高溫及三維應(yīng)力下油頁巖細(xì)觀特征及力學(xué)特性試驗(yàn)研究.pdf

1、油頁巖作為一種潛在的能源，是天然原油較為理想的補(bǔ)充和替代能源，已經(jīng)成為一種具有現(xiàn)實(shí)意義的資源，并且已成為各國能源開發(fā)的重點(diǎn)。開發(fā)油頁巖一方面能夠解決各國對(duì)石油資源的需求，另一方面又能夠降低對(duì)進(jìn)口石油的依存度。本文以油頁巖原位注熱開采為研究背景，采用細(xì)觀與宏觀試驗(yàn)研究相結(jié)合的方法，對(duì)高溫作用下熱解特性、孔隙率、孔隙結(jié)構(gòu)特征、滲透特性及力學(xué)特性進(jìn)行了研究。本文的主要研究內(nèi)容及結(jié)果如下:
　　(1)利用馬弗爐對(duì)塊樣進(jìn)行加熱后稱重可得到油

2、頁巖的失重規(guī)律，同時(shí)利用熱重分析儀可得到油頁巖的粉樣熱解失重曲線，根據(jù)兩種試驗(yàn)結(jié)果得到:大慶和撫順油頁巖的熱解大致可以分為兩個(gè)階段，第一個(gè)階段為室溫～300℃，此階段主要為水分的析出所引起的失重;第二階段為300～600℃，此階段的反應(yīng)為有機(jī)質(zhì)熱解生成油氣物質(zhì)。
　　(2)將大慶油頁巖樣掃描重建后得到的CT灰度圖像，利用課題組開發(fā)的CT圖像分析系統(tǒng)進(jìn)行三維重建，得到升溫?zé)峤獾倪^程中，油頁巖內(nèi)部有明顯的物質(zhì)減少。統(tǒng)計(jì)不同溫度作用下三

3、維重建區(qū)域內(nèi)的不同射線衰減系數(shù)對(duì)應(yīng)的像素點(diǎn)的數(shù)量，得到了大慶油頁巖固體顆粒的熱解特性。從20℃到100℃，大慶油頁巖的熱解率為3.18％;從100℃到200℃，固體顆粒的熱解率增加到18.94％;200℃～500℃溫度段的熱解率為5.84％;500℃～600℃，熱解率增加到39.80％。
　　(3)結(jié)合CT法和壓汞法這兩種方法，得到油頁巖樣品內(nèi)部孔隙的真實(shí)分布情況，撫順油頁巖以壓汞法測(cè)得的孔隙率為主，大慶油頁巖以CT法測(cè)得的孔隙率

4、為主。兩個(gè)產(chǎn)地的樣品的開放孔的孔隙率隨著溫度的升高逐漸增大，閉孔率減小，說明隨著熱解的進(jìn)行，孔隙逐漸得到連通;而大慶油頁巖在400℃時(shí)，閉孔率大于開孔率，說明在這個(gè)溫度下，大慶油頁巖樣熱解產(chǎn)生的油質(zhì)產(chǎn)物未能從試件內(nèi)完全滲出，殘留在開放孔隙中，造成開放孔隙被阻隔。
　　(4)利用壓汞法對(duì)在高溫作用后的撫順油頁巖試樣的孔隙結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行了分析研究，得出:1）隨著溫度的升高，油頁巖的孔隙總體積、孔隙率、平均孔徑和臨界孔徑均呈現(xiàn)增大的趨勢(shì);

5、油頁巖內(nèi)部不同孔徑孔隙的體積分布隨著溫度差異較為明顯;油頁巖內(nèi)部孔隙的迂曲度逐漸減小，說明隨著熱解的進(jìn)行，油頁巖內(nèi)部孔隙通道彎曲程度在降低，有利于油氣產(chǎn)物的滲透及運(yùn)移，尤其在油氣物質(zhì)開始大量產(chǎn)出后，油頁巖孔隙通道的迂曲度呈大幅下降趨勢(shì)。2）對(duì)壓汞試驗(yàn)過程中接觸角所產(chǎn)生的滯后效應(yīng)進(jìn)行修正后，得到:退汞時(shí)的后退接觸角隨溫度的升高降低，滯后系數(shù)隨溫度的升高呈增大趨勢(shì)，說明隨著溫度的升高，油頁巖內(nèi)部的孔隙結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，孔隙表面粗糙度越來越大。

6、3）通過對(duì)一組撫順油頁巖樣的二次進(jìn)汞試驗(yàn)，得出:隨著溫度的升高，油頁巖內(nèi)部的孔隙在不斷的形成，基本以墨水瓶孔的形成為主，有效孔隙體積的增幅較小。
　　(5)利用壓汞法對(duì)在高溫及三維應(yīng)力作用下已進(jìn)行滲流試驗(yàn)的撫順油頁巖試樣的孔隙結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行了分析研究，得出:油頁巖試樣的孔隙體積、孔隙率、平均孔徑和臨界孔徑均隨著溫度的升高而增大，與高溫作用后未進(jìn)行滲透試驗(yàn)試樣相比，相同溫度下，油頁巖試樣的孔隙參數(shù)都較大，說明在孔隙流體的作用下，油質(zhì)產(chǎn)

7、物被攜帶出試樣，使得油頁巖試樣內(nèi)部的孔隙空間增大。
　　(6)利用Kozeny-Carman方程計(jì)算得到的滲透率為k1，利用等效管道模型計(jì)算得到的滲透率為k2。k1和k2隨溫度的變化具有相同的變化趨勢(shì)，均隨溫度的升高，滲透率呈不斷增大的趨勢(shì)，而400℃為滲透的閾值溫度，當(dāng)溫度高于400℃后，滲透率開始大幅增加。
　　(7)利用自主研制的高溫三軸滲透試驗(yàn)臺(tái)，對(duì)油頁巖試樣進(jìn)行基于原位應(yīng)力狀態(tài)下的高溫?zé)峤鉂B透試驗(yàn)，得到:隨著溫度的

8、升高，油頁巖的滲透性的變化規(guī)律為:常溫下和100℃時(shí)，油頁巖試樣基本不具有滲透性;當(dāng)溫度升高到200℃時(shí)，油頁巖的滲透率較低;200℃到300℃溫度段，油頁巖試樣滲透率增大，但增幅較小;當(dāng)溫度升高到350℃時(shí)，油頁巖試樣的滲透性出現(xiàn)了減小的趨勢(shì);在350℃到600℃溫度范圍內(nèi)，有機(jī)質(zhì)受熱首先軟化生成瀝青，然后瀝青再熱解生成頁巖油和頁巖氣，一方面瀝青和焦油會(huì)堵塞油頁巖試樣的滲透通道，另一方面粘土礦物質(zhì)對(duì)瀝青有吸附作用，同時(shí)對(duì)滲透通道產(chǎn)生影

9、響，隨著溫度的繼續(xù)升高，大量聚集的熱解氣體和礦物釋放的水蒸氣能攜帶頁巖油從孔隙、裂隙中滲透出來，使堵塞的滲流通道立刻變得非常暢通，從而不斷改變著油頁巖的滲透特性，油頁巖試樣滲透率呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)。
　　(8)通過對(duì)經(jīng)歷不同溫度階段的油頁巖熱解試樣進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，得出:1）油頁巖樣品的抗壓強(qiáng)度隨溫度的升高呈降低的趨勢(shì)，不同溫度下油頁巖的單軸抗壓強(qiáng)度和溫度呈指數(shù)關(guān)系，σ=74.987e0.0024T。2）常溫到600℃溫度作用下，油頁