沉积岩热导率的影响因素研究现状

龚建洛，张金功，惠 涛，畅 斌

(1.西北大学地质学系 大陆动力学国家重点实验室，陕西 西安 710069;2.延长石油国际勘探开发工程有限公司，陕西 西安 710075;3.陕西延长石油(集团)研究院，陕西 西安 710075)

岩石热导率是表征岩石导热能力的物理量，它定义为单位时间内单位长度上温度升高或降低1℃时单位面积所通过的热量［1］，与地温梯度成反比，与热量值成正比。它是研究地壳和上地幔热结构、地球深部热状态的重要参数。在大地热流值一定的条件下，沉积岩热导率对盆地中的热传递和地温分布有重要影响，岩石热导率越高，所分配的热流相对就越多，地温相应的也就高。

前人主要对沉积岩的热导率进行了测定，并且从岩石组构、孔隙度、含水饱和度、渗透率、温度和压力等方面对沉积岩热导率的影响因素进行了大量研究。本文综合的分析了前人的研究成果，并对含油气盆地中沉积岩热导率的下一步研究给出了建议。

1 岩石热导率的测定

目前，岩石热导率的测量和研究工作主要以岩石骨架传热为基础，认为热传导是岩石最主要的热量传递方式。

岩石热导率测量方法的基本原理大都以恒定热流和非恒定热流的规律为基础。岩石热导率的测定可以在实验室内进行，也可以进行原位测量，或者通过测井数据或其它岩石物理数据进行估算。采用的测试技术主要有分棒技术、堆垛碟状体和圆柱热流等技术。

目前，用于测量岩石热导率的仪器主要分为两种类型:稳态型和非稳态型。稳态型要求热流线必须垂直于试样的横面积，整个系统要求稳定的热平衡状态，测量误差很小，但对试样的尺寸要求偏大;非稳态型是利用测量岩石的热扩散率，进而计算出岩石的热导率，适用于小样品，但测量精度比稳态法偏低。

2 影响岩石热导率的因素

2.1 岩石组构对岩石热导率的影响

岩石成分、颗粒物粒度和结构是影响岩石热导率的主要因素(Farouki，1981;Brigaud 等，1989;Midttφmme 等，1994;杨淑贞等，1993;熊亮萍等，1994;宋宁等，2011;栾锡武等，2002;邱楠生，2002)。

热导率测量实验显示，岩石的成分、矿物粒度和结构对岩石热导率的影响，主要表现在两个方面:一方面，不同岩性的岩石之间存在热导率差异;另一方面，相同岩性的岩石之间存在热导率差异。例如:粘土和泥质粉砂岩热导率在0.80～1.25 Wm－1·K－1(Blackwell等，1989)，粘土岩热导率在0.6 ～4.0 Wm－1·K－1，砂岩的热导率在 0.9 ～ 6.5 Wm－1·K－1(Clark，1966)。

沈显杰等(1994)认为岩石热导率与岩性之间仅存在按岩性的分组性，而并不存在定量的相关关系［2］。Fjeldskaar等［3］(2009)、熊亮萍等［4］(1994)认为造成不同岩性的岩石之间和相同岩性的岩石之间的热导率差异的原因，与组成岩石的各种矿物具有不同的热导率和岩石中的矿物含量有密切关系。

Midttφmme等(1998)利用人造岩石研究岩石热导率发现，矿物颗粒粒度与岩石热导率之间存在正相关性(图1)［5］。矿物粒度对热导率的影响被认为与单位热流路径上矿物颗粒接触数量有关(M.c Gaw，1969;Rzhevsky等，1971)。这是因为矿物颗粒接触带对热流有阻碍作用(Incropera等，1990)。这种阻碍，一方面是由于在矿物颗粒接触部往往存在流体膜(M.c Gaw，1969;Griffiths等，1992)，另一方面是因为处于矿物颗粒接触带中的流体的热导率低于矿物的热导率。

图1 矿物粒度与岩石热导率的关系(Midttφmme等，1998)

岩石结构对热导率的影响，受其复杂性影响而难以评估。Midttφmme 等［5］(1998)、Fjeldskaar等［3］(2009)认为岩石颗粒物大小及分布特征控制了岩石的结构。虽然，岩石结构的影响难以做出准确的评价，但岩石热导率实际测量显示，岩石结构疏松，热导率低，岩石结构紧密，热导率高。

