TCS巖石熱導(dǎo)率測(cè)試與特征分析

于 琪，朱煥來(lái)，2，楊霄宇，2

(1. 東北石油大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院，黑龍江 大慶 163318； 2. 東北石油大學(xué) 地?zé)崮苎芯恐行?黑龍江 大慶 163318)

0 前 言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，能源短缺，資源枯竭的問(wèn)題日益突出。地?zé)豳Y源是非常寶貴的綜合性礦產(chǎn)資源，是存在于地球內(nèi)部的可再生的熱能，他作為清潔高效的可再生能源，目前已被人們開發(fā)利用研究。地?zé)豳Y源的開發(fā)很大程度上解決了資源匱乏帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)問(wèn)題，減少了對(duì)于環(huán)境的污染。因此，重視地?zé)豳Y源的有效開發(fā)利用顯得至關(guān)重要，合理高效的開發(fā)利用地?zé)豳Y源有助于我國(guó)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。

地球內(nèi)部蘊(yùn)藏巨大的熱能，這些熱能主要通過(guò)3種方式向地表傳遞，分別是熱輻射、熱對(duì)流和熱傳導(dǎo)。在巖石圈中熱傳導(dǎo)是內(nèi)部熱能傳遞的主要方式。在地?zé)豳Y源的開發(fā)利用中，巖石的熱導(dǎo)率數(shù)據(jù)是計(jì)算研究區(qū)域大地?zé)崃髦档闹匾獏?shù)之一，是描述巖石熱狀態(tài)以及熱演化過(guò)程的重要熱力學(xué)參數(shù)。巖石的熱導(dǎo)率在很大一定程度上反映了研究區(qū)域內(nèi)地?zé)豳Y源的溫度以及分布情況。

巖石熱導(dǎo)率是指巖石內(nèi)部發(fā)生熱傳導(dǎo)時(shí)，沿著巖石內(nèi)部熱流傳遞的方向垂直向下溫度相差1℃/m時(shí)，單位時(shí)間所通過(guò)的能量。他表示了巖石內(nèi)部熱能傳遞能力的大小[1-3]。巖石熱導(dǎo)率的測(cè)量是測(cè)量巖石導(dǎo)熱能力的一種方法。巖石物理力學(xué)性質(zhì)中，巖石熱導(dǎo)率的測(cè)量主要包括原地測(cè)量和實(shí)驗(yàn)室測(cè)量的方法。實(shí)驗(yàn)室熱導(dǎo)率的測(cè)量根據(jù)樣品導(dǎo)熱過(guò)程中的原理、熱流的流向、樣品本身的形狀與體積大小等分為穩(wěn)態(tài)法和非穩(wěn)態(tài)法兩種。穩(wěn)態(tài)法是指實(shí)驗(yàn)室樣品分布溫度達(dá)到穩(wěn)定后進(jìn)行測(cè)量的方法，可以直接測(cè)得導(dǎo)熱系數(shù)。非穩(wěn)態(tài)法是指實(shí)驗(yàn)室樣品溫度隨著時(shí)間的變化而進(jìn)行測(cè)量的方法。TCS巖石熱導(dǎo)率掃描儀是非穩(wěn)態(tài)的測(cè)量方法。熱導(dǎo)率測(cè)量的理想狀態(tài)是原地測(cè)量巖石熱導(dǎo)率，但原地測(cè)量的方法由于測(cè)量環(huán)境復(fù)雜，巖石差異明顯，因而所測(cè)得的數(shù)據(jù)不能完全代表巖石所在地沿?zé)崃鞣较虻臒釋?dǎo)率[4]。

為了了解徐家圍子地區(qū)整體的巖石熱傳導(dǎo)性能，對(duì)研究區(qū)域內(nèi)不同深度，不同巖性進(jìn)行采樣，利用TCS巖石熱導(dǎo)率掃描儀測(cè)試研究20塊樣品的熱導(dǎo)率。測(cè)試數(shù)據(jù)分析研究區(qū)域內(nèi)巖石熱導(dǎo)率的特征以及其對(duì)于地溫場(chǎng)特征的影響。本次測(cè)量熱導(dǎo)率的掃描儀采用光學(xué)掃描高精度的測(cè)試方法，對(duì)于不同深度地層的巖樣進(jìn)行熱導(dǎo)率掃描。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

