川南龙马溪组含气页岩热导率实验研究

程 超，林海宇，蒋裕强，冯 磊，夏 雨，牟春濠

(西南石油大学 地球科学与技术学院，成都 610500)

近年来，页岩气成了地学和油气领域工作者关注的热点。随着研究深入，页岩气勘探开发得到了迅速发展[1]。我国首个大型页岩气田(涪陵气田)的建成也标志着我国页岩气加速迈进商业化发展阶段。完善页岩的基础研究也成为亟待解决的问题，其中含气页岩的热物理性质的研究逐渐得到关注。陈墨香等[2-6]开展了火山岩、碳酸盐岩、砂岩和岩土层热物理性质的实验研究，探讨了火山岩、碳酸盐岩和砂岩热物理性质的影响因素以及与其他物理性质间的变化规律。研究认为岩石的热导率受多种因素影响，对于环境因素，岩石的热导率随着温度的升高而降低，随着压力的增加而升高。对于岩石的物性特征，岩石孔隙度越小，越致密，热导率就会越高。CLAUSER等[7-8]研究了岩石中各种矿物的热导率，结果表明岩石众多矿物组成中，黄铁矿的热导率最高，为38.90 W/(m·K)，石英次之，为7.69 W/(m·K)，斜长石的热导率变化范围在1.50～2.50 W/(m·K)之间，黏土矿物较低，为1.04～1.51 W/(m·K)[9]。FUCHS等[10]研究了不同岩石类型热导率与基本造岩矿物的关系。以上研究基本阐明了岩石中各类矿物、物性特征以及环境因素对岩石热导率的影响。然而，富有机质页岩的热物理性质却鲜有报道，特别是有机质含量对热导率的影响。因此，本文以川南龙马溪组深层含气页岩为研究对象，以实验室测试为主要研究手段，研究了页岩的热物理特性，探讨了页岩矿物组成、孔隙度、TOC含量、温度等对页岩热导率的影响，并阐述了这些因素的影响机理。

1 实验

1.1 基本原理和方法

岩石的热导率是反映岩石的导热能力的重要热物理参数，可定义为单位时间内每单位长度温度升高或降低1 ℃时，在垂直热流方向上每单位面积所通过的热量。目前室内测量热导率的方法主要有稳态法和非稳态法[11]2种，各有优缺点。基于傅里叶热传导方程的稳态法是测量岩石热学性质的标准方法，原理简单，精度高，缺点是测量时间较长。非稳态法测量时间较短，克服了稳态法中由于长时间测量热量对所测材料性质的影响，通常几十秒就可以完成一个样品的测量。本实验利用法国塞塔拉姆生产的Mathis TCI热常数分析仪，可以实现对岩样热导率快速、高精度、无损测量。该仪器利用了非稳态法中瞬态平面热源法[12]的基本原理，其理论基础是一维瞬态热传导微分方程：

(1)

式中：ρ为材料的密度，kg/m3；cp为材料的比热容，J/(kg·℃ )；T为材料温度，℃；t为时间，s；λ为材料的导热系数，W/(m·K)；x为传感器与样品接触位置，m；q′表示传感器芯片两侧某一方向传输的热流密度，W/m2。在实验过程中对每块岩样进行反复测量，每个岩样测得10组测量数据，取最后几组稳定的测量结果的平均值为最终测量值，以减小仪器开始测量时可能由于接触不充分，导热不完整等因素造成的测量误差。

1.2 实验结果

用于本实验的54块岩样全部取自于川南某井龙马溪组深层含气页岩储层，全岩衍射结果表明页岩矿物组分有黏土、石英、斜长石、碳酸盐和黄铁矿(表1)。

通过对实验数据进行统计分析发现，岩样热导率最大5.15 W/(m·K)，最小1.22 W/(m·K) ，平均值为2.50 W/(m·K)。从热导率频率分布(图1)可看出，岩样热导率主要分布在2～3 W/(m·K)，其次分布在1～2 W/(m·K)。实验结果与李香兰[13]在下扬子区泥页岩热物性测试结果基本一致，但与CERCONE等[14]在美国宾夕法尼亚西部阿巴拉契亚盆地富有机质黑色页岩热导率在0.6～1.45 W/(m·K)分布范围的研究结果相比偏高，主要是2个地区富有机质页岩的矿物成分和TOC含量差异所致。

2 讨论

2.1 页岩矿物组分与热导率关系

由热传导机理可知，页岩的矿物组分和排列方式对热导率的高低有决定性的影响。页岩的矿物组分复杂，实验所测页岩所含矿物有石英、斜长石、黏土、方解石、白云石和黄铁矿等。首先讨论黄铁矿对热导率的影响，从黄铁矿含量与热导率值的关系图(图2a)可以看出，黄铁矿对热导率的影响具有双重性，大致具有如下规律。以黄铁矿含量5%为界限，将实验数据分为2个区，各区热导率高低都与黄铁矿含量有一定的正相关性，这是因为黄铁矿为金属矿物，导热能力较强。研究还发现在黄铁矿含量增大到5%左右时，热导率绝对值有所下降，在大于5%的区域内随黄铁矿含量增大缓慢升高。这是因为研究区深层含气页岩的黄铁矿与有机质孔发育程度有着较为密切的关系[15-16]。在水动力较弱的环境下，有机质作为还原剂对黄铁矿的形成有着很大的作用，黄铁矿含量与有机质含量具有一定的正相关性[17]。有机质裂解时会产生有机孔，且研究区页岩具有超高成熟度，产生的有机孔增多，页岩结构相对疏松多孔，对热量的传递有阻碍作用。总体上，热导率与黄铁矿含量呈正相关关系，在黄铁矿含量超过5%时明显受有机孔发育程度的影响。