2.2 孔隙度对岩石热导率的影响

岩石热导率和孔隙度有着密切的关系，孔隙度是影响岩石热导率的重要因素(Bloomer，1981;Brigaud，1989;Griffiths，1992)。不论砂质岩或泥质岩也不论风干试样或饱水试样，其热导率均随孔隙度增大而减小，但其减小的幅度则是砂质岩大于泥质岩，干试样大于饱水试样(陈墨香，1988)。沉积岩热导率随孔隙度的减小总体呈增大趋势，而导致这一结果的原因是因为孔隙流体热导率小于沉积岩填隙物热导率(Midttφmme 等，1998)。

孔隙度不仅对干燥状态或饱水状态下的岩石热导率有影响，而且对干燥状态与饱水状态下岩石热导率的差异有影响。当其它条件相等时，饱水状态与干燥状态下岩石热导率的差值随孔隙度的增大而增大(杨淑贞等，1986)。栾锡武等(2002)指出岩石饱和水状态下的热导率和干燥状态下的热导率之差随孔隙度线性增加，孔隙度大，饱和水热导率和干样热导率的差就大［6］。

2.3 水饱和度对岩石热导率的影响

Zimmerman R W(1989)、杨淑贞等(1986，1993)、熊亮萍等(1994)、张奎祥等(1995)、王钧等(1995)、宋宁等(2011)、栾锡武等(2002)对沉积岩在饱水和干燥状态下的热导率测量显示，沉积岩在饱水状态下和干燥状态下的热导率存在差异。

一般与风干状态相比，饱水岩心热导率较高。李国桦(1992)对柴达木盆地的饱水岩石热导率测试表明，绝大多数岩样饱水后热导率都有不同程度增大［7］。王良书等(1989)分别在干燥和饱水状态下对江苏地区的新生界、中生界及古生界的沉积岩(以砂岩或泥岩为主)热导率进行了测量，泥岩干燥状态下热导率为 1.18 ～1.87 Wm－1·K－1，饱水状态下为 1.68 ～1.94 Wm－1·K－1，增加的幅度 4.33% ～8.24%;砂岩在干燥状态下的热导率为 0.98 ～2.49 Wm－1·K－1，饱水状态下为 1.84 ～3.90 Wm－1·K－1，增加的幅度在15.63%～36.12%［8］。结构致密的岩石饱水状态和干燥状态的热导率差别不大，而结构疏松的岩石饱水状态和干燥状态的热导率有较大差别。杨淑贞等(1986)研究华北地层的砂岩、粉砂岩、细砂岩、中砂岩和粗砂岩热导率饱水试验结果表明，高孔岩样(孔隙度3.5% ～36%)饱水状态下热导率比干燥状态下的热导率大1.59～59.08%(饱水试样热导率 －干试样热导率)/饱水试样热导率)，而低孔隙岩样(孔隙度0.36% ～6.39%)饱水状态下热导率比干燥状态下的热导率大部分增大幅度小于 5%［9］。

饱和水程度不同对岩石热导率也有影响。Clauser等(1995)发现砂岩饱和水量从80% 增加到100%，砂岩热导率增加大约10%［10］。杨淑贞等(1986)指出孔隙岩石热导率随含水率的增加而增大，二者呈密切的线性相关［9］。

李继山(2009)认为由于水是浸润流体，优先附着在孔隙表面，尤其是在岩石颗粒接触点附近，粘附的水能改善该处的导热，形成热流“液桥”，而且，水的热导率大于空气热导率，从而降低岩石颗粒之间的热阻，所以，岩心饱水状态导热系数要比风干状态的高［11］。

因此，在沉积岩的热导率应用中，根据岩石含水饱和度实际情况，特别是高孔岩石含水时，必须对沉积岩的热导率做出校正。

2.4 渗透率对岩石热导率的影响

Zierfuss等(1956)发现砂岩有效孔隙与岩石热导之间具有相关性，表明岩石热导率有随岩石渗透率的增加而增大的趋势［12］。Anand等(1973)通过多次回归发现砂岩的渗透率与热导率之间存在正相关性［13］。Zierfuss等(1956)、Anand等(1973)均认为渗透率与热导率之间的相关性是由岩石颗粒物粒度影响造成的，原因是岩石的渗透率和热导率均随颗粒物粒度的增大而增大。Farouki(1981)总结认为岩石渗透率对热导率的影响主要与岩石比表面积有关［14］。