徐家圍子斷陷地處松遼盆地北部地區(qū)，是近似呈現(xiàn)出SN走向的箕狀斷陷[5](見圖1)，西部因斷層而與古中央隆起帶相隔，東部與朝陽(yáng)萬(wàn)古隆起帶呈斜坡過(guò)渡。區(qū)域東西寬約25～60 km，南北長(zhǎng)約95 km，總體表現(xiàn)為西斷東超的構(gòu)造格局，斷陷內(nèi)主要發(fā)育3大斷裂帶即徐西斷裂(南北兩段)、徐中斷裂及徐東斷裂帶。徐家圍子斷陷是一個(gè)邊界明確清晰的斷陷型沉積盆地。斷陷由于內(nèi)部總體面貌差異較大，可以分為3個(gè)二級(jí)構(gòu)造單元，即安達(dá)凹陷、杏山凹陷、薄荷臺(tái)凹陷。

圖1 徐家圍子斷陷構(gòu)造區(qū)劃

2 巖石熱導(dǎo)率研究現(xiàn)狀

巖石熱導(dǎo)率的大小與巖石的結(jié)構(gòu)、巖石的組成、巖石含水量的大小、巖石所處環(huán)境的溫度、巖石所處地層的壓力有關(guān)。一般情況下，巖石的熱導(dǎo)率跟巖石所在的深度、壓力以及巖石本身的密度和濕度有關(guān)。不同巖石由于其內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其形成環(huán)境的差異，因而巖石熱導(dǎo)率系數(shù)也有所不同。熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流是巖石介質(zhì)中熱交換的最主要的方式，傳導(dǎo)傳熱主要受巖石熱導(dǎo)率的影響[6](見圖2)。

圖2 各類巖石的熱導(dǎo)率

由圖2可以看出：基底巖性中大部分是花崗巖的巖體，熱導(dǎo)率較高。砂巖熱導(dǎo)率較低，熱導(dǎo)率隨著深度的增加而增加。巖石熱導(dǎo)率受巖石礦物組成的影響，隨著泥質(zhì)含量的增加巖石的熱導(dǎo)率逐漸降低。

孔隙度與巖石熱導(dǎo)率成反比的關(guān)系，孔隙度越大，巖石的導(dǎo)熱能力越小。不同巖性地層組合所在的地溫場(chǎng)溫度不同[7]。巖石熱導(dǎo)率同地層深度成正比的關(guān)系。隨著深度的增加，各類巖石熱導(dǎo)率也逐漸增加[8](見圖3)。

圖3 巖石熱導(dǎo)率(左)和生熱率(右)隨深度變化關(guān)系

在不同的結(jié)構(gòu)狀態(tài)下，不同巖石熱導(dǎo)率數(shù)值有所不同。結(jié)構(gòu)致密的巖石在干燥和飽水狀態(tài)下熱導(dǎo)率的差別不大，結(jié)構(gòu)疏松的巖石在干燥和飽水狀態(tài)下熱導(dǎo)率有明顯的差異。由于熱傳導(dǎo)主要是通過(guò)巖石顆粒間的接觸面進(jìn)行傳導(dǎo)，因而巖石的結(jié)構(gòu)差異越明顯，熱導(dǎo)率就相差越大。在飽和流體情況下，巖石熱導(dǎo)率隨著孔隙度增加而減小[9-12]。陳墨香[13]通過(guò)對(duì)于華北地區(qū)的巖樣進(jìn)行測(cè)試后認(rèn)為，基巖熱導(dǎo)率的大小一般與所處的層位無(wú)關(guān)，主要由基巖本身的礦物組成和化學(xué)成分決定。趙永信等[14]通過(guò)對(duì)于巖石樣品升溫后巖石熱導(dǎo)率變化的觀察實(shí)驗(yàn)得出，巖石熱導(dǎo)率隨著溫度的增加而降低。沈顯杰等[15]指出巖石的熱導(dǎo)率隨著壓力的增加而增加。對(duì)于巖石結(jié)構(gòu)疏松且孔隙度較大的巖體影響比較明顯。這主要是由于隨著壓力的增加，巖石孔隙逐漸減小增加了固體的傳熱效果。

