油頁巖熱物理性質研究綜述

董付科

（1．河北地質職工大學，河北石家莊　050081；2．太原理工大學采礦工藝研究所，山西太原　030024）

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油頁巖熱物理性質研究綜述

董付科1，2

（1．河北地質職工大學，河北石家莊050081；2．太原理工大學采礦工藝研究所，山西太原030024）

摘要：本文回顧了油頁巖在加熱條件下，油頁巖的熱解特性、油頁巖的導熱特性和油頁巖的力學特性等基本熱物理特性。油頁巖熱解分為三個階段：低溫水分析出階段，中溫有機質分解階段和高溫結晶水析出階段；油頁巖的導熱系數呈現各向異性，平行層理導熱系數大于垂直層理的導熱系數，且溫度對于導熱系數的影響較弱；油頁巖的抗拉強度、抗壓強度、彈性模量和泊松比隨溫度的升高而減小；油頁巖隨著溫度的升高，蠕變特性更加明顯，拉伸破壞往往出現在熱解過程中。

關鍵詞：油頁巖；熱解特性；導熱特性；力學特性

Key words：oil shale；pyrolysis characteristics；characteristics of thermal conductivity；mechanical properties

油頁巖作為世界能源石油重要的切實可行的代替資源[1]，受到各個國家的重視。中國是一個油頁巖資源豐富的國家，儲量僅次于美國、巴西、愛沙尼亞，居世界第4位[2]。原位開采是一種污染小，能源利用效率高而受到人類關注的綠色開采技術。原位開采就是通過各種方式（水蒸氣加熱、電極加熱等）加熱油頁巖獲得其油氣的一種技術。由于加熱溫度升高，油頁巖熱解特性、熱傳導特性、力學特性也會發生變化。本文回顧了近期國內外油頁巖熱物理特性研究成果。

1　油頁巖熱解特性

油頁巖是由無機礦物和有機質組成，有機質包括瀝青質和干酪根。油頁巖熱解特性是利用熱分析動力學原理研究油頁巖熱解的復雜過程，確定其油頁巖動力學參數和機理函數，使其更接近其反應的實質。通過分析其熱解的機理為油頁巖原位開采提供參考。遲姚玲研究認為研究油頁巖干餾通常包括3個過程：油頁巖加熱過程、受熱分解過程、熱解反應產物擴散與導出過程[3]。

油頁巖有機質的主要組成是干酪根和瀝青質，瀝青質和干酪根熱解產生的頁巖油和頁巖氣是理想的能源。熱重曲線是分析油頁巖熱解的重要技術，通過加熱破碎成一定粒度以下油頁巖樣品來獲得其質量的變化和每個階段的產物來掌握其熱解機理和特征。

吉林樺甸和遼寧撫順油頁巖熱重曲線和微分曲線（見圖1，圖2）。從曲線可以看出油頁巖熱解主要包括三個階段。第一階段（室溫～300℃）為低溫失重階段，主要為水分析出階段；第二階段（300℃～550℃）為中溫失重階段，是有機質集中析出的階段；第三階段（550℃～900℃）為高溫失重階段，是礦物質析出結晶水的階段。

第二階段是有機質集中析出階段，也是獲得頁巖油的關鍵階段。對于其反應過程動力學參數如化學反應活化能、指前因子和機理函數研究來獲得更高的油收率。遲姚玲等采用串聯一級反應模型的firedman研究龍口油頁巖的熱解反應機理，計算了活化能和頻率因子[4]。閆澈等采用分階段模型研究了樺甸油頁巖熱解過程[5]。

圖1　吉林樺甸油頁巖TG曲線和DTG曲線[6]

圖2　遼寧撫順油頁巖TG和DTA曲線[7]

2　油頁巖熱傳導特性

導熱系數是指在穩定傳熱條件下，1 m厚的材料，兩側表面的溫差為1度（K），在1 h內，通過1 m2面積傳遞的熱量，單位為瓦/米·度（W/m·K）。

導熱系數是表征物質導熱能力的物理量。熱能的傳導是物質內部微觀粒子相互碰撞和傳遞的結果。煤、巖石和土壤都是由各種晶粒組成的無機非金屬物質，其內部的熱能傳導是通過晶體點陣或晶格的振動來實現的。物質結合得越致密，固體分子的振動就越容易傳播，那么導熱系數越大[8]。

油頁巖熱傳導特性測試的方法采用國際上通用的巖土導熱系數測量方法，主要有兩大類：一類是穩態法，如穩定平板法和分棒法；另一類則是非穩態法或稱瞬態法，如環形熱源法和線熱源法[9]。

王秋雯做了常溫常壓下吉林樺甸油頁巖平行層理導熱系數和垂直層理導熱系數測定，數據（見表1）。實驗發現平行方向導熱系數大于垂直方向的，說明導熱系數存在各向異性[10]。

表1　吉林樺甸油頁巖導熱系數[8]單位：kcal/（m·h·℃）

于永軍[11]做了高溫下撫順油頁巖的導熱系數的研究，發現導熱系數也存在各向異性（見圖3），且平行層理方向大于垂直方向的，與常溫下研究是一致的。同時還發現從常溫到300℃導熱系數隨溫度的升高導熱系數呈線性降低的，且水平導熱系數始終大于垂直導熱系數。從常溫升高到300℃平行層理的導熱系數只降低了0.44，約占常溫導熱系數23 %，垂直層理導熱系數降低了0.28左右，約占常溫導熱系數25 %，相對于溫度的升溫梯度，溫度對熱傳導系數影響較弱[11]。導熱系數的降低可能與該階段油頁巖中水分在溫度作用下析出，增加了一定數量的孔隙，導致導熱系數降低。從常溫到300℃應對應于油頁巖熱解的第一階段（室溫～ 300℃）為低溫水分析出階段。該階段300℃還沒有達到化學角度上有機質分解的溫度，有機質分解的溫度普遍在300℃～500℃[12]。

