荷載條件下泥頁巖熱物性參數試驗研究

張 棟， 黃正均， 梁明純， 苗勝軍， 劉 鈺

(1. 北京科技大學土木與資源工程學院，北京 100083; 2. 北京科技大學 城市地下空間工程北京市重點實驗室，北京 100083)

0 引 言

近年來，隨著頁巖油氣等頁巖層中的非常規油氣資源開發利用的重視發展，部分國內油氣開發領域的研究學者和工程技術人員針對我國陸相頁巖層系液態烴偏低的問題，已開展“原位轉化”等非常規油氣開發領域的技術革命研究，即“頁巖油革命”，從而實現我國頁巖油開發利用的突破[1]。因此，準確獲取巖石的熱物性參數對保證原位轉化過程中巖層熱場精確構建極為重要。此外，深部礦產資源開發及地熱能等清潔能源開發利用，未來也將成為我國能源領域的重大戰略方向。深部礦產資源（2 000 m以深）開發利用中的高地溫巖層降溫技術、礦熱共采技術，以及地熱開采中的高效換能提取技術等，其設計、開采實施等過程都與巖層熱物性參數密切相關。然而，深部巖體與淺層不同，往往處于高地應力、高地溫等復雜條件作用下，其熱物性參數與卸荷、常溫等條件下具有顯著不同。因此，準確獲得巖石在不同壓力條件下的熱物性參數對指導深部資源開采、地熱開發利用等工程設計、施工、運行都具有重要指導意義。

巖石熱物理性質通常包括熱導率（導熱系數）、熱擴散系數、比熱容、熱膨脹系數等，其主要取決于巖石的礦物組成和內部結構，還與巖石所賦存的條件有重要關系，如巖石礦物成分、密度、含水率、溫度等。國內外部分學者也對此開展了較多研究工作。徐振章[2]討論了影響巖石熱物理性質的因素和機制，提出壓力對巖石比熱容的影響很小。張煥杰[3]等對春光油田泥巖和砂巖開展了熱物理參數影響試驗，得出了其與巖性、粒度、密度和含油水飽和度的影響關系。劉小宇[4]選擇吉林、黔江等不同地區的頁巖和砂巖開展了詳細的熱物理參數試驗，分析了頁巖熱物性參數的影響因素，得出了其與孔隙度、滲透率、TOC含量、層理方向、溫度等的影響變化規律。李香蘭[5]等采用光學掃描法測試了華南下樣子區泥頁巖的熱導率和生熱率，并簡要分析了礦物成分對其的影響。于文剛[6]以龍馬溪組頁巖為對象，分析了礦物組分、孔隙度、溫度等對熱導率的相互影響關系。郭政[7]等分析了熱處理溫度和壓力條件對北山花崗巖導熱系數的影響規律。DUCHKOV[8]等分析了俄羅斯西伯利亞Bazhenovo巖石熱導率與巖層方向的變化規律，認為其與有機質礦物和硅質礦物的含量有關。于永軍[9]等分析了不同層理方向油頁巖熱膨脹系數和導熱系數的變化規律，并模擬了高溫條件下的熱破裂過程。程超[10]等總結了巖石熱物理性質的研究進展和發展趨勢，闡述了與其他性質間的關系，提出巖石各向異性下導熱性能可能不同。其他學者[11-12]也針對不同地區的巖石開展了熱物性參數特征及影響因素分析，得出了部分有借鑒價值的研究成果。

前述研究幾乎都圍繞巖石無荷載條件下的熱物性參數及變化規律，對于不同荷載條件下的熱物性參數變化規律鮮有涉及，且均未考慮巖石性質具有各向異性的影響，更不用說將荷載條件與各向異性影響結合考慮。本文主要以某泥頁巖為研究對象，重點開展室溫時不同壓力條件下巖石的熱物性參數特征分析，并結合各向同性和各向異性兩種模塊，采用TPS瞬態平面熱源法測試主要熱物性參數的變化規律，分析荷載壓力與方向等對其的影響規律，為非常規頁巖油氣開采和深部礦產資源及地熱能開發利用提供基礎數據。

1 試驗方案

1.1 巖樣及設備

本文結合某油氣工程現場取回的泥頁巖巖樣，加工為直徑50 mm，高度25～30 mm的圓盤試樣，加工精度符合GB/T 50266—2013《工程巖體試驗方法標準》的要求[13]。共計4組，分別為1#～4#，每組3件，部分巖樣照片見圖1。

圖1 部分泥頁巖試樣

泥頁巖加載過程采用美國MTS公司的815系列巖石力學測試系統進行（見圖2），其最大軸向負荷2 700 kN，具有測量和控制精度高、伺服響應速度快、穩定性好、可負荷控制和變形控制多種加載方式等特點。巖石熱物理性質采用Hot disk公司的TPS2500S熱常數分析系統進行測試，其具有測試范圍廣、精度高、適用樣品廣、有各向同性和各向異性多種測試模塊、測試時間短等優點，見圖3。

