油页岩热物理性质研究综述

董付科

（1．河北地质职工大学，河北石家庄　050081；2．太原理工大学采矿工艺研究所，山西太原　030024）



油页岩热物理性质研究综述

董付科1，2

（1．河北地质职工大学，河北石家庄050081；2．太原理工大学采矿工艺研究所，山西太原030024）

摘要：本文回顾了油页岩在加热条件下，油页岩的热解特性、油页岩的导热特性和油页岩的力学特性等基本热物理特性。油页岩热解分为三个阶段：低温水分析出阶段，中温有机质分解阶段和高温结晶水析出阶段；油页岩的导热系数呈现各向异性，平行层理导热系数大于垂直层理的导热系数，且温度对于导热系数的影响较弱；油页岩的抗拉强度、抗压强度、弹性模量和泊松比随温度的升高而减小；油页岩随着温度的升高，蠕变特性更加明显，拉伸破坏往往出现在热解过程中。

关键词：油页岩；热解特性；导热特性；力学特性

Key words：oil shale；pyrolysis characteristics；characteristics of thermal conductivity；mechanical properties

油页岩作为世界能源石油重要的切实可行的代替资源[1]，受到各个国家的重视。中国是一个油页岩资源丰富的国家，储量仅次于美国、巴西、爱沙尼亚，居世界第4位[2]。原位开采是一种污染小，能源利用效率高而受到人类关注的绿色开采技术。原位开采就是通过各种方式（水蒸气加热、电极加热等）加热油页岩获得其油气的一种技术。由于加热温度升高，油页岩热解特性、热传导特性、力学特性也会发生变化。本文回顾了近期国内外油页岩热物理特性研究成果。

1　油页岩热解特性

油页岩是由无机矿物和有机质组成，有机质包括沥青质和干酪根。油页岩热解特性是利用热分析动力学原理研究油页岩热解的复杂过程，确定其油页岩动力学参数和机理函数，使其更接近其反应的实质。通过分析其热解的机理为油页岩原位开采提供参考。迟姚玲研究认为研究油页岩干馏通常包括3个过程：油页岩加热过程、受热分解过程、热解反应产物扩散与导出过程[3]。

油页岩有机质的主要组成是干酪根和沥青质，沥青质和干酪根热解产生的页岩油和页岩气是理想的能源。热重曲线是分析油页岩热解的重要技术，通过加热破碎成一定粒度以下油页岩样品来获得其质量的变化和每个阶段的产物来掌握其热解机理和特征。

吉林桦甸和辽宁抚顺油页岩热重曲线和微分曲线（见图1，图2）。从曲线可以看出油页岩热解主要包括三个阶段。第一阶段（室温～300℃）为低温失重阶段，主要为水分析出阶段；第二阶段（300℃～550℃）为中温失重阶段，是有机质集中析出的阶段；第三阶段（550℃～900℃）为高温失重阶段，是矿物质析出结晶水的阶段。

第二阶段是有机质集中析出阶段，也是获得页岩油的关键阶段。对于其反应过程动力学参数如化学反应活化能、指前因子和机理函数研究来获得更高的油收率。迟姚玲等采用串联一级反应模型的firedman研究龙口油页岩的热解反应机理，计算了活化能和频率因子[4]。闫澈等采用分阶段模型研究了桦甸油页岩热解过程[5]。

图1　吉林桦甸油页岩TG曲线和DTG曲线[6]

图2　辽宁抚顺油页岩TG和DTA曲线[7]

2　油页岩热传导特性

导热系数是指在稳定传热条件下，1 m厚的材料，两侧表面的温差为1度（K），在1 h内，通过1 m2面积传递的热量，单位为瓦/米·度（W/m·K）。

导热系数是表征物质导热能力的物理量。热能的传导是物质内部微观粒子相互碰撞和传递的结果。煤、岩石和土壤都是由各种晶粒组成的无机非金属物质，其内部的热能传导是通过晶体点阵或晶格的振动来实现的。物质结合得越致密，固体分子的振动就越容易传播，那么导热系数越大[8]。

油页岩热传导特性测试的方法采用国际上通用的岩土导热系数测量方法，主要有两大类：一类是稳态法，如稳定平板法和分棒法；另一类则是非稳态法或称瞬态法，如环形热源法和线热源法[9]。

王秋雯做了常温常压下吉林桦甸油页岩平行层理导热系数和垂直层理导热系数测定，数据（见表1）。实验发现平行方向导热系数大于垂直方向的，说明导热系数存在各向异性[10]。

表1　吉林桦甸油页岩导热系数[8]单位：kcal/（m·h·℃）

于永军[11]做了高温下抚顺油页岩的导热系数的研究，发现导热系数也存在各向异性（见图3），且平行层理方向大于垂直方向的，与常温下研究是一致的。同时还发现从常温到300℃导热系数随温度的升高导热系数呈线性降低的，且水平导热系数始终大于垂直导热系数。从常温升高到300℃平行层理的导热系数只降低了0.44，约占常温导热系数23 %，垂直层理导热系数降低了0.28左右，约占常温导热系数25 %，相对于温度的升温梯度，温度对热传导系数影响较弱[11]。导热系数的降低可能与该阶段油页岩中水分在温度作用下析出，增加了一定数量的孔隙，导致导热系数降低。从常温到300℃应对应于油页岩热解的第一阶段（室温～ 300℃）为低温水分析出阶段。该阶段300℃还没有达到化学角度上有机质分解的温度，有机质分解的温度普遍在300℃～500℃[12]。

