油页岩热破裂及起裂机制试验

孟巧荣,康志勤,赵阳升,杨 栋

(太原理工大学采矿工艺研究所,山西太原 030024)

油页岩热破裂及起裂机制试验

孟巧荣,康志勤,赵阳升,杨 栋

(太原理工大学采矿工艺研究所,山西太原 030024)

利用μCT225kVFCB型微焦点显微 CT机对油页岩的热破裂过程进行三维无损伤观测,直观地分析裂隙萌生、发展的全过程,依据热弹性力学理论和试验结果,分析油页岩热破裂的起裂机制。结果表明:油页岩在低于 300℃的低温段内,热破裂主要由热应力引起,裂纹主要沿层理方向胶结面发生,起裂的条件是热应力大于油页岩的强度极限;温度高于 300℃后,在热应力和热分解化学反应的共同作用下,油页岩中的裂纹广泛发育,起裂条件是油母质化学分解反应所产生的扩张压力大于岩石的临界扩张压力;油页岩在两种起裂机制的作用下,最终在 600℃时形成相互连通的裂隙网络,汇聚为油气的渗流通道,为油页岩的原位开采提供了可行性条件。

油页岩;热破裂;裂隙;起裂机制;温度

中国的油页岩资源丰富,目前已探明和预测的油页岩总储量为4831.7亿 t,按含油率6%计算,油页岩所含的页岩油的地质储量达 289.9亿 t,烃气达 578亿 t。若以33～35 t油页岩生产1 t页岩油计算,可生产 140亿 t页岩油,接近目前为止累积探明的天然气和石油储量的总和,其作为国家的重要战略资源,极具开发前景[1-3]。目前油页岩油气开采与利用主要采用地下或露天采矿后在地面实施破碎与干馏,原位开采技术主要是电加热与对流加热的技术方案,其开采理论涉及矿层受热变形破裂,热解与传质,是非常典型的一类耦合问题,岩石热破裂能从微观上改变岩石的裂隙结构,既增加了裂隙的长度,又增加了裂隙的密度,进而在岩石内部形成连通良好的裂隙网络,从而极大地提高了储层的输运特性。因此,人们将此机制拓展到油页岩原位加热开发过程中,从而推进油页岩中油气开采的产业化[4-7]。笔者利用微焦点显微CT技术,观测油页岩从常温到 600℃的热破裂过程,分析裂隙、裂纹的萌生、发展特征及起裂机制,为油页岩的原位加热开发提供理论依据。

1 油页岩热破裂的特点

试验在太原理工大学μCT225kVFCB型高精度微焦点显微 CT机上进行[8-10]。油页岩试验样品采自中国辽宁抚顺西露天矿,试件为边长 7.0 mm的正方体,试验时 CT机的管电压为 80 kV,管电流为50μA,可以分辨 5μm以上的裂隙,热破裂的温度为常温到 600℃,温升间隔为 100℃。

图 1为不同温度下油页岩试件表面裂隙的演化过程。图 2为油页岩试件内部同一剖面在不同温度下的热破裂演化CT图像。

由图 1可见,在 100℃时,试件表面中部沿层理 方向存在一条较明显的原生层理裂纹,且中间有矿物质充填,裂纹并没有张开。随着温度的上升,该层理裂纹迅速延伸和加宽,最终形成了贯通整个油页岩试件表面的大裂隙,同时在其两侧产生了许多规模各异、平行于层理方向的新裂隙。

由图 2可见:常温下,油页岩内部完好无损,未见明显裂隙;温度上升到100℃时,中部出现了一条沿层理方向发育的大裂隙,主要是由于油页岩层理面的泥质胶结在较小的热应力下发生断裂,顺着层理面延展,形成了原生层理裂隙;温度升到 200～300℃时,原有裂隙加宽和延长,出现了许多微裂隙,许多破裂面起源于硬质矿物颗粒的边缘;温度升至 300～600℃时,裂隙的数量、长度和宽度都显著增加,热破裂规模发生了质的变化,这不仅与较高的热应力有关,主要是热分解化学反应主宰了该温度段油页岩的破裂过程,热破裂裂隙呈现广泛发育、集中爆发的特点。

