素，巖石的熱導(dǎo)率隨著溫度的升高而降低，隨著壓力的增加而升高。對于巖石的物性特征，巖石孔隙度越小，越致密，熱導(dǎo)率就會越高。CLAUSER等[7-8]研究了巖石中各種礦物的熱導(dǎo)率，結(jié)果表明巖石眾多礦物組成中，黃鐵礦的熱導(dǎo)率最高，為38.90 W/(m·K)，石英次之，為7.69 W/(m·K)，斜長石的熱導(dǎo)率變化范圍在1.50～2.50 W/(m·K)之間，黏土礦物較低，為1.04～1.51 W/(m·K)[9]。FUCHS等[10]研究了不同巖石類型熱導(dǎo)率與基本造巖礦物的關(guān)系。以上研究基本闡明了巖石中各類礦物、物性特征以及環(huán)境因素對巖石熱導(dǎo)率的影響。然而，富有機(jī)質(zhì)頁巖的熱物理性質(zhì)卻鮮有報(bào)道，特別是有機(jī)質(zhì)含量對熱導(dǎo)率的影響。因此，本文以川南龍馬溪組深層含氣頁巖為研究對象，以實(shí)驗(yàn)室測試為主要研究手段，研究了頁巖的熱物理特性，探討了頁巖礦物組成、孔隙度、TOC含量、溫度等對頁巖熱導(dǎo)率的影響，并闡述了這些因素的影響機(jī)理。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 基本原理和方法

巖石的熱導(dǎo)率是反映巖石的導(dǎo)熱能力的重要熱物理參數(shù)，可定義為單位時(shí)間內(nèi)每單位長度溫度升高或降低1 ℃時(shí)，在垂直熱流方向上每單位面積所通過的熱量。目前室內(nèi)測量熱導(dǎo)率的方法主要有穩(wěn)態(tài)法和非穩(wěn)態(tài)法[11]2種，各有優(yōu)缺點(diǎn)?；诟道锶~熱傳導(dǎo)方程的穩(wěn)態(tài)法是測量巖石熱學(xué)性質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)方法，原理簡單，精度高，缺點(diǎn)是測量時(shí)間較長。非穩(wěn)態(tài)法測量時(shí)間較短，克服了穩(wěn)態(tài)法中由于長時(shí)間測量熱量對所測材料性質(zhì)的影響，通常幾十秒就可以完成一個(gè)樣品的測量。本實(shí)驗(yàn)利用法國塞塔拉姆生產(chǎn)的Mathis TCI熱常數(shù)分析儀，可以實(shí)現(xiàn)對巖樣熱導(dǎo)率快速、高精度、無損測量。該儀器利用了非穩(wěn)態(tài)法中瞬態(tài)平面熱源法[12]的基本原理，其理論基礎(chǔ)是一維瞬態(tài)熱傳導(dǎo)微分方程：

(1)

式中：ρ為材料的密度，kg/m3；cp為材料的比熱容，J/(kg·℃ )；T為材料溫度，℃；t為時(shí)間，s；λ為材料的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；x為傳感器與樣品接觸位置，m；q′表示傳感器芯片兩側(cè)某一方向傳輸?shù)臒崃髅芏?，W/m2。在實(shí)驗(yàn)過程中對每塊巖樣進(jìn)行反復(fù)測量，每個(gè)巖樣測得10組測量數(shù)據(jù)，取最后幾組穩(wěn)定的測量結(jié)果的平均值為最終測量值，以減小儀器開始測量時(shí)可能由于接觸不充分，導(dǎo)熱不完整等因素造成的測量誤差。

1.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

用于本實(shí)驗(yàn)的54塊巖樣全部取自于川南某井龍馬溪組深層含氣頁巖儲層，全巖衍射結(jié)果表明頁巖礦物組分有黏土、石英、斜長石、碳酸鹽和黃鐵礦(表1)。

通過對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，巖樣熱導(dǎo)率最大5.15 W/(m·K)，最小1.22 W/(m·K) ，平均值為2.50 W/(m·K)。從熱導(dǎo)率頻率分布(圖1)可看出，巖樣熱導(dǎo)率主要分布在2～3 W/(m·K)，其次分布在1～2 W/(m·K)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與李香蘭[13]在下?lián)P子區(qū)泥頁巖熱物性測試結(jié)果基本一致，但與CERCONE等[14]在美國賓夕法尼亞西部阿巴拉契亞盆地富有機(jī)質(zhì)黑色頁巖熱導(dǎo)率在0.6～1.45 W/(m·K)分布范圍的研究結(jié)果相比偏高，主要是2個(gè)地區(qū)富有機(jī)質(zhì)頁巖的礦物成分和TOC含量差異所致。

