高温条件下油页岩细观结构与力学性能研究现状

王敬泽，王鲁男，刘伟健，孙希宇,王 震

辽宁石油化工大学土木工程学院,辽宁 抚顺 113001

随着我国经济长期高速的发展，油气资源的需求量与日俱增，供需矛盾愈发严峻。非常规油气资源的开发利用是缓解当前紧张局面的有效途径，尤其是油页岩，具有储量高、开采技术成熟等特点，已成为接替常规油气资源的重要选择。油页岩是一种富含固态有机质、可燃烧的细粒沉积岩，加热至400～500℃时可分解产生页岩油，具有非常广阔的开发前景。无论是地表干馏还是地下原位开采，探明加热过程中油页岩的细观结构演化特征及其宏观力学响应规律是至关重要的，但相关研究较为零散，缺乏系统的概述。因此，本文对高温条件下油页岩的细观结构与力学性能演化研究进行了综述。

1 高温条件下油页岩的细观结构演化特征研究现状

高温环境中的油页岩受热应力驱使，经历着一个损伤累积的过程，从细观尺度上可归纳为孔裂隙缺陷的演化问题［1］。

基于CT 技术，Tiwari 等［2］对美国绿河油页岩热解前后内部孔隙空间的发育情况进行研究，发现在温度作用下油页岩内部形成大量的新孔隙；在390℃时出现大量没有连通的孔裂隙，达到400℃时裂隙相互连通，孔隙率急剧上升。康志勤等［3］以抚顺群油页岩为研究对象，通过显微CT 技术观察常温到600℃高温下的热破裂演化特征，并确定300℃为热破裂阈值温度。一旦超过该阈值，油页岩的孔裂隙结构急剧劣化，相应的渗透能力大为提升。通过对比分析传导与对流两种加热模式下油页岩孔隙结构特征的差异及形成机制，提出对流模式下油页岩受热均匀、换热面积大，其有机质热解更加充分，因而油页岩原位热解开采应首选对流模式。

Yang 等［4］利用压汞试验测量不同温度水平下油页岩的孔隙结构参数，分析油页岩的孔容、孔径分布及孔隙度等变化特征。结果表明，随着温度的升高，油页岩的孔隙体积、平均孔径及孔隙度均呈现增加的趋势；在此过程中，微孔逐渐合并为小孔、中孔，甚至于大孔，使得致密的油页岩转化为高渗透性的多孔岩石。Han 等［5］通过氮气吸附法测定不同燃烧方式下油页岩的孔隙结构参数，发现燃烧过程中，孔隙体积和比表面积表现出降～升～降的变化规律。赵丽梅［6］研究原位热解过程中油页岩的孔隙结构变化规律，提出300～600℃下孔隙体积和比表面积增长最快，而渗透率经历了先升高后降低的过程，其数值与热解终温、孔隙压力有显著的关联。综合运用显微CT、压汞及扫描电镜技术，耿毅德等［7］对加热条件下油页岩的细观结构劣化特征进行描述。结果显示，温度超过300℃后，有机质开始热解成油气，并逐渐排出，导致油页岩中形成众多的孔裂隙通道，孔隙体积、孔隙率及裂缝面积密度等持续增大。

2 高温条件下油页岩的力学性能研究现状

开展油页岩的力学特性研究有助于指导油页岩资源的开采与利用。早期的研究多偏重于常温条件；近些年，以太原理工大学、吉林大学为代表的高校科研团队在高温条件下油页岩力学性能演化方面取得了不俗的研究成果，为油页岩的原位地下开采提供理论与技术支撑。

在常温下，Chong 等［8］对美国多地区的油页岩开展抗拉、抗压试验，推导出油页岩的抗拉强度线性回归方程，并建立荷载频率与油页岩弹性模量、泊松比间的定量关系。Eseme 等［9］分析油页岩的品位与力学性质间的关联性，发现弹性模量、抗压强度及抗拉强度与油页岩的品位呈负相关，而泊松比与品位呈正相关。梁冰等［10］对不同水化时间的油页岩开展三轴压缩试验，发现水化作用对油页岩的力学特性影响很大。随着水化时间的增加，峰值强度和弹性模量均呈现降低的趋势，屈服阶段越加显著，并伴有明显的延性效应。

针对高温条件下油页岩的力学特性，薛晋霞［11］、赵静［12］利用单轴压力试验机对不同温度水平下油页岩的力学性质进行研究。结果显示，随着温度的升高，油页岩的弹性模量、泊松比及单轴抗压强度呈显著的降低趋势，而且温度与弹性模量呈对数关系，与泊松比呈直线关系，与单轴抗压强度呈指数关系。毕井龙［13］对不同层理方向、温度水平的油页岩开展三点弯曲试验，获取了各岩样的载荷-位移曲线斜率的变化规律，并综合研究不同温度条件下水、有机质及矿物成分对油页岩断裂韧度的影响，提出热损伤与热破裂是油页岩宏观断裂韧度发生急剧下降的根本原因。

3 结束语

综上，国内外已开始关注高温条件下油页岩的细观结构与力学性能演化问题，但研究还处于起步阶段、成果较少，这在一定程度上限制着油页岩资源的大规模开发与利用。与常温不同，高温条件下油页岩中有机质热解生成油气，形成大量的孔裂隙，其细观结构的急剧劣化引起力学性能的快速退化，极易诱发严重的工程地质问题。且油页岩储层埋深较大，高地应力亦不可忽视。因此，下一步的研究应重点关注高应力-高温度耦合作用下油页岩的细观结构演化特征及其宏观力学响应规律。