圖2 MTS 815巖石力學測試系統

圖3 Hot disk TPS2500S熱常數測試系統

1.2 測試方法及加載設計

巖石熱物性參數測試方法通常有熱流法、熱線法、熱絲法、激光法、熱探針法、平面熱源法、閃光法等[14]。本文采用瞬態平面熱源法（TPS）進行測試，該方法測量用時較短、測試范圍廣，且不受接觸面熱阻的影響，誤差范圍在5%以內，精度較高[15]，原理如下式和圖4所示。

圖4 瞬態平面熱源法測量原理示意

巖樣測試時的加載過程綜合考慮泥頁巖的單軸抗壓強度，采用分級加載方式，每級5 MPa，直至巖石應力-應變曲線發生明顯拐點，暫停加載并以此為最后一級熱物性測試應力等級。加載時前50%階段采用載荷控制，速率0.2 kN/s，后切換為變形控制，速率為0.02 mm/min。每級應力條件下的熱物性參數測試時間40 s，功率150～300 W不等，根據實際情況調整，測試2次，等待時間10 min，期間保持巖樣應力恒定。具體加載及測試路徑如圖5所示。

圖5 應力加載及熱物性測試路徑示意

2 試驗結果

2.1 試驗總結及計算

本次試驗結合是否考慮巖石性質具有各向異性特征，分別采用各向同性和各向異性模塊開展了巖石熱物性參數測試，共完成 1#、2#、3#、4#、5#共 5組泥頁巖9個試樣。其中各向同性模塊5件，各向異性4件。各向同性下分級測試了巖樣在不同應力水平下的導熱系數、熱擴散系數和體積比熱容，結果匯總見表1。各向異性條件下測試了同樣分級應力水平時的軸向（沿加載方向）和徑向（垂直加載方向）不同方向的導熱系數和熱擴散系數，具體見表2。

表1 各向同性下泥頁巖熱物性參數測試結果

表2 各向異性時泥頁巖熱物性參數測試結果

2.2 各向同性下熱物性變化規律

采用各向同性模塊測試時，各泥頁巖樣的主要熱物性參數與軸向加載應力水平的變化關系如圖6～圖8所示。圖6揭示了導熱系數隨加載應力的變化，從中可以看出，除2#巖樣外，其余巖樣的導熱系數都先隨荷載施加而增大，隨后為很小范圍上下波動階段，但整體處于隨應力水平增加而緩慢增大。結合巖樣照片及礦物組成，1#和2#巖樣為明顯的頁巖，有機質含量高于3#、4#、5#，顏色為炭黑色，且壓縮過程中有油性液體滲出。3#、4#、5#顏色為灰黑色，局部泛白，說明其泥質含量較高，有機質含量較低，為典型泥頁巖，故而1#和2#導熱系數明顯低于 3#、4#和 5#。

圖6 各向同性下導熱系數隨應力變化關系

圖7 各向同性下熱擴散系數隨應力變化關系

圖8 各向同性下比熱容隨應力變化關系

此外，2#巖樣施加荷載后導熱系數出現明顯降低，與巖樣內部層理結構有關，觀察發現5個巖樣均為平行層理方向加載，但2#試樣的層理間可見部分松散充填物，且局部有節理裂隙存在。

圖7為巖樣熱擴散系數與加載應力的變化關系曲線。由此可見，荷載應力的施加與否對巖石的熱擴散系數影響明顯，其中1#巖樣在開始施加應力后熱擴散系數明顯增大，其余2#～5#巖樣均明顯減小。在應力水平達到10 MPa以后，各巖樣熱擴散系數均隨應力水平的繼續增加而呈上下波動變化，表明此時巖樣已從壓密階段進入彈性至彈塑性變形階段，擴散系數的變化與巖樣內部裂隙萌生發展的結構變化有密切關系。

此外，有無應力作用時，1#和2#巖樣的熱擴散系數與導熱系數變化規律一致，3#、4#和5#巖樣的熱擴散系數與導熱系數變化規律明顯相反。同時，除1#巖樣外，其余4件巖樣的導熱系數與熱擴散系數分布規律一致，即導熱系數越大，熱擴散系數也越大，而1#巖樣導熱系數低于2#，但熱擴散系數卻高于2#，這是由于1#巖樣的比熱容明顯低于其余4件巖樣，應與其礦物成分有明顯關系，推測其粘土礦物和有機質含量均比另4件巖樣高。