2 討論

2.1 頁巖礦物組分與熱導(dǎo)率關(guān)系

由熱傳導(dǎo)機(jī)理可知，頁巖的礦物組分和排列方式對熱導(dǎo)率的高低有決定性的影響。頁巖的礦物組分復(fù)雜，實(shí)驗(yàn)所測頁巖所含礦物有石英、斜長石、黏土、方解石、白云石和黃鐵礦等。首先討論黃鐵礦對熱導(dǎo)率的影響，從黃鐵礦含量與熱導(dǎo)率值的關(guān)系圖(圖2a)可以看出，黃鐵礦對熱導(dǎo)率的影響具有雙重性，大致具有如下規(guī)律。以黃鐵礦含量5%為界限，將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分為2個(gè)區(qū)，各區(qū)熱導(dǎo)率高低都與黃鐵礦含量有一定的正相關(guān)性，這是因?yàn)辄S鐵礦為金屬礦物，導(dǎo)熱能力較強(qiáng)。研究還發(fā)現(xiàn)在黃鐵礦含量增大到5%左右時(shí)，熱導(dǎo)率絕對值有所下降，在大于5%的區(qū)域內(nèi)隨黃鐵礦含量增大緩慢升高。這是因?yàn)檠芯繀^(qū)深層含氣頁巖的黃鐵礦與有機(jī)質(zhì)孔發(fā)育程度有著較為密切的關(guān)系[15-16]。在水動(dòng)力較弱的環(huán)境下，有機(jī)質(zhì)作為還原劑對黃鐵礦的形成有著很大的作用，黃鐵礦含量與有機(jī)質(zhì)含量具有一定的正相關(guān)性[17]。有機(jī)質(zhì)裂解時(shí)會產(chǎn)生有機(jī)孔，且研究區(qū)頁巖具有超高成熟度，產(chǎn)生的有機(jī)孔增多，頁巖結(jié)構(gòu)相對疏松多孔，對熱量的傳遞有阻礙作用。總體上，熱導(dǎo)率與黃鐵礦含量呈正相關(guān)關(guān)系，在黃鐵礦含量超過5%時(shí)明顯受有機(jī)孔發(fā)育程度的影響。

圖1 川南龍馬溪組頁巖巖樣熱導(dǎo)率頻率直方圖

表1 川南龍馬溪組頁巖巖樣實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

圖2 川南龍馬溪組頁巖巖樣熱導(dǎo)率與黃鐵礦、黏土含量、碳酸鹽以及石英含量的關(guān)系

由黏土礦物含量與熱導(dǎo)率關(guān)系(圖2b)可以明顯地看出，隨著黏土礦物含量的增多，熱導(dǎo)率呈下降趨勢。黏土含量低于12%時(shí)，研究樣品的熱導(dǎo)率值較高，都在2.7 W/(m·K)以上；而含量大于12%時(shí)，絕大多數(shù)樣品的熱導(dǎo)率在2.7 W/(m·K)以下，有的甚至低于2 W/(m·K)。這是因?yàn)轲ね恋V物為結(jié)構(gòu)松散的礦物，微觀上層與層之間的接觸情況較不充分，使熱量的擴(kuò)散增加了難度，再加上黏土有多種分布形式，增加了熱傳導(dǎo)的復(fù)雜性。所以黏土礦物含量越多，對熱傳導(dǎo)的阻礙作用越大。由碳酸鹽含量與熱導(dǎo)率關(guān)系(圖2c)可以看出，熱導(dǎo)率隨著碳酸鹽含量的增加而升高，這是由于碳酸鹽為結(jié)晶，顆粒膠結(jié)好，結(jié)構(gòu)致密，有利于熱傳導(dǎo)。石英與熱導(dǎo)率關(guān)系(圖2d)表明，隨著石英的含量增多，富有機(jī)質(zhì)頁巖熱導(dǎo)率呈升高趨勢，但二者相關(guān)性并不好。

2.2 孔隙度與熱導(dǎo)率

從孔隙度分布(圖3a)中可以看出，這批頁巖巖樣孔隙度主要分布在2%～8%。熱導(dǎo)率值和孔隙度交會圖(圖3b)表明，隨著頁巖孔隙度的增大，熱導(dǎo)率值具有下降的趨勢，這與前人的結(jié)論相吻合[13]。主要原因是巖石顆粒之間的接觸面是熱傳導(dǎo)的主要方式。巖石結(jié)構(gòu)越致密，孔隙度越小，粒子的振動(dòng)越容易，巖石熱導(dǎo)率就越高，反之，巖石的熱導(dǎo)率就越低。

