储层岩石热物性变化规律研究现状与展望

宁东平，尹紫菡，李佳，李浩清，蒋珂劼

（重庆科技学院，重庆 401331）

储层岩石的热物性主要包括岩石的比热容、导热系数、热扩散系数，影响油藏储层岩石的热物性的因素也有很多[1]，主要的影响参数有储层孔渗、油水饱和度及温度等。储层岩石在各种因素影响下的热物性变化规律对油藏的开发效果有一定程度的影响，这种影响在稠油油藏的开发中更为显著[2-7]。近年来，随着油藏精细化开发的目标被提出，储层岩石热物性变化规律研究的重要性也愈发凸显。目前，油气藏开发过程中与储层岩石热物性相关的问题亟需解决，而在利用仪器进行热物性参数获取时，无法真实模拟地层条件，且地层热物性原位测试技术在油藏开发领域进展滞后。

1 研究现状

国内外学者很早便已对各种因素影响下的储层热物性变化规律开展了相关研究。Hanley[8]等人在1978年研究了8种类型不同的岩石在300 ～1 000 k 温度范围内的热扩散系数，其测量方式为在一个大气压下采用激光闪法，每种岩石的热扩散系数均不同，发现其成分与结构起很大的作用，但大体趋势上热扩散率与温度成反比。Heuze[9]等人在对不同的花岗岩的高温性质进行研究时也得到类似的结论。1992年，我国的徐振章[7]研究了稠油开发过程中影响储层热物性的因素，并且在当时技术条件有限的情况下进行了较为细致的单因素分析。1995年，徐振章[5]又提出了能够满足当时地质研究与工程设计需要的稠油油层热物性参数计算模型，计算结果会存在较大偏差。

1.1 温度对岩石热物性的影响

考虑到温度对岩石热物的影响，Hu Wen[10]等人使用LFA457装置测量不同温度下的烟煤和砂岩的热扩散率与比热容。结果发现，温度在350 ℃以下时对于比热容的影响较大。这种现象可以用固体分子热运动来解释，由于C 原子质量较小，晶格内结合力较强，晶格振动在此温度范围内作用较大，且呈现比热容随温度升高而增大的现象。而当温度高于600 ℃时，高温下氢元素的挥发演化、化学反应导致平均摩尔质量的增加，使得比热容降低。同时，岩样的热扩散系数随温度的升高而降低，室温下岩石的热扩散系数在0.37 ～0.89 mm²/s 范围内、高温下岩石的热扩散系数在0.23 ～0.89 mm²/s 范围内，且砂岩的热扩散率相比于花岗岩较低。与Hanley 和Heuze 等人早年所做的实验相比，该实验的仪器设备都有了明显改进，测试温度范围大，能达到的温度上限很高，且仪器较为精准，因此该方法能够准确地判定地层深部温度范围内的岩石热物性参数。近年来，Abdulagaov[11]等人通过量热计精准地测量了308 K ～763 K 的岩石比热容，发现砂岩比热容总体增加了58%，且温度变化速率很小，在575 K 以上的高温范围内，比热容达到一定值后迅速增加，这种增加可以解释为由于样品在加热过程中的微观结构变化（微观结构效应）的产生，后这一分析结果通过热膨胀系数的测量得到了证实。在此研究结果上，通过拟合温度的低阶多项式来表示，可以在实际中更准确测量砂岩的比热容。

1.2 油水饱和度对岩石热物性的影响

考虑到油水饱和度对岩石热物性的影响，辛守良[12]等人以华北潜山油藏岩石为研究对象，利用高精度热物性测定仪对岩石的比热和导热系数进行研究，结果表明热导系数随着油饱和度的增加逐渐变小但趋势较平缓，对于该现象给出的解释是油含量增加水含量减少了，油导热能力比水差，同时发现油饱和度增加时岩石比热容变小同时岩石的储热能力也下降。此外，由于华北潜山油藏岩样白云岩和石英的含量占比在95 %以上，所以岩样呈低孔隙度的特点，这对于导热系数的变化会有很明显的影响。

在前人的结论下，Li Jishan[13]在对储层热物性进行测试与分析时，也得出了相同的结论并根据实验结果提出了储层热导率的经验公式。宋小庆[14]等人通过对贵州地区出露地层岩石，分别在干燥和饱和水两种状态下热物性参数进行测试，结果表明在含水饱和度不同时，储层岩石的热物性也存在较为明显的差别，说明岩石的热物性受含水率的影响较大。相比于Li Jishan，宋小庆等人的测试较为明显的特点是对贵州地区岩石的热物性参数利用直方图、统计表、箱线图的形式列出来，详细直观地呈现了不同区块、不同种类的岩石热物性变化情况，并且岩样类型多、数据大，得到的研究结果较为真实可信。但总的来讲，前者得出的结果均表明了热导系数随着油饱和度的增加逐渐变小但趋势较平缓，同时岩石的比热容、热扩散系数等均受油水饱和度的影响。