图1 川南龙马溪组页岩岩样热导率频率直方图

表1 川南龙马溪组页岩岩样实验基础数据

图2 川南龙马溪组页岩岩样热导率与黄铁矿、黏土含量、碳酸盐以及石英含量的关系

由黏土矿物含量与热导率关系(图2b)可以明显地看出，随着黏土矿物含量的增多，热导率呈下降趋势。黏土含量低于12%时，研究样品的热导率值较高，都在2.7 W/(m·K)以上；而含量大于12%时，绝大多数样品的热导率在2.7 W/(m·K)以下，有的甚至低于2 W/(m·K)。这是因为黏土矿物为结构松散的矿物，微观上层与层之间的接触情况较不充分，使热量的扩散增加了难度，再加上黏土有多种分布形式，增加了热传导的复杂性。所以黏土矿物含量越多，对热传导的阻碍作用越大。由碳酸盐含量与热导率关系(图2c)可以看出，热导率随着碳酸盐含量的增加而升高，这是由于碳酸盐为结晶，颗粒胶结好，结构致密，有利于热传导。石英与热导率关系(图2d)表明，随着石英的含量增多，富有机质页岩热导率呈升高趋势，但二者相关性并不好。

2.2 孔隙度与热导率

从孔隙度分布(图3a)中可以看出，这批页岩岩样孔隙度主要分布在2%～8%。热导率值和孔隙度交会图(图3b)表明，随着页岩孔隙度的增大，热导率值具有下降的趋势，这与前人的结论相吻合[13]。主要原因是岩石颗粒之间的接触面是热传导的主要方式。岩石结构越致密，孔隙度越小，粒子的振动越容易，岩石热导率就越高，反之，岩石的热导率就越低。

图3 川南龙马溪组页岩岩样孔隙度分布及其与热导率的关系

2.3 TOC含量与热导率

TOC含量是评价页岩有机质丰度和生烃潜力的重要部分[18]。它不仅对页岩气的生成量有着重要的影响，并且疏松多孔的有机质还为页岩气的储存和运移提供空间和通道。干酪根作为页岩中有机质的主要成分，它的热演化程度与油气生成密切相关。热导率作为表征物体热量传导能力的物理量，那么TOC含量和页岩的导热能力是什么样的关系呢？基于实验结果，由图4可以看出二者关系复杂，总体上热导率随TOC含量的增加而降低。但在TOC含量较小(小于2.3%)的区域内，热导率随TOC含量的增大而快速降低；而在TOC含量较高时，页岩热导率明显随着TOC含量的增大而缓慢降低。TOC含量小于2.3%的14个样品，黄铁矿含量平均值为3.88%，孔隙度平均3.89%，黏土矿物平均22%；其余TOC含量大于2.2%的样品，黄铁矿含量平均值为4.57%，孔隙度平均5.15%，黏土矿物平均24.8%。由此可见页岩TOC和热导率均受多因素控制，二者关系还有待深入研究。

2.4 温度对热导率的影响

温度是影响热导率的重要因素之一，前人在不同温度下对岩石热导率进行测定，得出了在一定条件下大多数岩石热导率随着温度的升高而降低的结论[19-20]。将含气页岩看作是一种以黏土矿物为主的沉积岩，特点是多了几种矿物。所以可以按照普通沉积岩的方式测试其物理性质。选择同一深度的5块物性相近的干燥页岩样品，实验温度区间为50～100 ℃，每隔10 ℃测量其热导率，共测6次。温度阀值设定在100 ℃，是为了避免页岩在加热的条件下各种性质发生变化。

从5块岩样的温度与热导率关系中可以看出(图5)，热导率随温度的变化有着严格的线性变化关系，不同趋势线的增减趋势与幅度并不一致。其中有3块的规律与一般岩石的规律相吻合：岩石的热导率随着温度的升高而降低；剩下的2条却呈现相反的关系。排除实验操作有误的情况后，通过对实验基础数据对比发现，热导率与温度关系变化“异常”的样品除TOC含量有所差距，其他数据基本相似。1号和5号样品的TOC含量分别为4.56%和3.06%，其他样品数据都在3%以下。热量的传递是通过颗粒之间的振动传播，温度的升高使颗粒无规则振动频率加快。对于岩石，颗粒之间排列紧密规则，温度升高会打乱颗粒间的排列方式，降低热传导效率，使得岩石的热导率随着温度的升高而降低。对于气体，温度的升高，会使分子间的碰撞几率增加，增加热传导效率，使得气体热导率随着温度的升高而升高。研究表明，岩石在受热处理后孔隙度会增大，且超过一定阈值后空隙规模会显著增大[21]。所以1号与5号岩样“异常”的原因可能是干酪根空隙增加后，其中的气体体积也有所增加。而气体的热导率随温度的升高而升高，虽然岩石骨架热导率随温度的升高而降低，但是叠加的结果是样品的热导率随温度的升高而升高。这种异常情况将会在本文的后续研究中持续关注。

图4 川南龙马溪组页岩岩样TOC含量与热导率的关系

图5 川南龙马溪组页岩岩样温度与热导率的关系

3 结论

(1)含气页岩热导率随孔隙度的增加而降低，与TOC含量关系复杂，总体随TOC含量的增高而降低。

(2)页岩组分中黄铁矿含量和石英含量对热导率影响较大。热导率与黄铁矿含量总体呈正相关关系，但是同时要受到有机孔发育程度的影响。

(3)温度是影响热导率最主要的因素，同时受页岩的TOC含量制约，当TOC含量较低时，热导率随温度的升高而降低；而TOC含量较高时，热导率随温度的升高而升高。