儲層巖石熱物性變化規律研究現狀與展望

寧東平，尹紫菡，李佳，李浩清，蔣珂劼

（重慶科技學院，重慶 401331）

儲層巖石的熱物性主要包括巖石的比熱容、導熱系數、熱擴散系數，影響油藏儲層巖石的熱物性的因素也有很多[1]，主要的影響參數有儲層孔滲、油水飽和度及溫度等。儲層巖石在各種因素影響下的熱物性變化規律對油藏的開發效果有一定程度的影響，這種影響在稠油油藏的開發中更為顯著[2-7]。近年來，隨著油藏精細化開發的目標被提出，儲層巖石熱物性變化規律研究的重要性也愈發凸顯。目前，油氣藏開發過程中與儲層巖石熱物性相關的問題亟需解決，而在利用儀器進行熱物性參數獲取時，無法真實模擬地層條件，且地層熱物性原位測試技術在油藏開發領域進展滯后。

1 研究現狀

國內外學者很早便已對各種因素影響下的儲層熱物性變化規律開展了相關研究。Hanley[8]等人在1978年研究了8種類型不同的巖石在300 ～1 000 k 溫度范圍內的熱擴散系數，其測量方式為在一個大氣壓下采用激光閃法，每種巖石的熱擴散系數均不同，發現其成分與結構起很大的作用，但大體趨勢上熱擴散率與溫度成反比。Heuze[9]等人在對不同的花崗巖的高溫性質進行研究時也得到類似的結論。1992年，我國的徐振章[7]研究了稠油開發過程中影響儲層熱物性的因素，并且在當時技術條件有限的情況下進行了較為細致的單因素分析。1995年，徐振章[5]又提出了能夠滿足當時地質研究與工程設計需要的稠油油層熱物性參數計算模型，計算結果會存在較大偏差。

1.1 溫度對巖石熱物性的影響

考慮到溫度對巖石熱物的影響，Hu Wen[10]等人使用LFA457裝置測量不同溫度下的煙煤和砂巖的熱擴散率與比熱容。結果發現，溫度在350 ℃以下時對于比熱容的影響較大。這種現象可以用固體分子熱運動來解釋，由于C 原子質量較小，晶格內結合力較強，晶格振動在此溫度范圍內作用較大，且呈現比熱容隨溫度升高而增大的現象。而當溫度高于600 ℃時，高溫下氫元素的揮發演化、化學反應導致平均摩爾質量的增加，使得比熱容降低。同時，巖樣的熱擴散系數隨溫度的升高而降低，室溫下巖石的熱擴散系數在0.37 ～0.89 mm2/s 范圍內、高溫下巖石的熱擴散系數在0.23 ～0.89 mm2/s 范圍內，且砂巖的熱擴散率相比于花崗巖較低。與Hanley 和Heuze 等人早年所做的實驗相比，該實驗的儀器設備都有了明顯改進，測試溫度范圍大，能達到的溫度上限很高，且儀器較為精準，因此該方法能夠準確地判定地層深部溫度范圍內的巖石熱物性參數。近年來，Abdulagaov[11]等人通過量熱計精準地測量了308 K ～763 K 的巖石比熱容，發現砂巖比熱容總體增加了58%，且溫度變化速率很小，在575 K 以上的高溫范圍內，比熱容達到一定值后迅速增加，這種增加可以解釋為由于樣品在加熱過程中的微觀結構變化（微觀結構效應）的產生，后這一分析結果通過熱膨脹系數的測量得到了證實。在此研究結果上，通過擬合溫度的低階多項式來表示，可以在實際中更準確測量砂巖的比熱容。

1.2 油水飽和度對巖石熱物性的影響

考慮到油水飽和度對巖石熱物性的影響，辛守良[12]等人以華北潛山油藏巖石為研究對象，利用高精度熱物性測定儀對巖石的比熱和導熱系數進行研究，結果表明熱導系數隨著油飽和度的增加逐漸變小但趨勢較平緩，對于該現象給出的解釋是油含量增加水含量減少了，油導熱能力比水差，同時發現油飽和度增加時巖石比熱容變小同時巖石的儲熱能力也下降。此外，由于華北潛山油藏巖樣白云巖和石英的含量占比在95 %以上，所以巖樣呈低孔隙度的特點，這對于導熱系數的變化會有很明顯的影響。