2.5 温度对岩石热导率的影响

在500℃范围内，岩石热导率对温度比较敏感。实验表明(Anand 等，1973;Chapman，1984;Moysenko，1990;赵永信等;1995)，温度对岩石热导率的影响主要表现为随温度升高，热导率一般将降低(页岩热导率随温度升高而略有升高，Guidish等，1985)。

赵永信等(1995)测定了升温(保持常压)后的岩石热导率，结果显示，温度每升高10℃时，钙质粉砂岩的热导率降低2.08%，长石石英砂岩的热导率降低1.78%，泥质粉砂岩的热导率降低1.55%［15］。张奎祥等(1995)观察了饱和水状态和饱和混合液(饱和水和稠油)状态下升温后岩石热导率的变化情况，得出，无论是何种岩石，也不管饱和液体是水还是油水混合相，其热导率均随温度升高而明显下降。可见，温度变化对岩石热导率的影响很大［16］。

赵永信等(1995)指出岩石热导率随温度的升高而降低是因为岩石的热能传输几乎全靠晶格振动，当温度升高时，晶格的振动幅度增大，导致更大的非谐振荡而使热波的平均自由路程减小，从而使介质的热导率降低［15］。

由于岩石热导率对温度比较敏感，因此，在热导率实际应用时，应将实验室室温条件下测量的岩石热导率，校正到地下对应地层温度下的热导率。

2.6 压力对岩石热导率的影响

压力对岩石热导率有一定的影响。沈显杰等(1989)指出岩石热导率随压力增大而趋于增高，岩石结构越疏松，这种影响就越大［2］。赵永信等(1995)研究压力对岩石热导率影响时发现，压力从常压增加至22MPa，压力每增加1 MPa，钙质粉砂岩热导率增加1.67%［15］。Clauser等 (1995)研究发现，砂岩在15 MPa压力下的热导率比地面压力条件下的热导率增大了约 15% ～20%［10］。李继山(2009)对油藏岩石热导率测试发现，与 0.1 MPa下测试结果相比，岩心在12.0 MPa下的热导率均增加，增压在饱水岩心上引起的热导率增值比风干岩心小［11］。

而Anand等(1973)认为压力对岩石热导率的影响一般较小［13］。张奎祥等(1995)研究岩心孔隙内液压与岩石热导率的关系的结果表明:在0－10Mpa的压力范围内，内液压对油藏热导率影响很小［16］。

岩石热导率随压力增加递增的原因是压力增大使岩石趋于致密，减少声子发散源，使晶格振动过程中能量转移的效能提高，同时岩石在受压过程中，其颗粒的排列趋于紧密，孔隙缩小，部分裂隙趋于封闭，岩石的相结构逐渐趋于单一，增强了固体传热的效果(赵永信等，1995)。

2.7 埋深对岩石热导率的影响

研究发现，无论是砂岩还是泥岩，岩石热导率随埋深增加而增大。宋宁等(2011)研究苏北盆地古近系－上白垩统的岩石热导率研究时发现，深度在1 000～2 500 m范围，泥岩和砂岩的热导率集中在 1.0～2.5 Wm－1·K－1之间;在2 500 ～3 700 m 之间，热导率在 1.5 ～3.5 Wm－1·K－1之间;在大于 3 700 m 深度，热导率在 3.0 ～4.5 Wm－1·K－1之间［17］。栾锡武等［6］(2002)和邱楠生［18］(2002)也发现，岩石热导率随埋深的增加有明显的增大。

栾锡武等(2002)认为从整体上很难找出一个统一的函数来描述热导率随深度的变化，而用分段线性来描述这种关系会更恰当些［6］。杨淑贞等［9］(1986)、邱楠生［18］(2002)指出对于已成岩的岩石，深度的制约作用不是很明显。

虽然热导率存在随深度总体增大的趋势，但受岩性、区域位置、岩石成分和结构等因素的影响，同一深度的岩石热导率也存在一定差异［6，18，19］。地层埋深增大，使岩石孔隙度减小，岩石变得致密，这是其热导率增大的主要原因。

