微波作用下龍馬溪頁巖物理性質實驗測試與分析

衣宏學，劉紅岐，辛炯壟，張雨桐，鄧 羽

（西南石油大學 地球科學與技術學院，四川成都 610500）

經過多年的勘探，探明我國頁巖氣的技術可采資源量達到了36×1012m3，穩居世界第一。近年來，國家出臺了許多政策來推動頁巖氣產業的發展，未來頁巖氣將是我國的重中之重。但開采頁巖氣不僅會消耗大量水資源，還可能造成地下水污染。同時，頁巖氣儲層具有滲透性差、吸附氣含量大等特性，常規技術不易開采[1]。為了對頁巖氣有更多的了解，探索開采新方法，本次實驗的目的為：了解頁巖氣的生成及吸附原理，了解微波化學，通過對比實驗來了解微波作用下龍馬溪頁巖物理性質的變化，主要探究微波能否促進頁巖氣的解吸。若微波能成功運用于頁巖氣開采，將有助于提高頁巖氣產量，保護生態環境。

1 頁巖基礎性質測量實驗

1.1 基礎參數

使用直尺及游標卡尺等計量工具測量巖心的基礎參數，巖心高度h，外徑D，內孔徑d，重量m等參數并及時記錄測量數據。

1.2 物性參數

使用QKY-Ⅱ型氣體孔隙度測定儀測定頁巖巖心的孔隙度，SKY-Ⅱ型氣體滲透率測定儀測定頁巖巖心的滲透率，YDS-Ⅲ型巖心電阻聲波聯測儀測量頁巖巖心的電阻率，獲得頁巖基礎參數與物性參數，如圖1所示。

圖1 P2-V交會圖

根據數據處理結果，可以發現使用標準樣品鋼圓盤的測量數據，來繪制P2-V交會圖所擬合得到的公式，其擬合度為0.9947，擬合效果好。帶進放入巖心后的平衡壓力，計算得到巖心5的孔隙度約為0.4%，巖心6無法計算得到孔隙度值。但這并不是巖心的真實孔隙度，原因有二：①儀器所提供的壓力較小，不足1MPa，氮氣基本無法進入頁巖的孔隙；②樣品表面有許多鉆取巖心時造成的劃痕，有些還比較深，推測這些或大或小的劃痕可能是造成此次實驗巖心a顯示有孔隙性的主要原因。

使用SKY-Ⅱ型氣體滲透率測定儀來測量頁巖巖心滲透率，將環壓調至2MPa，測量壓力提高至最大值0.6MPa處，使用最小量程（6～60mL/min）的流量計進行讀數。等待1.5h左右后，發現小球基本沒有變化，即無讀數，可能無氣流通過頁巖巖心或通過的氣流流量太小。推測原因：頁巖的滲透性太差、孔隙結構復雜、測量壓力較小等無法滿足氣體通過頁巖縫隙的條件，導致流量計基本無任何變化，此為主要原因。或者實驗儀器的精度較低，無法檢測到氣體流量。

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

2 頁巖粉末的解吸實驗

此次實驗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。實驗過程中選擇中低火（40%功率輸出）進行加熱，溫度約為55℃。由于沒有實驗設計出合適的方法來完成實驗，所以并未使用電熱鼓風干燥箱來進行實驗。

2.1 尋找合適材料

通過將數種不同材質的物品放入微波爐，加熱一段時間后觀察物品的變化，發現黑色橡膠塞、小截輸液管和黃色橡膠軟管出現軟化及燒焦現象。玻璃制品出現發燙現象，白色塞子加熱10余分鐘后僅出現略微的溫度變化，由聚四氟乙烯制成的1mm導管基本無任何變化，PET材料制成的塑料瓶收集器亦只有些許溫度變化，微波爐中的托盤經過加熱后也出現溫度上升現象。排除這些微波加熱后會軟化變形、燒焦的材料制品，選用剩下的進行實驗。

2.2 樣品的前期處理

頁巖的孔滲性差，對巖心整體進行注氣不方便，采用粉末狀樣品進行實驗。使用密封式化驗制樣粉碎機對巖樣進行粉碎處理，取出粉末狀巖樣后，重復粉碎大顆粒巖樣。使用8 000目的細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 腔體內收集氣體

將已充氣且經過卸壓的頁巖粉末（每克含氣量約為0.001g）放入燒杯中，進行加熱后收集氣體。開始時設想加熱后混合氣在腔體內呈均勻分布，因此只需要把收集器放在腔體內即可收集到氣體，待一段時間后密封取出便可以進行檢驗。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譜儀檢測。在經過加熱的頁巖粉末中，發現了一小團泥巖，推測是細篩上殘留或者其他原因。

設想增加頁巖粉末量，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，這個過程中會溢出大量混合氣，依舊無法收集到合適的混合氣（滿足檢驗要求）。