图3　平均导热系数与温度关系图[9]

文献[13]认为油页岩中无机矿物的导热系数大于有机质，而有机质的导热系数大于孔隙的，导热系数主要与油页岩中孔隙数量有关，也就是晶格之间，晶格与有机质之间，有机质本身以及有机质热解产生的孔隙，随着温度的升高热解过程的进行，产生的孔隙增多，导致导热系数降低。决定于油页岩导热系数大小的主要因素是油页岩的孔隙率，同时也能阐释导热系数随着温度增加而降低的现象。油页岩和煤同属沉积岩，二者有可比性。有时煤和油页岩伴生[14-18]。

文献[8]中在测量煤系地层的导热系数时发现，常温下大多数物质导热系数与温度成反比。煤系地层具有不同的孔隙率，当孔隙中充填气体时，因气体的导热系数小使得试块的导热系数降低。孔隙率越大、温度越高时，其导热系数就越小。

3　油页岩力学特性

油页岩在温度作用下力学特性是油页岩热物理特性一个重要方面。油页岩力学特性是温度和压力的函数。油页岩抗压强度、抗拉强度和弹性模量与油页岩品位呈负相关，而泊松比与品位呈正相关[19]。油页岩力学特性受温度影响较大，随着温度的升高，抗拉强度和抗压强度会降低，而且不同品位的油页岩的强度随温度的升高呈现对数降低（见图4和图5）。油页岩随着温度的升高，蠕变特性更加明显，拉伸破坏往往出现在油页岩受热产生油气过程中。

图4　不同品位的油页岩抗拉强度与温度关系[19]

图5　不同品位的油页岩抗压强度与温度的关系[19]

在常温条件下，油页岩的单轴抗压强度随着加载速率降低也随之降低，弹性模量随着围压提高呈非线性增加，抗压强度和弹性模量随着油页岩品位的增加而降低，油页岩的泊松比在室温条件下随着品位增加而增加[19]。

国内赵静博士做了高温后抚顺油页岩样品单轴抗压强度随温度的变化规律（见图6），单轴抗压强度与温度呈负指数关系。图5单轴抗压强度与温度呈负对数关系。受温度的作用，抗压强度会降低，只是降低的幅度不同。弹性模量随温度升高呈负对数规律降低（见图7）。

图6　油页岩抗压强度与温度的关系[20]

图7　油页岩弹性模量与温度关系[20]

赵静是用加热到设定温度的样品冷却到室温获得实验参数，这与高温下实时测量有一定区别，测得弹性模量能否反映其高温时本质还需要进一步研究。油页岩在300℃以上干酪根开始热解产生页岩油和页岩气，由于干酪根的快速蠕变，高温实时测得弹性模量可能较高温后还要小。

油页岩强度和弹性模量随温度升高而降低，这与油页岩加热发生一系列的变化是密切相关的。油页岩主要由各种无机矿物、有机质和孔隙组成，在加热过程中无机矿物分解，有机质干酪根发生热变形和热解产生油气等会造成油页岩发生蠕变变形，随着温度的提高干酪根的软化和蠕变也会加快。

4　结论

对油页岩的热解特性、热传导特性和油页岩的力学特性在温度与压力的作用下作了回顾。油页岩热解分为三个典型的阶段：低温水分蒸发失重阶段；中温有机质热解阶段；高温碳酸矿物分解阶段。导热系数存在各向异性且平行层理的导热系数大于垂直层理的导热系数，油页岩导热系数随温度的升高呈现降低的趋势，温度对导热系数的影响不是很大。油页岩的抗拉强度、抗压强度、弹性模量和泊松比都随着温度的升高而降低。

参考文献：

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油气工程

Reviewed of oil shale thermal physical property research

DONG Fuke1，2
（1.Vocational College of Geology，Shijiazhuang Hebei 050081，China；2.Mining Technology Research Institute，Taiyuan University of Technology，Taiyuan Shanxi 030024，China）

Abstract:The pyrolysis,thermal conductivity and the mechanical properties of oil shale under heating conditions are reviewed.Oil shale's pyrolysis is divided into three stages,the low temperature water precipitation phase,the organic matter decomposition temperature and high temperature crystallization water precipitation phases.The anisotropic behavior is observed on the coefficient of thermal conductivity of oil shale.The coefficient of thermal conductivity of parallel bedding is greater than that of the vertical bedding and the effects of temperature on thermal conductivity is weak.Tensile strength, compressive strength,elastic modulus and poisson's ratio of oil shale decrease with the increase of temperature.As the temperature increases,more creep properties are observed.Tensile failure tend to appear in the process of pyrolysis.

作者简介：董付科，男（1979-），讲师，2008年硕士毕业于中国矿业大学采矿工程系，现为太原理工大学博士研究生，主要从事油页岩原位开采的研究工作，邮箱：310097761@qq.com。

基金项目：河北省教育厅科学技术处“温度和应力耦合作用下岩石峰后力学特性的研究”项目，项目编号：Z2014008。

*收稿日期：2015－11-23修回日期：2016－01-08

DOI:10.3969/j.issn.1673-5285.2016.02.001

中图分类号：TE311

文献标识码：A

文章编号：1673-5285（2016）02-0001-05