2 油页岩热起裂机制

2.1 常温～300℃油页岩热起裂机制

W.D.Kingery[11]指出,随着温度的变化,如果岩石为均匀各向同性介质,在没有约束的条件下岩体内部不会有热应力产生。若岩石不满足这种理想假设,热应力的产生则是必然的。

油页岩是由不同矿物组成的非均匀体,各种矿物在高温条件下的热膨胀系数各不相同,依次为α1,α2,α3,…,αi;相应地,其弹性模量和泊松比分别为 E1,E2,E3,…,Ei和γ1,γ2,γ3,…,γi,且各参数都互不相同,所以油页岩受热后各种矿物颗粒的变形也不相同。岩石作为一个连续体,为了保持其变形的连续性,会在矿物颗粒之间产生约束,因此油页岩内部会产生结构热应力,应力最大值往往发生在物理性质差异较大的矿物颗粒胶结处,如果此处的应力达到或超过岩石的强度极限,则沿此胶结处将产生微裂纹[12]。

假设有一种理想的两种矿物颗粒组成的岩石,其热应力可表示为

式中,σ1,α1,E1,γ1和σ2,α2,E2,γ2分别为相邻两种矿物颗粒产生的热应力、热膨胀系数、弹性模量和泊松比;ΔT为岩石从常温加热到某一温度的温差。

设 K为两种不同矿物颗粒之间的强度极限,其值与岩石颗粒和胶结物的性质相关。因此,热应力σ随着温度的升高而增大,两种不同矿物颗粒间产生破裂的条件为σ≥K,即

岩石由随机分布的多种矿物颗粒组成。这些矿物颗粒具有不同的形状,在温度作用下,每一种矿物颗粒会在各个方向产生与周围其他矿物颗粒不同的应变,这将导致相邻矿物颗粒的互相作用,产生拉(或压)应力和相应的应变,当热应力足够大时即可产生热破裂。结合油页岩显微 CT图像中裂隙的形态可知,从常温到300℃,上述机制是油页岩内部产生裂隙的主要原因。

2.2 400～600℃油页岩热起裂机制

观察 400～600℃的油页岩显微 CT图像可以发现,油页岩内部的裂隙无论从数量上还是从规模上都有了质的增加,试件各个部位均有裂隙产生,具有明显的突发性,该变化正好与油页岩发生热分解化学反应的温度(400～600℃)相符合。

油页岩中的有机质主要以油母质的形式存在,常温状态下,油母质以固态的形式赋存于油页岩中并融为一体。当温度处于 400～600℃时,油母质中不同键能的化学键在很短的时间内快速断裂,产生大量的页岩油和气态产物 (CH4,CO2,H2,CO,H2S等)。页岩油和气态产物受热后体积会瞬间急剧膨胀,因此会在包裹油母质的岩石颗粒内产生很强的扩张压力,当积聚的压力超过岩石颗粒本身的强度时即发生破裂,生成新的裂隙。

根据上述原理,假设岩石颗粒为球形,其内包裹着同样为球形的油母质,油母质在高温下发生化学反应,释放出页岩油和气态产物,使岩石颗粒内产生扩张压力 p,同时岩石颗粒外围受到压应力 q,如图3所示,表达式为

图 3 包含油母质的岩石颗粒Fig.3 Rock gra i n including kerogen

模型假设:岩石颗粒具有脆性、线弹性的特点,忽略温度对岩石颗粒的影响,细小的岩石颗粒在高温下具有很好的封闭性。

在上述假设的基础上,图 3所示模型的弹性力学解答为

式中,σr和σφ分别为岩石颗粒内的正应力和切向应力。

本次 CT试验,油页岩试件没有受到任何约束,所以 q=0,即油页岩颗粒只受内部扩张压力 p的作用,此时应力为

从这里很容易看出,σr<0,而σφ>0,即σr为压应力,σφ为拉应力。拉应力最大值发生在内壁,即 r=a处,其值为

对于油页岩颗粒而言,由于在地质年代中沉积的不均匀性,沿垂直于层理的方向具有较小的抗拉强度,而平行于层理的方向具有较大的抗拉强度。因此,在扩张压力 p不断增大的过程中,沿软弱层理方向的水平裂隙比垂直裂隙更容易形成。这样,岩石颗粒内壁发生破裂的条件为

