TCS岩石热导率测试与特征分析

于 琪，朱焕来，2，杨霄宇，2

(1. 东北石油大学 地球科学学院，黑龙江 大庆 163318； 2. 东北石油大学 地热能研究中心,黑龙江 大庆 163318)

0 前 言

随着经济的发展，能源短缺，资源枯竭的问题日益突出。地热资源是非常宝贵的综合性矿产资源，是存在于地球内部的可再生的热能，他作为清洁高效的可再生能源，目前已被人们开发利用研究。地热资源的开发很大程度上解决了资源匮乏带来的经济问题，减少了对于环境的污染。因此，重视地热资源的有效开发利用显得至关重要，合理高效的开发利用地热资源有助于我国经济的可持续发展。

地球内部蕴藏巨大的热能，这些热能主要通过3种方式向地表传递，分别是热辐射、热对流和热传导。在岩石圈中热传导是内部热能传递的主要方式。在地热资源的开发利用中，岩石的热导率数据是计算研究区域大地热流值的重要参数之一，是描述岩石热状态以及热演化过程的重要热力学参数。岩石的热导率在很大一定程度上反映了研究区域内地热资源的温度以及分布情况。

岩石热导率是指岩石内部发生热传导时，沿着岩石内部热流传递的方向垂直向下温度相差1℃/m时，单位时间所通过的能量。他表示了岩石内部热能传递能力的大小[1-3]。岩石热导率的测量是测量岩石导热能力的一种方法。岩石物理力学性质中，岩石热导率的测量主要包括原地测量和实验室测量的方法。实验室热导率的测量根据样品导热过程中的原理、热流的流向、样品本身的形状与体积大小等分为稳态法和非稳态法两种。稳态法是指实验室样品分布温度达到稳定后进行测量的方法，可以直接测得导热系数。非稳态法是指实验室样品温度随着时间的变化而进行测量的方法。TCS岩石热导率扫描仪是非稳态的测量方法。热导率测量的理想状态是原地测量岩石热导率，但原地测量的方法由于测量环境复杂，岩石差异明显，因而所测得的数据不能完全代表岩石所在地沿热流方向的热导率[4]。

为了了解徐家围子地区整体的岩石热传导性能，对研究区域内不同深度，不同岩性进行采样，利用TCS岩石热导率扫描仪测试研究20块样品的热导率。测试数据分析研究区域内岩石热导率的特征以及其对于地温场特征的影响。本次测量热导率的扫描仪采用光学扫描高精度的测试方法，对于不同深度地层的岩样进行热导率扫描。

1 区域地质概况

徐家围子断陷地处松辽盆地北部地区，是近似呈现出SN走向的箕状断陷[5](见图1)，西部因断层而与古中央隆起带相隔，东部与朝阳万古隆起带呈斜坡过渡。区域东西宽约25～60 km，南北长约95 km，总体表现为西断东超的构造格局，断陷内主要发育3大断裂带即徐西断裂(南北两段)、徐中断裂及徐东断裂带。徐家围子断陷是一个边界明确清晰的断陷型沉积盆地。断陷由于内部总体面貌差异较大，可以分为3个二级构造单元，即安达凹陷、杏山凹陷、薄荷台凹陷。

图1 徐家围子断陷构造区划

2 岩石热导率研究现状

岩石热导率的大小与岩石的结构、岩石的组成、岩石含水量的大小、岩石所处环境的温度、岩石所处地层的压力有关。一般情况下，岩石的热导率跟岩石所在的深度、压力以及岩石本身的密度和湿度有关。不同岩石由于其内部结构及其形成环境的差异，因而岩石热导率系数也有所不同。热传导和热对流是岩石介质中热交换的最主要的方式，传导传热主要受岩石热导率的影响[6](见图2)。

图2 各类岩石的热导率

由图2可以看出：基底岩性中大部分是花岗岩的岩体，热导率较高。砂岩热导率较低，热导率随着深度的增加而增加。岩石热导率受岩石矿物组成的影响，随着泥质含量的增加岩石的热导率逐渐降低。

孔隙度与岩石热导率成反比的关系，孔隙度越大，岩石的导热能力越小。不同岩性地层组合所在的地温场温度不同[7]。岩石热导率同地层深度成正比的关系。随着深度的增加，各类岩石热导率也逐渐增加[8](见图3)。

图3 岩石热导率(左)和生热率(右)随深度变化关系

在不同的结构状态下，不同岩石热导率数值有所不同。结构致密的岩石在干燥和饱水状态下热导率的差别不大，结构疏松的岩石在干燥和饱水状态下热导率有明显的差异。由于热传导主要是通过岩石颗粒间的接触面进行传导，因而岩石的结构差异越明显，热导率就相差越大。在饱和流体情况下，岩石热导率随着孔隙度增加而减小[9-12]。陈墨香[13]通过对于华北地区的岩样进行测试后认为，基岩热导率的大小一般与所处的层位无关，主要由基岩本身的矿物组成和化学成分决定。赵永信等[14]通过对于岩石样品升温后岩石热导率变化的观察实验得出，岩石热导率随着温度的增加而降低。沈显杰等[15]指出岩石的热导率随着压力的增加而增加。对于岩石结构疏松且孔隙度较大的岩体影响比较明显。这主要是由于随着压力的增加，岩石孔隙逐渐减小增加了固体的传热效果。