巖石熱導(dǎo)率是研究巖石物性的關(guān)鍵，也是求取研究區(qū)域大地?zé)崃髦档闹匾獰嵛镄詤?shù)之一。對(duì)于巖石熱導(dǎo)率的研究，一些國(guó)家在搜集、整理相關(guān)測(cè)試數(shù)據(jù)后，建立了自己的熱物性數(shù)據(jù)庫(kù)。其中就以美國(guó)普渡大學(xué)分析綜合數(shù)據(jù)分析庫(kù)為代表。他將導(dǎo)熱系數(shù)、熱擴(kuò)散率、比熱、熱膨脹系數(shù)、熱發(fā)散率和粘度6個(gè)參數(shù)系統(tǒng)的匯編了一套完整的熱物性評(píng)價(jià)手冊(cè)，是目前為止世界上數(shù)據(jù)最完善的一部熱物理性的數(shù)據(jù)手冊(cè)[16]。經(jīng)過(guò)國(guó)內(nèi)外大量研究和實(shí)驗(yàn)，已經(jīng)逐步形成了較為完善的巖石熱導(dǎo)率測(cè)量的理論和技術(shù)。

測(cè)試巖石熱導(dǎo)率根據(jù)測(cè)試所在的環(huán)境主要分為兩種方法：①實(shí)驗(yàn)室測(cè)量法；②原地測(cè)量的方法。相比實(shí)驗(yàn)室測(cè)量方法，原地測(cè)量方法由于巖石差異明顯，因而測(cè)得的巖石熱導(dǎo)率的值不能代表巖石所在層位的熱導(dǎo)率。原地測(cè)量法由于巖石所處的環(huán)境差異以及巖石本身體積的較難代表整個(gè)剖面的情況，針對(duì)這些情況，原地測(cè)量方法主要分為圓柱形熱源探管、圓形熱源探管、球形熱源探管3種方法。實(shí)驗(yàn)室測(cè)量分為勃契克拉克法、李一貝克的分離桿方法、馮赫仁和麥克斯韋針形方法和門杰里巖心切片法[17-21]。

3 巖石熱導(dǎo)率特征

3.1 工作原理及方法

Thermal Conductivity Scanner(TCS)是由德國(guó)TCS-Lip-pmann公司和Rauen所制造的測(cè)量熱導(dǎo)率系數(shù)和巖石熱擴(kuò)散系數(shù)的儀器。該設(shè)備操作簡(jiǎn)單、省時(shí)高效、對(duì)所檢測(cè)樣品無(wú)損壞且準(zhǔn)確度高。在測(cè)試前對(duì)于所測(cè)試的樣品不需要特殊的加工，可以測(cè)得完整、斷頭、碎塊巖心等不同形態(tài)巖石巖心的熱導(dǎo)率，對(duì)于樣品形態(tài)無(wú)需加工，可快速高效的測(cè)得不同形態(tài)不同面水平方向上的巖石熱導(dǎo)率[22]。TCS掃描所使用的技術(shù)是由Prof.Dr.Yuri Popov所發(fā)明并授權(quán)TCS-Lippmann and Rauen使用[23]，儀器主要由一個(gè)水平放置的平臺(tái)和兩個(gè)紅外探頭組成(見圖4)，通過(guò)一個(gè)連續(xù)移動(dòng)的熱源與紅外傳感器相結(jié)合來(lái)對(duì)未知樣品的平面或圓柱形表面進(jìn)行掃描。通過(guò)與兩個(gè)加熱樣品巖石熱導(dǎo)率數(shù)值對(duì)比計(jì)算得出未知樣品的巖石熱導(dǎo)率。

圖4 TCS巖石熱導(dǎo)率掃描儀

3.2 樣品測(cè)試

本次研究選擇了徐家圍子地區(qū)作為本次研究的測(cè)試對(duì)象。為了測(cè)試不同樣品不同巖性的熱物性質(zhì)差異，采集了不同地層層位，深度在1 600～3 600 m之間共20塊巖心。本次測(cè)試分別選取了不同深度且不同巖性的巖心進(jìn)行測(cè)量。所取巖樣的巖石類型主要有泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、粗砂巖、細(xì)砂巖等?；敬砹怂芯繀^(qū)域內(nèi)地層的主要巖石類型。利用TCS熱導(dǎo)率測(cè)量?jī)x對(duì)巖石熱導(dǎo)率進(jìn)行巖石熱導(dǎo)率測(cè)量，測(cè)試結(jié)果如表1所示，徐家圍子巖石熱導(dǎo)率測(cè)試數(shù)據(jù)圖見圖5，不同深度巖石巖性巖石熱導(dǎo)率分布圖見圖6。

