高溫對(duì)富有機(jī)質(zhì)頁巖巖石物理特性的影響

熊 健，林海宇，劉向君，梁利喜，黃 宏，李賢勝

(1.油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(西南石油大學(xué))，成都 610500；2.中國石油集團(tuán) 測井有限公司 西南分公司,重慶 400021)

隨著我國油氣消費(fèi)快速增長，天然氣對(duì)外依存度快速攀升，截至2018年底，天然氣對(duì)外依存度高達(dá)45.3%[1]，這將不利于我國能源安全保障體系的構(gòu)建，且環(huán)保因素也將推動(dòng)我國天然氣需求量進(jìn)一步增加。2015年，美國能源信息署(EIA)發(fā)布了包含美國在內(nèi)的46個(gè)國家的頁巖氣資源評(píng)價(jià)成果報(bào)告[2]，指出全球頁巖氣的技術(shù)可采資源量為214.49×1012m3，其中，中國頁巖氣的技術(shù)可采資源量為31.57×1012m3，這些數(shù)據(jù)顯示了我國頁巖氣資源開發(fā)潛力巨大。頁巖氣賦存形式主要以吸附態(tài)和游離態(tài)為主，且在原始狀態(tài)下，頁巖中氣體處于吸附態(tài)和游離態(tài)的動(dòng)平衡狀態(tài)?，F(xiàn)有頁巖氣藏開采經(jīng)驗(yàn)表明，頁巖氣井開采初期產(chǎn)量主要依賴于頁巖中游離氣，而后期氣井產(chǎn)量主要依賴于頁巖中吸附氣，產(chǎn)量遞減快慢主要受控于頁巖中吸附氣的解吸作用[3]。因此，在頁巖氣開采過程中，促進(jìn)頁巖中吸附氣的解吸將提高頁巖氣井產(chǎn)量，縮短頁巖氣井開采周期。目前，除了利用水力壓裂技術(shù)改善頁巖氣井井周地層區(qū)域的滲流條件從而加快頁巖氣解吸外，李武廣等[4-6]研究表明隨著溫度升高，頁巖氣解吸速率加快；邢亞繁等[7-8]提出了利用電加熱激勵(lì)方法促進(jìn)頁巖氣解吸；游利軍等[8]提出利用頁巖氣層氧化爆裂方式加快頁巖氣開采，說明了增加儲(chǔ)層溫度也是加快頁巖氣解吸的方法之一。

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目前，溫度對(duì)巖石物理性質(zhì)的影響研究較多，并取得了一定的認(rèn)識(shí)。劉均榮等[10-12]研究了溫度對(duì)巖石微觀結(jié)構(gòu)的影響，結(jié)果表明高溫將改變巖石的孔隙結(jié)構(gòu)，并造成巖石中出現(xiàn)微裂縫；劉均榮等[13-17]研究了溫度對(duì)砂巖、泥巖、碳酸鹽巖等不同巖性巖石的物理性質(zhì)影響，包括孔隙度、滲透率、波速等，研究結(jié)果表明隨著溫度的增加，不同巖性的巖石孔隙度、滲透率等呈增大的趨勢，而波速呈下降的趨勢；王鵬等[17-20]研究了溫度對(duì)砂巖、灰?guī)r、花崗巖等不同巖性巖石的力學(xué)性質(zhì)影響，研究結(jié)果表明不同巖性的單軸抗壓強(qiáng)度隨著溫度增加總體呈下降趨勢，這主要是與高溫造成巖石熱損傷有關(guān)，這些研究結(jié)果有助于人們認(rèn)識(shí)高溫處理后不同巖性巖石物理性質(zhì)的變化規(guī)律。盧運(yùn)虎等[21]研究溫度變化對(duì)富有機(jī)質(zhì)頁巖巖石微觀結(jié)構(gòu)的影響，進(jìn)而討論了其對(duì)頁巖各向異性的影響。然而，溫度對(duì)富有機(jī)質(zhì)頁巖巖石的孔隙度、滲透率、聲波、力學(xué)等物理特性的影響并未進(jìn)行系統(tǒng)研究，還缺乏足夠認(rèn)識(shí)。

因此，本文以四川盆地龍馬溪組富有機(jī)質(zhì)頁巖為研究對(duì)象，研究了高溫處理后頁巖巖石物性的變化規(guī)律，包括巖石質(zhì)量、孔隙度、滲透率、聲波速度、聲波衰減系數(shù)等，同時(shí)也研究高溫對(duì)頁巖巖石力學(xué)特性的影響。