岩石热导率是研究岩石物性的关键，也是求取研究区域大地热流值的重要热物性参数之一。对于岩石热导率的研究，一些国家在搜集、整理相关测试数据后，建立了自己的热物性数据库。其中就以美国普渡大学分析综合数据分析库为代表。他将导热系数、热扩散率、比热、热膨胀系数、热发散率和粘度6个参数系统的汇编了一套完整的热物性评价手册，是目前为止世界上数据最完善的一部热物理性的数据手册[16]。经过国内外大量研究和实验，已经逐步形成了较为完善的岩石热导率测量的理论和技术。

测试岩石热导率根据测试所在的环境主要分为两种方法：①实验室测量法；②原地测量的方法。相比实验室测量方法，原地测量方法由于岩石差异明显，因而测得的岩石热导率的值不能代表岩石所在层位的热导率。原地测量法由于岩石所处的环境差异以及岩石本身体积的较难代表整个剖面的情况，针对这些情况，原地测量方法主要分为圆柱形热源探管、圆形热源探管、球形热源探管3种方法。实验室测量分为勃契克拉克法、李一贝克的分离杆方法、冯赫仁和麦克斯韦针形方法和门杰里岩心切片法[17-21]。

3 岩石热导率特征

3.1 工作原理及方法

Thermal Conductivity Scanner(TCS)是由德国TCS-Lip-pmann公司和Rauen所制造的测量热导率系数和岩石热扩散系数的仪器。该设备操作简单、省时高效、对所检测样品无损坏且准确度高。在测试前对于所测试的样品不需要特殊的加工，可以测得完整、断头、碎块岩心等不同形态岩石岩心的热导率，对于样品形态无需加工，可快速高效的测得不同形态不同面水平方向上的岩石热导率[22]。TCS扫描所使用的技术是由Prof.Dr.Yuri Popov所发明并授权TCS-Lippmann and Rauen使用[23]，仪器主要由一个水平放置的平台和两个红外探头组成(见图4)，通过一个连续移动的热源与红外传感器相结合来对未知样品的平面或圆柱形表面进行扫描。通过与两个加热样品岩石热导率数值对比计算得出未知样品的岩石热导率。

图4 TCS岩石热导率扫描仪

3.2 样品测试

本次研究选择了徐家围子地区作为本次研究的测试对象。为了测试不同样品不同岩性的热物性质差异，采集了不同地层层位，深度在1 600～3 600 m之间共20块岩心。本次测试分别选取了不同深度且不同岩性的岩心进行测量。所取岩样的岩石类型主要有泥岩、粉砂质泥岩、粗砂岩、细砂岩等。基本代表了所研究区域内地层的主要岩石类型。利用TCS热导率测量仪对岩石热导率进行岩石热导率测量，测试结果如表1所示，徐家围子岩石热导率测试数据图见图5，不同深度岩石岩性岩石热导率分布图见图6。

从表1测试结果表明：研究区域内岩石热导率介于0.962～4.066 W/(m·K)之间，平均值为1.788 W/(m·K)，极大极小值较少。岩石热导率随着所处地层深度的增加，岩石热导率的数值也呈现出增加的趋势。由于各个层位岩心岩性的不同，因而测试出的岩石热导率在数值上有一定的差异。

表1 岩心热导率测试数据

通过图5整体可以看出：研究区域岩石热导率较高，且呈锯齿状分布。

由图6可以看出：不同属性不同地层岩石的热导率不同，深度越深，岩石热导率的值越大。岩石热导率随着砂质含量的降低而降低，即泥质粉砂岩﹥细砂岩﹥泥岩﹥粗砂岩。结合已有的数据进而可以推测出研究区域大地热流值较高，地热资源丰富。

4 结 论

1)热导率是表示岩石热传导能力的物理量。通过实验室测量的方法，使用TCS岩石热导率扫描仪对徐家围子地区不同深度岩石热导率进行测量。研究区域内两组岩石热导率变化范围介于0.962～4.066 W/(m·K)之间，平均值为1.788 W/(m·K)。可以看出研究区域内岩石的导热性能较好，结合已有的地温梯度特征可以推算出，徐家围子地区大地热流值较高且地热资源丰富。若能合理的开发利用，则可以很大一部分程度上解决化石能源短缺带来的能源问题。有利于环境的可持续发展。

图5 徐家围子岩石热导率测试数据

图6 不同深度岩石岩性岩石热导率分布

2)岩石热导率与岩石本身所处的地层深度、岩石内部结构、含水状况、岩石孔隙度以及周围的温度压力有关。一般情况下，岩石所处的深度越深，导热性能越好。在饱和流体的情况下，岩石的热导率随着孔隙的增加而减小。温度对于岩石的热导率影响较大，岩石的热导率和温度呈反比，温度越高岩石热导率就越小。压力的变化会在一定程度上改变岩石已有的孔隙结构，压力越大岩石的热导率越高。

3)本次实验测试结果发现，徐家围子地区岩石热导率从高到低依次为粉砂质泥岩、细砂岩、泥岩、粗砂岩。研究区域内岩石热导率整体上呈现出随着地层深度的增加而增大的趋势，不同地层岩石由于其自身结构及岩石属性不同，因而热导率也具有一定差异。由于徐家围子地区属于沉积盆地型地热资源，在沉积盆地中，岩石的热导率随着深度的增加而增大。由已知不同深度岩石热导率可大致判断出，徐家围子地区地热资源丰富，可利用程度较好。利用TCS岩石热导率扫描仪测试研究区域内不同地层深度的岩石热导率，对于研究区域内岩石的热演化过程以及地热资源的开发利用起到了借鉴作用。