從表1測(cè)試結(jié)果表明：研究區(qū)域內(nèi)巖石熱導(dǎo)率介于0.962～4.066 W/(m·K)之間，平均值為1.788 W/(m·K)，極大極小值較少。巖石熱導(dǎo)率隨著所處地層深度的增加，巖石熱導(dǎo)率的數(shù)值也呈現(xiàn)出增加的趨勢(shì)。由于各個(gè)層位巖心巖性的不同，因而測(cè)試出的巖石熱導(dǎo)率在數(shù)值上有一定的差異。

表1 巖心熱導(dǎo)率測(cè)試數(shù)據(jù)

通過(guò)圖5整體可以看出：研究區(qū)域巖石熱導(dǎo)率較高，且呈鋸齒狀分布。

由圖6可以看出：不同屬性不同地層巖石的熱導(dǎo)率不同，深度越深，巖石熱導(dǎo)率的值越大。巖石熱導(dǎo)率隨著砂質(zhì)含量的降低而降低，即泥質(zhì)粉砂巖﹥細(xì)砂巖﹥泥巖﹥粗砂巖。結(jié)合已有的數(shù)據(jù)進(jìn)而可以推測(cè)出研究區(qū)域大地?zé)崃髦递^高，地?zé)豳Y源豐富。

4 結(jié) 論

1)熱導(dǎo)率是表示巖石熱傳導(dǎo)能力的物理量。通過(guò)實(shí)驗(yàn)室測(cè)量的方法，使用TCS巖石熱導(dǎo)率掃描儀對(duì)徐家圍子地區(qū)不同深度巖石熱導(dǎo)率進(jìn)行測(cè)量。研究區(qū)域內(nèi)兩組巖石熱導(dǎo)率變化范圍介于0.962～4.066 W/(m·K)之間，平均值為1.788 W/(m·K)?？梢钥闯鲅芯繀^(qū)域內(nèi)巖石的導(dǎo)熱性能較好，結(jié)合已有的地溫梯度特征可以推算出，徐家圍子地區(qū)大地?zé)崃髦递^高且地?zé)豳Y源豐富。若能合理的開發(fā)利用，則可以很大一部分程度上解決化石能源短缺帶來(lái)的能源問(wèn)題。有利于環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。

圖5 徐家圍子巖石熱導(dǎo)率測(cè)試數(shù)據(jù)

圖6 不同深度巖石巖性巖石熱導(dǎo)率分布

2)巖石熱導(dǎo)率與巖石本身所處的地層深度、巖石內(nèi)部結(jié)構(gòu)、含水狀況、巖石孔隙度以及周圍的溫度壓力有關(guān)。一般情況下，巖石所處的深度越深，導(dǎo)熱性能越好。在飽和流體的情況下，巖石的熱導(dǎo)率隨著孔隙的增加而減小。溫度對(duì)于巖石的熱導(dǎo)率影響較大，巖石的熱導(dǎo)率和溫度呈反比，溫度越高巖石熱導(dǎo)率就越小。壓力的變化會(huì)在一定程度上改變巖石已有的孔隙結(jié)構(gòu)，壓力越大巖石的熱導(dǎo)率越高。

3)本次實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，徐家圍子地區(qū)巖石熱導(dǎo)率從高到低依次為粉砂質(zhì)泥巖、細(xì)砂巖、泥巖、粗砂巖。研究區(qū)域內(nèi)巖石熱導(dǎo)率整體上呈現(xiàn)出隨著地層深度的增加而增大的趨勢(shì)，不同地層巖石由于其自身結(jié)構(gòu)及巖石屬性不同，因而熱導(dǎo)率也具有一定差異。由于徐家圍子地區(qū)屬于沉積盆地型地?zé)豳Y源，在沉積盆地中，巖石的熱導(dǎo)率隨著深度的增加而增大。由已知不同深度巖石熱導(dǎo)率可大致判斷出，徐家圍子地區(qū)地?zé)豳Y源豐富，可利用程度較好。利用TCS巖石熱導(dǎo)率掃描儀測(cè)試研究區(qū)域內(nèi)不同地層深度的巖石熱導(dǎo)率，對(duì)于研究區(qū)域內(nèi)巖石的熱演化過(guò)程以及地?zé)豳Y源的開發(fā)利用起到了借鑒作用。