1 實(shí)驗(yàn)樣品與方法

實(shí)驗(yàn)頁巖樣品采自四川南部地區(qū)古生界下志留統(tǒng)龍馬溪組。龍馬溪組屬海相沉積環(huán)境，下部為黑色頁巖，上部為灰色、黃綠色泥質(zhì)或粉砂質(zhì)頁巖，與下伏觀音橋組呈整合接觸[22]。龍馬溪組下部黑色頁巖具有較高有機(jī)質(zhì)豐度，作者前期研究成果顯示石英含量分布在43.46%～62.66%，碳酸鹽礦物含量分布在22.40%～39.59%，黏土礦物含量分布在11.10%～18.79%，其中黏土礦物主要以伊利石和高嶺石為主；巖樣的有機(jī)碳含量(TOC)為3.44%～4.53%，平均為4.12%。按照要求制取平行層理方向和垂直層理方向的試樣，試樣規(guī)格為φ25 mm×50 mm的圓柱體。對(duì)試樣先進(jìn)行24 h的低溫(40 ℃)烘干處理，然后進(jìn)行質(zhì)量、孔隙度、滲透率、聲波和力學(xué)等測試，獲取相關(guān)參數(shù)。在此基礎(chǔ)上，本次實(shí)驗(yàn)中對(duì)頁巖巖樣依次進(jìn)行100，200，300，400，500，600 ℃等高溫處理。以20 ℃/min的速度加熱到預(yù)設(shè)溫度后，恒溫6 h，然后在爐膛中自然冷卻至室溫，再重復(fù)進(jìn)行質(zhì)量、孔隙度、滲透率、聲波和力學(xué)等測試。不同溫度作用后頁巖樣品的表觀形態(tài)如圖1所示。從圖1中可看出，隨著溫度的升高，頁巖巖樣逐漸由黑色變?yōu)榛野咨?，其中?0～200 ℃內(nèi)，頁巖巖樣的顏色隨著溫度升高變化不明顯；300 ℃時(shí)，頁巖巖樣由黑色變?yōu)榱嘶液谏?，這可能與頁巖中有機(jī)質(zhì)燃燒造成有機(jī)碳含量減小有關(guān)；300～600 ℃內(nèi)，頁巖巖樣的顏色隨著溫度升高由灰黑色逐漸變?yōu)榛野咨?，巖石表面上紋層更明顯。這說明高溫作用使富有機(jī)質(zhì)頁巖的各組分發(fā)生了較復(fù)雜的物理化學(xué)變化。

頁巖樣品經(jīng)高溫處理后，其質(zhì)量的變化規(guī)律如圖2所示。4組頁巖樣品質(zhì)量隨著溫度變化的規(guī)律具有一致性，即隨著溫度增加，頁巖樣品的質(zhì)量先緩慢下降后快速下降，其中在400 ℃之前，頁巖樣品質(zhì)量下降緩慢，經(jīng)過400 ℃高溫處理后，頁巖樣品的質(zhì)量減小不超過1%，而在溫度400 ℃之后，頁巖樣品的質(zhì)量下降速度明顯增大，經(jīng)過溫度600 ℃處理后，頁巖樣品的質(zhì)量減小約4%。在溫度400 ℃之前，頁巖中礦物吸附水和層間水將會(huì)脫出，且部分有機(jī)質(zhì)也會(huì)發(fā)生熱解反應(yīng)，造成頁巖質(zhì)量減少，但下降幅度??；而溫度400 ℃之后，頁巖中部分礦物晶格中結(jié)構(gòu)水將脫出，且有機(jī)質(zhì)發(fā)生熱解反應(yīng)，同時(shí)在這個(gè)溫度階段，部分礦物晶型轉(zhuǎn)變、熔融，甚至使部分礦物成分消失，綜合作用造成頁巖巖石質(zhì)量減少，且下降幅度大。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 頁巖巖樣質(zhì)量的變化

實(shí)驗(yàn)頁巖樣品的基本特性如表1所示，表中1-a，1-b，2-a，2-b等樣品經(jīng)高溫重復(fù)處理后，分別對(duì)每個(gè)樣品重復(fù)進(jìn)行巖石物理特性參數(shù)測量，研究溫度對(duì)頁巖巖石物理特性的影響；而表中1-c、1-d、1-e、1-f等樣品經(jīng)高溫處理后，分別對(duì)每個(gè)樣品進(jìn)行力學(xué)實(shí)驗(yàn)，研究溫度對(duì)頁巖巖石力學(xué)特性的影響。