甲烷分子量僅為16，空氣約為29，即空氣比甲烷重。腔體內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。設計了一個使用向下排氣法收集氣體的裝置（圖2），整個裝置由兩個集氣瓶、一個玻璃容器、3個木塞和4根玻璃管組成。但是各個部分連接的彎狀玻璃管無法找到，實驗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發生燒焦軟化現象，因此無法用于完成實驗；若能定做出這種彎管，此裝置用于定性分析微波能否促進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放置一個裝水的容器，在加熱情況下水蒸氣會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，而實驗室中的夾持器基本都是鐵質器件，金屬類物品放入微波爐中會產生電火花，危險系數高，這種方法亦被淘汰。也設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，但是加熱時混合氣體會膨脹，盒子容易發生爆炸，安全系數低，舍去這個方法。

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管將氣體導出腔體后，利用排水法收集。起初嘗試用易于找到的輸液管充當導管，在實驗過程中主要發現了兩大問題，分別是：①管子較粗時，爐門無法完全關閉，微波爐不能正常進行加熱；②輸液管為PVC（聚氯乙烯）材料制成，受熱會變形且有燒焦現象產生。因此需要尋找新的導管，一段時間后，發現微波爐爐壁的上方有一個小孔，并且找到一種基本不受溫度影響的導管，由聚四氟乙烯材料制成的1mm細管，按照原始方案將導管從爐腔傳出，兩端分別與放樣品的容器與氣體收集器連接，而后進行實驗。

但在實驗過程中，又發現了一個極其嚴重的問題，微波爐的加熱方式為間歇性加熱，加熱5s左右的時間內有氣泡產生，但是5s后微波爐會停止加熱，此時無氣泡產生且有倒吸現象發生。實驗后的腔體內，明顯可見裝有樣品的容器已經由于倒吸，導致整個瓶身全部覆蓋著一層頁巖粉末。而且加熱15s左右后，容器內的空氣基本已經排干凈，會有部分頁巖粉末經由導管中被“吹出”。同時也發現在導管與白色塞子的連接處有燒焦膨脹現象，連接處涂有膠水堵塞縫隙，膠水也不耐高溫。

查閱文獻后得知，頁巖吸附氣快速解吸的時間一般為8～24h[2]，盡管在微波作用下速度會提高，也不可能短短數秒完成解吸，因此需要重新設計出一個微波發生器來完成實驗。而且頁巖儲層的溫度一般處于60～90℃，未來實驗時需要改變加熱溫度，使加熱時的樣品溫度接近實際儲層的溫度范圍。

2.5 理論設計圖

根據實驗中出現的各類問題，并結合頁巖吸附氣的影響因素，設計了一個缺點比較少的裝置（圖3），理論上此裝置獲取的數據能夠證明在微波作用下可以提高頁巖氣的解吸速度。

圖3 微波加熱實驗裝置

其中，1為量筒，精度盡量高；2是傳輸氣體的導管，最好附帶氣體流量監測計；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，從現場取心并進行密封的巖心為最佳樣品；6為放置頁巖的腔體（帶旋轉功能），里面有支撐結構固定巖心；7為加熱儀器，主要由微波發生器、溫度和壓力控制儀組成；此儀器應具有溫度及壓力可控，微波頻率可以調節，微波發射及作用方式可選，可持續產生微波的特性。

此裝置可以測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。若條件允許最好設計出高精度氣體檢測儀與收集裝置相連接。

3 頁巖的加熱對比實驗

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干燥箱進行加熱，等待一段時間后觀察頁巖表面變化。等待合適的時間后，將巖心浸入水中，飽和較長時間后，再次將巖心放入兩種儀器中進行加熱，等待一段時間后觀察頁巖表面變化。

實驗前選取的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，在經過烘箱加熱后都沒有任何特殊的變化。經過加熱實驗后，可以發現干巖心經過微波作用后幾乎無任何變化；而經過水浸泡的頁巖在接受微波加熱后有明顯的裂縫產生。

有研究者曾經對飽和了原油的巖心進行切片加工，然后使用微波輻射與恒溫烘箱兩種方式對薄片進行對比實驗。進行加熱后，發現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十余條裂縫且原來不明顯的晶間縫也有了明顯的變寬現象，使用微波對巖心進行加熱處理可以促進裂縫的發育。儲集層中一般會存在大量的孔隙，其中含有以地層水和油氣為主的流體，不同物質對微波的吸收能力有著千差萬別的不同，比如石英對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時其溫度變化差距很大，不同組分的熱膨脹系數也大不相同，造成巖心發生了不均勻熱膨脹現象，在此過程中會產生很大的熱應力，導致巖心會出現很多裂縫。此次實驗在微波作用下，飽和部分水的頁巖產生了少許裂縫，這一實驗結果是符合實際的。

4 結論

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。這些特性導致了實驗過程中的諸多不便。

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）。微波具有熱效應和非熱效應，理論上當微波作用于頁巖時能夠促進頁巖氣的解吸；但是由于實驗條件的限制，沒有獲得可靠的數據可以進行佐證。需要對整個實驗進行進一步的完善，設計合適的實驗儀器和實驗步驟，才可能得到可信的實驗結果來證明這一想法。

3）飽和部分水的頁巖經過微波加熱后會產生少許裂縫，而經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，巖心會發生不均勻的熱膨脹和冷收縮現象，在此過程中會產生很大的熱應力，導致巖心出現很多微裂縫。