圖3 川南龍馬溪組頁巖巖樣孔隙度分布及其與熱導(dǎo)率的關(guān)系

2.3 TOC含量與熱導(dǎo)率

TOC含量是評價(jià)頁巖有機(jī)質(zhì)豐度和生烴潛力的重要部分[18]。它不僅對頁巖氣的生成量有著重要的影響，并且疏松多孔的有機(jī)質(zhì)還為頁巖氣的儲存和運(yùn)移提供空間和通道。干酪根作為頁巖中有機(jī)質(zhì)的主要成分，它的熱演化程度與油氣生成密切相關(guān)。熱導(dǎo)率作為表征物體熱量傳導(dǎo)能力的物理量，那么TOC含量和頁巖的導(dǎo)熱能力是什么樣的關(guān)系呢？基于實(shí)驗(yàn)結(jié)果，由圖4可以看出二者關(guān)系復(fù)雜，總體上熱導(dǎo)率隨TOC含量的增加而降低。但在TOC含量較小(小于2.3%)的區(qū)域內(nèi)，熱導(dǎo)率隨TOC含量的增大而快速降低；而在TOC含量較高時(shí)，頁巖熱導(dǎo)率明顯隨著TOC含量的增大而緩慢降低。TOC含量小于2.3%的14個(gè)樣品，黃鐵礦含量平均值為3.88%，孔隙度平均3.89%，黏土礦物平均22%；其余TOC含量大于2.2%的樣品，黃鐵礦含量平均值為4.57%，孔隙度平均5.15%，黏土礦物平均24.8%。由此可見頁巖TOC和熱導(dǎo)率均受多因素控制，二者關(guān)系還有待深入研究。

2.4 溫度對熱導(dǎo)率的影響

溫度是影響熱導(dǎo)率的重要因素之一，前人在不同溫度下對巖石熱導(dǎo)率進(jìn)行測定，得出了在一定條件下大多數(shù)巖石熱導(dǎo)率隨著溫度的升高而降低的結(jié)論[19-20]。將含氣頁巖看作是一種以黏土礦物為主的沉積巖，特點(diǎn)是多了幾種礦物。所以可以按照普通沉積巖的方式測試其物理性質(zhì)。選擇同一深度的5塊物性相近的干燥頁巖樣品，實(shí)驗(yàn)溫度區(qū)間為50～100 ℃，每隔10 ℃測量其熱導(dǎo)率，共測6次。溫度閥值設(shè)定在100 ℃，是為了避免頁巖在加熱的條件下各種性質(zhì)發(fā)生變化。

從5塊巖樣的溫度與熱導(dǎo)率關(guān)系中可以看出(圖5)，熱導(dǎo)率隨溫度的變化有著嚴(yán)格的線性變化關(guān)系，不同趨勢線的增減趨勢與幅度并不一致。其中有3塊的規(guī)律與一般巖石的規(guī)律相吻合：巖石的熱導(dǎo)率隨著溫度的升高而降低；剩下的2條卻呈現(xiàn)相反的關(guān)系。排除實(shí)驗(yàn)操作有誤的情況后，通過對實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)對比發(fā)現(xiàn)，熱導(dǎo)率與溫度關(guān)系變化“異?！钡臉悠烦齌OC含量有所差距，其他數(shù)據(jù)基本相似。1號和5號樣品的TOC含量分別為4.56%和3.06%，其他樣品數(shù)據(jù)都在3%以下。熱量的傳遞是通過顆粒之間的振動(dòng)傳播，溫度的升高使顆粒無規(guī)則振動(dòng)頻率加快。對于巖石，顆粒之間排列緊密規(guī)則，溫度升高會打亂顆粒間的排列方式，降低熱傳導(dǎo)效率，使得巖石的熱導(dǎo)率隨著溫度的升高而降低。對于氣體，溫度的升高，會使分子間的碰撞幾率增加，增加熱傳導(dǎo)效率，使得氣體熱導(dǎo)率隨著溫度的升高而升高。研究表明，巖石在受熱處理后孔隙度會增大，且超過一定閾值后空隙規(guī)模會顯著增大[21]。所以1號與5號巖樣“異?！钡脑蚩赡苁歉衫腋障对黾雍?，其中的氣體體積也有所增加。而氣體的熱導(dǎo)率隨溫度的升高而升高，雖然巖石骨架熱導(dǎo)率隨溫度的升高而降低，但是疊加的結(jié)果是樣品的熱導(dǎo)率隨溫度的升高而升高。這種異常情況將會在本文的后續(xù)研究中持續(xù)關(guān)注。

圖4 川南龍馬溪組頁巖巖樣TOC含量與熱導(dǎo)率的關(guān)系

圖5 川南龍馬溪組頁巖巖樣溫度與熱導(dǎo)率的關(guān)系

3 結(jié)論

(1)含氣頁巖熱導(dǎo)率隨孔隙度的增加而降低，與TOC含量關(guān)系復(fù)雜，總體隨TOC含量的增高而降低。

(2)頁巖組分中黃鐵礦含量和石英含量對熱導(dǎo)率影響較大。熱導(dǎo)率與黃鐵礦含量總體呈正相關(guān)關(guān)系，但是同時(shí)要受到有機(jī)孔發(fā)育程度的影響。

(3)溫度是影響熱導(dǎo)率最主要的因素，同時(shí)受頁巖的TOC含量制約，當(dāng)TOC含量較低時(shí)，熱導(dǎo)率隨溫度的升高而降低；而TOC含量較高時(shí)，熱導(dǎo)率隨溫度的升高而升高。