圖1 四川南部下志留統(tǒng)龍馬溪組不同溫度下頁巖樣品的表觀顏色

表1 四川南部下志留統(tǒng)龍馬溪組低溫烘干后頁巖樣品的基本特性

圖2 四川南部下志留統(tǒng)龍馬溪組不同溫度下頁巖巖樣質(zhì)量變化率

2.2 頁巖巖樣孔滲的變化

從目前的教學(xué)實(shí)踐來看，不少任課教師無法全面實(shí)現(xiàn)上述培養(yǎng)目標(biāo)，存在一些亟待解決的細(xì)節(jié)問題，主要集中在以下五個(gè)方面：

圖3 四川南部下志留統(tǒng)龍馬溪組不同溫度下頁巖巖樣物性變化率

2.3 頁巖巖樣聲波速度的變化

頁巖樣品經(jīng)高溫處理后，其縱波、橫波速度的變化規(guī)律如圖4所示。4組頁巖樣品縱波、橫波速度隨著溫度變化的規(guī)律具有一致性，即隨著溫度增加，頁巖樣品的縱波、橫波速度呈降低趨勢。經(jīng)過溫度600 ℃處理后，頁巖樣品的縱波、橫波速度下降了20%～30%，該研究結(jié)論與吳曉東等[14-16]的研究結(jié)果具有相似性。這些研究說明了經(jīng)過高溫處理后，巖石的縱波、橫波速度都呈下降趨勢，這可能是因?yàn)楦邷刈饔煤?，巖石內(nèi)部發(fā)生熱損傷，巖石內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，孔隙和微裂縫增加，造成聲波在巖石中傳播的距離增大，從而導(dǎo)致巖石聲波速度降低。

圖4 四川南部下志留統(tǒng)龍馬溪組不同溫度下頁巖巖樣縱橫波速度變化率

頁巖樣品經(jīng)高溫處理后，其縱波、橫波衰減系數(shù)的變化規(guī)律如圖5所示。4組頁巖樣品縱波、橫波衰減系數(shù)隨著溫度變化的規(guī)律具有一致性，即隨著溫度增加，頁巖樣品的縱波、橫波衰減系數(shù)呈增大趨勢。經(jīng)過溫度600 ℃處理后，頁巖樣品的縱波、橫波衰減系數(shù)增加了4～6倍，這可能是因?yàn)楦邷刈饔煤螅瑤r石內(nèi)部發(fā)生熱損傷，巖石內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，孔隙和微裂縫增多，造成聲波在巖石中傳播過程中損耗增大或能量損失增大，從而導(dǎo)致巖石聲波衰減系數(shù)增大。

2.4 頁巖巖樣力學(xué)特性的變化

何東腦子里馬上出現(xiàn)幼兒園，小學(xué)，中學(xué)，大學(xué)，孩子的婚禮，然后是他要進(jìn)的八寶山。這都著的是哪門子急呵，進(jìn)個(gè)八寶山還比賽？

頁巖樣品經(jīng)高溫處理后，其單軸壓縮應(yīng)力—軸向應(yīng)變曲線如圖6所示，強(qiáng)度參數(shù)如表2所示。從圖6和表2中可看出，不同溫度作用后，頁巖樣品的應(yīng)力—應(yīng)變曲線存在較大差異。隨著溫度升高，曲線峰值應(yīng)力點(diǎn)下移，即隨著溫度增加，頁巖樣品的單軸抗壓強(qiáng)度降低，彈性模量下降，泊松比變化規(guī)律不明顯。這可能是高溫作用后，巖石內(nèi)部發(fā)生熱損傷，微裂縫增多，造成頁巖樣品易發(fā)生破壞，從而導(dǎo)致頁巖樣品的力學(xué)強(qiáng)度降低。頁巖樣品經(jīng)過溫度600 ℃處理后，單軸抗壓強(qiáng)度降幅達(dá)39%(圖7)，該結(jié)論與王鵬等[17-19]的研究結(jié)果具有相似性。研究表明不同巖性巖石單軸抗壓強(qiáng)度隨著溫度增大總體呈下降趨勢，但下降幅度不一樣，這可能與高溫作用后不同巖性巖石熱損傷的程度不一樣有關(guān)。