式中,σt为岩石颗粒内沿垂直于层理方向的抗拉强度。

结合式(1),整理后有

式中,pt为临界扩张压力。式 (2)即为包含油母质岩石颗粒的临界破裂条件。

油母质在高温下会生成比自身体积大几百倍的页岩油和热解气体,且热解时间较为集中。以产生400倍油母质体积的热解流体计算(如果 H2含量较高的话,体积还会更大),在岩石颗粒包裹较好的条件下,由于压力不断积聚,与常温状态相比会在其内部产生40MPa的扩张压力,远大于沿垂直于层理方向的抗拉强度σt,岩石颗粒内壁必然发生破裂。因此,裂隙的产生除与升温产生的较高的热应力有关外,还与油页岩在高温下发生的热分解化学反应密不可分。

随着温度的升高,当岩石颗粒内部的扩张压力达到并超过 pt时,岩石颗粒内壁发生破裂,同时在大量热解流体的推动、扩张下,裂隙向前扩展延伸。由于油页岩内部含有大量包裹油母质的岩石颗粒,相邻岩石颗粒间形成的裂隙会在高温下发生明显的汇聚现象,并沿层理方向扩展,因而会在油页岩内部形成许多大小各异的裂隙结构。上述破裂机制在400～600℃表现的尤为突出。

3 结 论

(1)油页岩在温度低于 300℃时,热破裂主要受热应力的主导,当热应力大于岩石的强度极限时产生裂隙,裂隙多发育于原生层理面以及硬质矿物颗粒的周围,形成的破裂面基本上都与层理面互相平行,且数量不多,宽度较小。

(2)当温度超过 300℃,热破裂不仅与热应力有关,其发展程度主要取决于热分解化学反应。起裂机制为油母质受热后产生的扩张压力超过临界扩张压力时,岩石颗粒内壁发生破裂,致使大量裂隙微裂纹产生、扩展,汇聚成连通的裂隙网络,从而提高油页岩的渗流能力。

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(编辑 李志芬)

Experi ment of thermal cracking and crack in itiation mechan ism of oil shale

MENGQiao-rong,KANG Zhi-qin,ZHAO Yang-sheng,YANG Dong
(M ining Technology Institute of Taiyuan University of Technology,Taiyuan030024,China)

A 3D undamaged experiment of oil shale was carried out on theμCT225kVFCB micro-focus CTmachine,and the process of fissures appearance and development under different temperatures was observed.Based on the thermal elasticity and experi mental results,the crack initiationmechanis m of oil shale was analyzed.The results show that at 300℃,oil shale cracking is aroused from thermal stresswhich produced some fissures parallel to the surface of original bedding on cementation surface,and the crack initiation mechanism is that thermal stress exceeds the limit of rock strength.W ith the temperature exceeding 300℃,in the effect of the ther mal stress and chemical reaction of the oil shale,all kinds of fissures grow widely,and the crack initiation mechanis m is that the expansion pressure from chemolysis of source material exceeds critical expansion pressure of rock.As a result of these two crack initiation mechanis ms,the connected fissures network is formed at 600℃and oil and gas could seep out of oil shale,which makes in-situ mining oil shale practicable.

oil shale;ther mal cracking;fissure;crack initiation mechanism;temperature

P 313;P 584

A

10.3969/j.issn.1673-5005.2010.04.017

1673-5005(2010)04-0089-04

2009-10-20

国家自然科学基金项目(50534030)

孟巧荣(1974-),女(汉族),山西朔州人,讲师,博士研究生,主要从事油页岩原位加热开采及高温岩体地热开发方面的研究。