温度影响下油页岩动力学参数的实验研究

刘志军， 杨 栋， 邵继喜

(1.黑龙江科技大学黑龙江省煤矿深部开采地压控制与瓦斯治理重点实验室，哈尔滨150022; 2.太原理工大学采矿工艺研究所，山西太原030024)

温度影响下油页岩动力学参数的实验研究

刘志军1，2， 杨 栋2， 邵继喜2

(1.黑龙江科技大学黑龙江省煤矿深部开采地压控制与瓦斯治理重点实验室，哈尔滨150022; 2.太原理工大学采矿工艺研究所，山西太原030024)

温度影响下的力学参数变化对油页岩原位开采具有显著影响。利用岩样超声波速测试系统，实验分析了油页岩在温度作用下动弹性模量、动泊松比的变化规律。结果表明:在温度作用下，油页岩动弹性模量变化符合Boltzmann函数关系，动泊松比的变化符合线性函数关系。油页岩力学性能的变化在垂直层理方向上主要由热破裂导致，在平行层理方向主要为热解导致。

油页岩;动弹性模量;动泊松比;超声波测试

目前，油页岩开采可分为异位开采与原位开采。由于异位开采面临的成本高、环境污染严重、占地面积大等缺陷，油页岩原位开采正成为目前研究的热点与发展方向［1－9］。而油页岩原位开采中，温度影响下的动力学参数对油页岩热传导、油气渗透等将产生显著影响，但目前此方面的研究甚少［10－13］。因此，研究温度影响下油页岩的力学参数变化，对于油页岩原位开采模型建立、力学分析意义重大。

常规力学参数实验通常采取力学加载实验，但由于该实验不具有重复性，不同温度的力学参数测试需要不同的岩样，岩样离散性较大。即使同一区域的不同岩样的实验结果，也存在较大差异。如果能够在动力学参数与弹性波波速之间建立相关关系，则可利用超声波速测试。通过声波速度与力学参数间的固有关系，计算分析岩样的力学特性。文中主要对辽宁抚顺西露天矿油页岩进行了岩样超声波速测试，进而求得相关力学参数，为进一步的力学建模提供了基础。

1 实验原理与方法

1.1 实验原理

由弹性力学理论，对近似弹性介质，其力学参数与波速之间具有如下函数关系:

式中:vP——弹性波纵波传播速度，m/s;

vS——弹性波横波传播速度，m/s;

ρ——介质材料密度，g/cm3;

E——动弹性模量，kPa;

μ——动泊松比。

基于此，在试件两端分别安装发射探头和接收探头，采用声波测试仪器测取声波在试件中的传播时间，即可求得对应纵、横波传播速度，进而利用式(1)求得对油页岩的动力弹性模量和动力泊松比。

1.2 实验设备

实验加温设备采用1 600℃节能箱式电炉，可编制升降温程序智能控制温度。动力学参数测试采用日本OYO公司的SonicViewer－SX岩样超声波波速测试系统(图1)。它可以高精度读取P波、S波的传播情况，其内置软件可计算动态泊松比、动态弹性模量和动态剪切模量。试件尺寸用游标卡尺测量，质量利用精密天平称量，天平可读性精度为1 mg。

1.3 试件制备及实验

油页岩层状节理明显，在加热时因受热不均容易热破裂，试样尺寸不宜过大。将试样加工为直径50 mm、高100 mm的圆柱形油页岩样。按轴向平行层理与垂直层理方向各取1组，每组3个试件。实验结果取平均值。

试样用锡纸包裹，放置于马弗炉中，以15℃/m的升温速率缓慢加温到指定温度，保持温度4～6 h后以15℃/m的速率缓慢降温至常温，取出试样量取其尺寸与质量。然后，通过超声波速测试系统进行波速测量;输入质量、尺寸等参数，利用内置软件计算动态力学参数。实验选取温度点从常温23℃开始，依次为100、200、300、400、500、600℃，共设7个温度点进行测试。

图1 岩样超声波速测试系统Fig.1 Test system of ultrasonic wave on rock

2 动力学参数分析

2.1 实验结果

表1所示为实测抚顺西露天矿油页岩在不同温度的动力学参数结果。表1中所列动弹性模量及动泊松比均为3个试样测试结果的平均值。

表1 抚顺西露天油页岩动力学参数实验结果Table 1 Experimental results of dynamic parameters on Fushun oil shale

2.2 动弹性模量变化分析

图2、图3分别为不同温度作用下油页岩试件的平均动弹性模量与温度的变化关系。其中图2为垂直层理方向取样测试结果曲线，图3为平行层理方向取样测试结果曲线。

从图2中可以看出，在垂直层理方向，常温到100℃温度作用下，油页岩样品的动弹性模量随温度升高变化不大;100～300℃温度作用下，油页岩的动弹性模量随温度升高产生急剧下降;而300～600℃温度作用下，油页岩的动弹性模量随温度升高有小幅下降。在500℃温度处，动弹性模量达到最小值，动弹性模量降幅达85%。

图2 动弹性模量与温度关系(垂直层理方向岩样)Fig.2 Relationship between dynamic elastic modulus and temperature on samples vertical bedding direction

图3 动弹性模量与温度关系(平行层理方向岩样)Fig.3 Relationship between dynamic elastic modulus and temperature on samples parallel bedding direction