頁巖樣品經(jīng)高溫處理后，其孔隙度和滲透率的變化規(guī)律如圖3所示。4組頁巖樣品孔隙度和滲透率隨著溫度變化的規(guī)律具有一致性，即隨著溫度增加，頁巖樣品的孔隙度和滲透率先緩慢上升、后快速上升，經(jīng)過溫度600 ℃處理后，頁巖樣品的孔隙度增加了4～5倍，滲透率增加了80～100倍，這可能是因?yàn)楦邷刈饔煤?，頁巖中有機(jī)質(zhì)的熱解反應(yīng)和孔隙或礦物中水分被蒸發(fā)，造成巖石中孔隙體積增大和滲流通道增多，從而導(dǎo)致巖石孔隙度和滲透率增大，同時(shí)頁巖內(nèi)部的熱應(yīng)力超過巖石顆粒之間的抗張應(yīng)力屈服強(qiáng)度，巖石骨架顆粒間發(fā)生位錯(cuò)，內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，造成巖石中產(chǎn)生一些微小裂縫，從而導(dǎo)致巖石孔隙度和滲透率增大。從圖3中還可見頁巖樣品孔隙度和滲透率的變化存在一個(gè)突變過程，該過程中存在一個(gè)閾值溫度范圍，即當(dāng)溫度小于閥值溫度時(shí)，頁巖樣品孔隙度和滲透率隨著溫度增加而上升的幅度較小，而當(dāng)溫度超過閥值溫度時(shí)，頁巖樣品孔隙度和滲透率隨著溫度增加而明顯上升。上述結(jié)論與吳曉東等[14，16]的研究結(jié)果具有相似性。本次實(shí)驗(yàn)中龍馬溪組富有機(jī)質(zhì)頁巖的閾值溫度范圍在300～400 ℃，頁巖樣品的表觀顏色和質(zhì)量也在該閾值范圍發(fā)生突變，而吳曉東等[14]研究結(jié)果顯示，灰?guī)r、粉砂巖和礫巖的閾值溫度范圍分別為500～600，500～600，400～500 ℃，游利軍等[16]認(rèn)為致密砂巖、泥巖和致密碳酸鹽巖的閾值溫度范圍分別為300～500，500～600，300～400 ℃。這些研究說明了不同巖性巖石的閾值溫度范圍存在差異，這可能與不同巖性巖石中礦物組成類型有關(guān)。頁巖儲(chǔ)層溫度增加，將加快頁巖氣的解吸速率[4-6]，同時(shí)在升溫的過程中，頁巖巖石物性的改善，加快了頁巖中氣體的流動(dòng)，孔隙壓力下降速率增加，進(jìn)一步促進(jìn)了頁巖氣的解吸，這也有利于頁巖氣的開采。

圖5 四川南部下志留統(tǒng)龍馬溪組不同溫度下頁巖巖樣縱橫波衰減系數(shù)變化率

圖6 四川南部下志留統(tǒng)龍馬溪組不同溫度下頁巖巖樣軸向應(yīng)變—應(yīng)力關(guān)系

表2 四川南部下志留統(tǒng)龍馬溪組不同溫度下頁巖巖樣的強(qiáng)度參數(shù)

圖7 四川南部下志留統(tǒng)龍馬溪組不同溫度下頁巖巖樣的單軸抗壓強(qiáng)度變化率

3 結(jié)論

(1)隨著溫度的增加，頁巖巖樣的色調(diào)逐漸由黑色變?yōu)榛野咨搸r樣品的孔隙度和滲透率發(fā)生明顯變化，即存在一個(gè)閾值溫度，龍馬溪組頁巖的閾值溫度范圍在300～400 ℃。

(2)在實(shí)驗(yàn)溫度范圍內(nèi)，頁巖樣品質(zhì)量隨著溫度增加而下降，孔隙度和滲透率隨溫度增加而增大，聲波時(shí)差隨著溫度增加而降低，聲波衰減系數(shù)隨著溫度增加而增大。

取SD乳鼠腹股溝脂肪進(jìn)行脂肪干細(xì)胞原代培養(yǎng)如圖1a，增殖后胰酶消化后傳代P1如圖1b。然后將細(xì)胞進(jìn)行P2代的2D和3D培養(yǎng)。

(3)在實(shí)驗(yàn)溫度范圍內(nèi)，隨著溫度增加，頁巖樣品的單軸抗壓強(qiáng)度降低，彈性模量下降，泊松比變化規(guī)律不明顯。經(jīng)過溫度600 ℃處理后，頁巖樣品的單軸抗壓強(qiáng)度降幅達(dá)39%。