圖3　平均導熱系數與溫度關系圖[9]

文獻[13]認為油頁巖中無機礦物的導熱系數大于有機質，而有機質的導熱系數大于孔隙的，導熱系數主要與油頁巖中孔隙數量有關，也就是晶格之間，晶格與有機質之間，有機質本身以及有機質熱解產生的孔隙，隨著溫度的升高熱解過程的進行，產生的孔隙增多，導致導熱系數降低。決定于油頁巖導熱系數大小的主要因素是油頁巖的孔隙率，同時也能闡釋導熱系數隨著溫度增加而降低的現象。油頁巖和煤同屬沉積巖，二者有可比性。有時煤和油頁巖伴生[14-18]。

文獻[8]中在測量煤系地層的導熱系數時發現，常溫下大多數物質導熱系數與溫度成反比。煤系地層具有不同的孔隙率，當孔隙中充填氣體時，因氣體的導熱系數小使得試塊的導熱系數降低。孔隙率越大、溫度越高時，其導熱系數就越小。

3　油頁巖力學特性

油頁巖在溫度作用下力學特性是油頁巖熱物理特性一個重要方面。油頁巖力學特性是溫度和壓力的函數。油頁巖抗壓強度、抗拉強度和彈性模量與油頁巖品位呈負相關，而泊松比與品位呈正相關[19]。油頁巖力學特性受溫度影響較大，隨著溫度的升高，抗拉強度和抗壓強度會降低，而且不同品位的油頁巖的強度隨溫度的升高呈現對數降低（見圖4和圖5）。油頁巖隨著溫度的升高，蠕變特性更加明顯，拉伸破壞往往出現在油頁巖受熱產生油氣過程中。

圖4　不同品位的油頁巖抗拉強度與溫度關系[19]

圖5　不同品位的油頁巖抗壓強度與溫度的關系[19]

在常溫條件下，油頁巖的單軸抗壓強度隨著加載速率降低也隨之降低，彈性模量隨著圍壓提高呈非線性增加，抗壓強度和彈性模量隨著油頁巖品位的增加而降低，油頁巖的泊松比在室溫條件下隨著品位增加而增加[19]。

國內趙靜博士做了高溫后撫順油頁巖樣品單軸抗壓強度隨溫度的變化規律（見圖6），單軸抗壓強度與溫度呈負指數關系。圖5單軸抗壓強度與溫度呈負對數關系。受溫度的作用，抗壓強度會降低，只是降低的幅度不同。彈性模量隨溫度升高呈負對數規律降低（見圖7）。

圖6　油頁巖抗壓強度與溫度的關系[20]

圖7　油頁巖彈性模量與溫度關系[20]

趙靜是用加熱到設定溫度的樣品冷卻到室溫獲得實驗參數，這與高溫下實時測量有一定區別，測得彈性模量能否反映其高溫時本質還需要進一步研究。油頁巖在300℃以上干酪根開始熱解產生頁巖油和頁巖氣，由于干酪根的快速蠕變，高溫實時測得彈性模量可能較高溫后還要小。

油頁巖強度和彈性模量隨溫度升高而降低，這與油頁巖加熱發生一系列的變化是密切相關的。油頁巖主要由各種無機礦物、有機質和孔隙組成，在加熱過程中無機礦物分解，有機質干酪根發生熱變形和熱解產生油氣等會造成油頁巖發生蠕變變形，隨著溫度的提高干酪根的軟化和蠕變也會加快。

4　結論

對油頁巖的熱解特性、熱傳導特性和油頁巖的力學特性在溫度與壓力的作用下作了回顧。油頁巖熱解分為三個典型的階段：低溫水分蒸發失重階段；中溫有機質熱解階段；高溫碳酸礦物分解階段。導熱系數存在各向異性且平行層理的導熱系數大于垂直層理的導熱系數，油頁巖導熱系數隨溫度的升高呈現降低的趨勢，溫度對導熱系數的影響不是很大。油頁巖的抗拉強度、抗壓強度、彈性模量和泊松比都隨著溫度的升高而降低。

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油氣工程

Reviewed of oil shale thermal physical property research

DONG Fuke1，2
（1.Vocational College of Geology，Shijiazhuang Hebei 050081，China；2.Mining Technology Research Institute，Taiyuan University of Technology，Taiyuan Shanxi 030024，China）

Abstract:The pyrolysis,thermal conductivity and the mechanical properties of oil shale under heating conditions are reviewed.Oil shale's pyrolysis is divided into three stages,the low temperature water precipitation phase,the organic matter decomposition temperature and high temperature crystallization water precipitation phases.The anisotropic behavior is observed on the coefficient of thermal conductivity of oil shale.The coefficient of thermal conductivity of parallel bedding is greater than that of the vertical bedding and the effects of temperature on thermal conductivity is weak.Tensile strength, compressive strength,elastic modulus and poisson's ratio of oil shale decrease with the increase of temperature.As the temperature increases,more creep properties are observed.Tensile failure tend to appear in the process of pyrolysis.

作者簡介：董付科，男（1979-），講師，2008年碩士畢業于中國礦業大學采礦工程系，現為太原理工大學博士研究生，主要從事油頁巖原位開采的研究工作，郵箱：310097761@qq.com。

基金項目：河北省教育廳科學技術處“溫度和應力耦合作用下巖石峰后力學特性的研究”項目，項目編號：Z2014008。

*收稿日期：2015－11-23修回日期：2016－01-08

DOI:10.3969/j.issn.1673-5285.2016.02.001

中圖分類號：TE311

文獻標識碼：A

文章編號：1673-5285（2016）02-0001-05