圖8揭示了巖樣比熱容與加載應力的變化關系。可以看出，隨著應力水平的增加，巖樣的比熱容均呈現增大趨勢，在低應力水平階段，除1#巖樣外，其余巖樣比熱容均顯著增大，而后隨著荷載不斷增加，所有巖樣比熱容均在整體上呈緩慢增大趨勢。表明巖樣在初始加載時為壓密階段，巖樣內部孔隙閉合導致其體積呈一定減小，故而比熱容明顯增大，隨后為穩定變形階段，體積整體變化不明顯，故比熱容變化不大，且比熱容變化規律與內部裂隙發展與體積變化趨勢一致。但1#巖樣由于粘土礦物和有機質含量較高，其內部孔隙較少，初始加載時體積有微小膨脹，故比熱容會呈微小減小變化。

此外，2#～5#巖樣比熱容較為接近，1#巖樣明顯低于其余4件，也進一步說明1#巖樣的礦物組成與其余巖樣有明顯不同。

整體上看，圖6～圖8表明在各向同性條件下，應力條件對泥頁巖熱物性參數有明顯影響，整體上應力越大，導熱系數和比熱容越大；應力條件對熱擴散系數影響明顯，但在后期隨應力水平變化影響不敏感。初始加載階段，即是否施加荷載對泥頁巖熱物性參數影響更為顯著。

2.3 各向異性下熱物性變化規律

采用各向異性模塊測試時，泥頁巖巖樣的主要熱物性參數與加載應力水平的變化關系如圖9～圖16所示。

圖9 各向異性下軸向導熱系數隨應力變化關系

圖10 各向異性下軸向熱擴散系數隨應力變化關系

圖11 各向異性下徑向導熱系數隨應力變化關系

圖12 各向異性下徑向熱擴散系數隨應力變化關系

圖13 各向異性下各熱物性參數隨應力變化關系-2#

圖14 各向異性下各熱物性參數隨應力變化關系-3#

圖15 各向異性下各熱物性參數隨應力變化關系-4#

圖16 各向異性下各熱物性參數隨應力變化關系-5#

圖9和圖10分別揭示了巖樣在軸向方向（加載方向）上導熱系數和熱擴散系數與應力的變化規律。從圖中可以看出，巖樣的導熱系數和熱擴散系數在軸向方向上隨應力增加均呈明顯增大趨勢。其中，在初始加載階段，巖樣的軸向導熱系數和熱擴散系數均顯著增大；此后隨著應力水平繼續增加，其導熱系數和熱擴散系數均繼續增大，但增加速率降低，呈緩慢穩定增加趨勢。

圖11和圖12給出了巖樣在徑向方向（垂直加載方向）上導熱系數和熱擴散系數隨應力的變化規律。可見，巖樣的徑向導熱系數和熱擴散系數均隨應力增加整體呈減小趨勢，與軸向方向的變化規律明顯相反。其中，初始加載階段，巖樣的導熱系數和熱擴散系數均明顯減小，尤其是10 MPa以前。此后隨著應力水平繼續增加而呈緩慢降低趨勢。

綜合對比圖9～圖12可知，巖樣的導熱系數和熱擴散系數呈現顯著的各向異性變化特征，尤其在不同方向上變化趨勢明顯不同。

圖13～圖16分別展示了巖樣不同方向上熱物性參數的分布及變化規律。從中可見各巖樣不同方向上的熱物性參數分布及變化差異明顯：無應力條件下，2#巖樣軸向方向導熱系數和熱擴散系數均大于徑向，而3#、4#和5#巖樣軸向上的導熱系數和熱擴散系數則小于徑向，這與巖石自身礦物組成和內部結構有明顯關系。但隨著巖樣承受應力水平的增加，其不同方向上導熱系數和熱擴散系數的差值均逐漸增大，其與巖石內部結構隨應力的變化顯著相關，即應力越大，巖石內部開始產生裂隙萌生、擴展、貫通直至巖石發生破裂，其不同方向上的熱物性參數的各向異性也愈發明顯。

3 結束語

本次試驗以泥頁巖為對象，分別從巖石各向同性和各向異性特征考慮，開展了不同實時應力水平加載條件下的熱物理性質變化規律分析，可得出如下結論：

1）各向同性條件下，應力條件對泥頁巖熱物理性質有明顯影響，初始加載階段影響更為顯著。整體上應力越大，導熱系數和比熱容越大；后期熱擴散系數隨應力水平變化影響不敏感。

2）巖石導熱系數和熱擴散系數具有顯著的各向異性特征，尤其在不同方向上變化趨勢明顯不同，與應力加載方向、內部層理結構等密切相關。

3）巖石導熱系數和熱擴散系數在軸向方向上（沿加載方向）整體上隨應力增加而明顯增大，但增加速率在初期加載階段較大，后期隨應力加大而趨緩；徑向方向上（垂直加載方向）隨應力增加整體呈減小趨勢，其變化速率與軸向上基本一致，但規律相反。

4）受巖石礦物組成和內部結構影響，巖石不同方向上的熱物性參數分布及變化不同，但隨所承受應力水平的增加，其不同方向上導熱系數和熱擴散系數的差值均逐漸增大。