从图3中可以看出，在平行层理方向，常温到300℃温度作用下，油页岩样品的动弹性模量随温度的升高较缓慢下降;动弹性模量大幅降低区间为300～500℃温度段;500～600℃温度作用下，油页岩的动弹性模量随温度升趋于稳定;在600℃温度处，动弹性模量达到最小值，动弹性模量降幅为31%。

对比图2、图3发现，油页岩动弹性模量随温度变化曲线同油页岩热重曲线具有一致性，不同在于下降段温度区间不同。抚顺油页岩在380～500℃为主要失重区间［11，14－15］，主要原因为在此温度下油页岩中油母质受热分解并析出。而影响动弹性模量变化的主要因素为裂隙、孔隙的增多，其中起控制作用的裂隙主要产生于平行层理方向，在温度作用下，此方向的原石裂隙扩展、新增裂隙增多，从而导致了图2所示150～300℃区间动弹性模量急剧降低，而在油母质大量分解析出区域的380～500℃温度区间，动弹性模量降幅不大;即在垂直层理方向随温度升高，动弹性模量的大幅降低主要是因为油页岩热破裂导致，其所引起的动弹性模量降幅较大。在平行岩石层理方向，动弹性模量的降低主要发生在300～500℃温度区间。这一温度区间与油页岩热解温度相吻合。动弹性模量的降低主要是由于油页岩中的油母质析出导致孔洞的产生，此方向上的动弹性模量受控于热分解程度。

根据实验数据，采用Boltzmann函数拟合，可分别得到抚顺西露天油页岩垂直层理方向、平行层理方向动弹性模量随温度变化的衰减规律拟合公式(2)～(3)。拟合相关性较高。

Boltzmann函数:

拟合公式:

式中:t——温度，℃;

E1、E2——垂直层理、平行层理方向动弹性模量，MPa。

2.3 动泊松比变化分析

图4为不同温度作用下油页岩试件的动泊松比与温度的变化关系。其中，μ1为垂直层理方向实验结果，μ2为平行层理方向实验结果。

图4 岩样动泊松比与温度关系Fig.4 Relationship between dynamic Poisson’s ratio and temperature of samples

由图4可以看出，在垂直层理方向，油页岩动泊松比从常温下的0.408，随温度升高线性降低，600℃时降低到0.241;而在平行层理方向，油页岩动泊松比随温度升高线性升高，从常温时的0.282，升到600℃时的0.431。这是由于，随着温度的升高，在油页岩内部平行层理方向产生起控制作用的裂隙，此裂隙的存在使得垂直层理方向变形能力增大;而在平行层理方向由于热解产生孔洞，同理使得该方向变形能力增大，但因孔洞尺度低于裂隙尺度，引起的变形能力变化亦低于裂隙所引起变形能力变化。反应在泊松比的变化上，即随温度升高，垂直层理方向的试样泊松比呈线性降低趋势，而平行层理方向的试样泊松比呈线性增长趋势。

由实验数据，动泊松比与温度的变化关系可线性拟合为式(4)和式(5)。

式中:μ1、μ2——垂直层理、平行层理方向动泊松比。

3 结论

油页岩的动力学参数与温度之间具有很好的相关性，温度与动弹性模量之间符合Boltzmann函数关系，而与动泊松比之间具有线性函数关系。温度作用下，油页岩在垂直层理方向上主要表现为原生裂隙扩展、新生裂隙产生引起的热破裂力学行为，对油页岩力学特性起主要控制作用;在平行层理方向，主要表现为油母质化学反应热解产生孔洞，对油页岩力学特性起次要作用。由此，其力学参数在不同方向上表现出较大差异。

本研究仅对抚顺西露天矿油页岩做了分析，结论的广泛性、岩石的动、静力学参数之间的定量关系需进一步研究。

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(编辑 晁晓筠 校对 王 冬)

Experimental research on dynamic parameter of oil shale under temperature effect

Liu Zhijun1，2， Yang Dong2， Shao Jixi2
(1.Heilongjiang Ground Pressure＆Gas Control in Deep Mining Key Lab，Heilongjiang University of Science＆Technology，Harbin 150022，China;2.Institute of Mining Technology，Taiyuan University of Technology，Taiyuan 030024，China)

This paper describes the way the mechanical parameters changes under the influence of temperature have a significant impact on oil shale mining in-situ.The study using rock samples ultrasonic velocity measurement system analyzes change rule of the dynamic elastic modulus and dynamic Poisson’s ratio under the action of temperature of oil shale.The results show that dynamic elastic modulus of oil shale conforms to Boltzmann function and dynamic Poisson’s ratio agrees with the linear function in the presence of temperature.Changes in mechanical properties of oil shale are mainly due to thermal cracking in the vertival direction，and mainly due to the pyrolysis in the bedding direction.

oil shale;dynamic elastic modulus;dynamic Poisson’s ratio;ultrasonic wave measurement

10.3969/j.issn.2095－7262.2017.04.015

TD315;TD83

2095－7262(2017)04－0396－04

:A

2017－05－14

黑龙江省教育厅科学技术研究项目(12513080)

刘志军(1978－)，男，内蒙古自治区乌盟人，讲师，硕士，研究方向:岩石力学，E-mail:14918030@qq.com。