1.3 孔渗变化对岩石热物性的影响

考虑到孔渗变化对岩石热物性的影响，陈墨香[15]对我国华北地区中、新生代沉积盆地进行热流测试。分析认为孔隙岩石的热导率一般与孔隙度呈负相关，而与含水率呈正相关。李守巨[16]等人采用有限元模型法计算出等效导热系数，并对孔隙度和导热系数之间的关系进行了回归处理，得到了能够在一定误差范围内预测岩石导热系数与随孔隙度变化的回归方程。前人的多种实验得出的结论都表明导热系数随孔隙度增加而降低。且不难看出，李守巨等人都是采用数值模拟，预测等数学方法研究孔渗变化对岩石热物性的影响，从2007年至2017年的研究，此类方法在该领域上不断发展创新，而在未来也会有更大的研究价值。

已有研究几乎都主要围绕在单一因素影响下岩石热物性参数及变化规律研究方面，而对于多个因素同时影响下的储层岩石热物性变化规律鲜有涉及。若能开展不同因素共同影响下的储层岩石的热物性变化研究并建立预测模型，实验所得到的岩石热物性变化规律相比于前人的单一影响因素会更加符合真实地层下的情况，亦能为油气开采和深部矿产资源及地热能开发利用提供基础数据。

2 热物性研究的发展趋势

储层岩石热物性研究对于指导油藏的生产开发有重要的意义，在国内外学者的不断实践研究下，总结归纳研究现状，理清发展趋势才能更好地将研究成果应用于油藏开发。

2.1 不同领域的热物性的探索

随着全球的油气需求量不断增加，非常规油气的开采已经成为获取油气资源的重要组成部分[17-19]。目前，稠油热采技术取得了较大的成果，而有关其他领域的热物性探索还有很大的提升探索空间。如页岩气领域，2014年曾冀[20]提出利用超临界二氧化碳压裂技术开发含气页岩，采用Span-Wagner 模型和Vesovic 模型，能较为准确地计算二氧化碳热物性参数，将模型稍加修正便可用于油田现场。近年来，此方面的研究才逐渐增多。李斌[21]于2018年就对超临界二氧化碳窄缝内流动传热规律进行了研究。与前几年相比，李斌优选了更多的模型，提高了计算的精度，并且考虑多种修正准则，但由于页岩气的形成机理和成藏过程受热物性控制作用很强[22]，页岩的导热率与压裂特征、含气量等的关系还尚未明确，因此探索页岩气的热物理性质是今后发展的重要方向。

2.2 热物性参数的影响因素

自1990年开始，就有杨书贞[23]等人开始对稠油层岩石热物性进行研究，但在但在1990—2010 年，关于岩石热物性影响因素的研究甚少。到了2015年，就开始有高平[24]等学者对岩石热物性影响因素进行一系列的实验分析，同时很多学者发现了不同岩性、层理方向、压力等对于岩石热物性也有相应的影响[25-28]。但从国内外学者对储层热物性的研究来看，大多都是从单一因素来入手研究的，多因素共同影响储层热物性暂无学者进行研究。在不同的因素共同作用下，储层的热物性规律会有相应的变化。因此多因素影响下的储层热物性将是一个值得研究的方向。

2.3 热物性测定方法

现今通常有热流法、热线法、热丝法、激光法、平面热源法等方法对岩石热物性参数进行测试[29]。但这些室内实验大多注重仪器的精度但却忽视储层岩石的地层条件，即“高温高压”[22]，考虑实际应在进行实验时要求测量仪器加热时间更短、采用国际统一的标准刻度进行试验、探索多种角度测试的方法来逼近地层条件。

3 结语

早年储层岩石热物性的研究虽然能够正确地描述单因素对储层热物性的影响方向，但存在精度不够、误差较大的问题。近年来，随着热物性测定技术的不断进步，热物性测定的条件越来越接近储层原始情况，且测定误差也在不断的缩小，测试结果已经能够较为准确地描述储层岩石热物性在单因素影响下的变化规律。此外，对于多领域、多因素、高仿真等情况下的储层岩石热物性研究是目前重要的研究方向。