2.8 地层年龄对岩石热导率的影响

地层年龄与岩石热导率的关系表现为，岩石年龄越老，热导率一般比较高［2，6，18］。例如:邱楠生(2002)测试发现，准噶尔盆地、塔里木盆地和柴达木盆地具有较老地层的岩石样品热导率较大、较新地层的岩石样品热导率较小的规律［18］。栾锡武等(2002)研究我国东海陆架地区新生代地层的热导率时发现，在同样的深度，老地层岩石的热导率高于新地层的岩石热导率，如在1 800～2 000 m范围，中中新世玉泉组的热导率为0.9～1.1 Wm－1·K－1、早中新世龙井组的热导率为 1.3 ～1.5 Wm－1·K－1、古新世灵峰组的热导率为 1.7 ～ 2.0 Wm－1·K－1，热导率数值随地层时代变老依次增大［6］。

但是，与岩石埋深相比，地层年龄是影响热导率的次一级因素，并不是地层越老，热导率越高。如东海陆架石门潭一井1 222 m始新世瓯江组的粉砂岩热导率只有1.377 Wm－1·K－1，而比净寺一井2 409 m中中新世玉泉组泥岩热导率(2.16 Wm－1·K－1)小得多［6］。

2.9 岩石热导率的各向异性及影响因素

热流在岩石的各个方向通过时，其导热性能可能不同，通常把这种导热性能的差异称为岩石导热的各向异性，具体到岩石则表现为沿不同热传导方向岩石热导率的大小不同。岩石热导率测量显示(Bloomer，1981;Lovell，1983)，沉积岩热导率各项异性一般表现为，平行层面方向的热导率高于垂直层面方向的热导率。

Sch?n(1996)总结认为影响岩石热导率各向异性的因素主要有:①单个造岩矿物晶体的热导率各向异性;②岩石内矿物的定向排列;③定向排列的微裂隙或其他类似的缺陷［20］。Demongodin等(1993)认为当岩石中矿物的定向排列较差时，矿物热导率各向异性对岩石热导率各向异性影响较弱，当岩石中矿物的定向排列较好时，岩石热导率表现出较强的各向异性特征［21］。Waples等(2002)研究了压实作用作用对粘土岩热导率各向异性特征的影响，认为结构松散的粘土岩热导率各向异性较弱，受压实作用作用影响，沉积岩基质中粘土矿物的定向排列增强可以使粘土岩垂直层面方向热导率的降低，导致粘土岩热导率各向异性增强［22］。Midttφmme等(1998)指出沉积岩构造和结构以及岩石矿物的排列与岩石热导率各向异性关系密切，砂岩和石灰岩的热导率各向异性较低(平行层面热导率/垂直层面热导率＜1.3)，而页岩和粘土岩的热导率各向异性则较高(平行层面热导率 /垂直层面热导率 ＜ 4.0)［5］。

3 结语

在影响沉积岩热导率的众多因素中，沉积岩渗透率对沉积岩热导率有重要影响。渗透率是反映岩石孔隙连通性的重要参数，沉积岩渗透率对热导率影响表明沉积岩孔隙的连通性对沉积岩热导率有一定的影响。孔隙的连通在空间上具有方向性特征，渗透率测量实验表明，沉积岩渗透率在平行和垂直岩层方向上具有差异［23］，也就是说，沉积岩孔隙的连通在平行和垂直岩层方向上具有差异。目前，对沉积岩平行和垂直岩层方向上孔隙连通的差异与热导率关系研究比较薄弱。而含油气盆地中对沉积岩的结构和渗透率特征研究较多而对地热参数的直接测量相对较少。因此，有必要开展对沉积岩平行层面和垂直层面方向上孔隙连通差异特征与热导率关系研究，这对有效预测盆地中地温场的发育特征有着重要的指导意义。

另外，从沉积岩热导率的影响因素研究来看，沉积岩热传递研究侧重于岩石骨架的传热。沉积岩为孔隙性岩石，由岩石骨架和孔隙两部分组成。含油气盆地中，岩石孔隙中不仅含有水，而且也富集油、气，构成岩石 －油 －水或岩石 －油－气－水等三相、四相系统，其中的传热过程是一个复杂的过程。而且，当岩石孔隙中有流体时，受流体流动及流体传热的影响，特别是在地下流体的运移过程中，热在有流体的岩石中的传递方式必然不同于岩石骨架的热传递方式。沉积岩的热传递是岩石骨架传热和孔隙流体传热共同作用的结果。而目前，对沉积岩孔隙中有流体状态下的沉积岩传热方式的研究相对较为薄弱。因此，有必要加强有流体存在状态下沉积岩的热传递方式的研究，特别是对流体在沉积岩中发生运移情况下的沉积岩热传递方式的研究，这对研究地热在含油盆地中的传递有重大意义。

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