在前人的結論下，Li Jishan[13]在對儲層熱物性進行測試與分析時，也得出了相同的結論并根據實驗結果提出了儲層熱導率的經驗公式。宋小慶[14]等人通過對貴州地區出露地層巖石，分別在干燥和飽和水兩種狀態下熱物性參數進行測試，結果表明在含水飽和度不同時，儲層巖石的熱物性也存在較為明顯的差別，說明巖石的熱物性受含水率的影響較大。相比于Li Jishan，宋小慶等人的測試較為明顯的特點是對貴州地區巖石的熱物性參數利用直方圖、統計表、箱線圖的形式列出來，詳細直觀地呈現了不同區塊、不同種類的巖石熱物性變化情況，并且巖樣類型多、數據大，得到的研究結果較為真實可信。但總的來講，前者得出的結果均表明了熱導系數隨著油飽和度的增加逐漸變小但趨勢較平緩，同時巖石的比熱容、熱擴散系數等均受油水飽和度的影響。

1.3 孔滲變化對巖石熱物性的影響

考慮到孔滲變化對巖石熱物性的影響，陳墨香[15]對我國華北地區中、新生代沉積盆地進行熱流測試。分析認為孔隙巖石的熱導率一般與孔隙度呈負相關，而與含水率呈正相關。李守巨[16]等人采用有限元模型法計算出等效導熱系數，并對孔隙度和導熱系數之間的關系進行了回歸處理，得到了能夠在一定誤差范圍內預測巖石導熱系數與隨孔隙度變化的回歸方程。前人的多種實驗得出的結論都表明導熱系數隨孔隙度增加而降低。且不難看出，李守巨等人都是采用數值模擬，預測等數學方法研究孔滲變化對巖石熱物性的影響，從2007年至2017年的研究，此類方法在該領域上不斷發展創新，而在未來也會有更大的研究價值。

已有研究幾乎都主要圍繞在單一因素影響下巖石熱物性參數及變化規律研究方面，而對于多個因素同時影響下的儲層巖石熱物性變化規律鮮有涉及。若能開展不同因素共同影響下的儲層巖石的熱物性變化研究并建立預測模型，實驗所得到的巖石熱物性變化規律相比于前人的單一影響因素會更加符合真實地層下的情況，亦能為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。

2 熱物性研究的發展趨勢

儲層巖石熱物性研究對于指導油藏的生產開發有重要的意義，在國內外學者的不斷實踐研究下，總結歸納研究現狀，理清發展趨勢才能更好地將研究成果應用于油藏開發。

2.1 不同領域的熱物性的探索

隨著全球的油氣需求量不斷增加，非常規油氣的開采已經成為獲取油氣資源的重要組成部分[17-19]。目前，稠油熱采技術取得了較大的成果，而有關其他領域的熱物性探索還有很大的提升探索空間。如頁巖氣領域，2014年曾冀[20]提出利用超臨界二氧化碳壓裂技術開發含氣頁巖，采用Span-Wagner 模型和Vesovic 模型，能較為準確地計算二氧化碳熱物性參數，將模型稍加修正便可用于油田現場。近年來，此方面的研究才逐漸增多。李斌[21]于2018年就對超臨界二氧化碳窄縫內流動傳熱規律進行了研究。與前幾年相比，李斌優選了更多的模型，提高了計算的精度，并且考慮多種修正準則，但由于頁巖氣的形成機理和成藏過程受熱物性控制作用很強[22]，頁巖的導熱率與壓裂特征、含氣量等的關系還尚未明確，因此探索頁巖氣的熱物理性質是今后發展的重要方向。

2.2 熱物性參數的影響因素

自1990年開始，就有楊書貞[23]等人開始對稠油層巖石熱物性進行研究，但在但在1990—2010 年，關于巖石熱物性影響因素的研究甚少。到了2015年，就開始有高平[24]等學者對巖石熱物性影響因素進行一系列的實驗分析，同時很多學者發現了不同巖性、層理方向、壓力等對于巖石熱物性也有相應的影響[25-28]。但從國內外學者對儲層熱物性的研究來看，大多都是從單一因素來入手研究的，多因素共同影響儲層熱物性暫無學者進行研究。在不同的因素共同作用下，儲層的熱物性規律會有相應的變化。因此多因素影響下的儲層熱物性將是一個值得研究的方向。

2.3 熱物性測定方法

現今通常有熱流法、熱線法、熱絲法、激光法、平面熱源法等方法對巖石熱物性參數進行測試[29]。但這些室內實驗大多注重儀器的精度但卻忽視儲層巖石的地層條件，即“高溫高壓”[22]，考慮實際應在進行實驗時要求測量儀器加熱時間更短、采用國際統一的標準刻度進行試驗、探索多種角度測試的方法來逼近地層條件。

3 結語

早年儲層巖石熱物性的研究雖然能夠正確地描述單因素對儲層熱物性的影響方向，但存在精度不夠、誤差較大的問題。近年來，隨著熱物性測定技術的不斷進步，熱物性測定的條件越來越接近儲層原始情況，且測定誤差也在不斷的縮小，測試結果已經能夠較為準確地描述儲層巖石熱物性在單因素影響下的變化規律。此外，對于多領域、多因素、高仿真等情況下的儲層巖石熱物性研究是目前重要的研究方向。