荷载条件下泥页岩热物性参数试验研究

张 栋， 黄正均， 梁明纯， 苗胜军， 刘 钰

(1. 北京科技大学土木与资源工程学院，北京 100083; 2. 北京科技大学 城市地下空间工程北京市重点实验室，北京 100083)

0 引 言

近年来，随着页岩油气等页岩层中的非常规油气资源开发利用的重视发展，部分国内油气开发领域的研究学者和工程技术人员针对我国陆相页岩层系液态烃偏低的问题，已开展“原位转化”等非常规油气开发领域的技术革命研究，即“页岩油革命”，从而实现我国页岩油开发利用的突破[1]。因此，准确获取岩石的热物性参数对保证原位转化过程中岩层热场精确构建极为重要。此外，深部矿产资源开发及地热能等清洁能源开发利用，未来也将成为我国能源领域的重大战略方向。深部矿产资源（2 000 m以深）开发利用中的高地温岩层降温技术、矿热共采技术，以及地热开采中的高效换能提取技术等，其设计、开采实施等过程都与岩层热物性参数密切相关。然而，深部岩体与浅层不同，往往处于高地应力、高地温等复杂条件作用下，其热物性参数与卸荷、常温等条件下具有显著不同。因此，准确获得岩石在不同压力条件下的热物性参数对指导深部资源开采、地热开发利用等工程设计、施工、运行都具有重要指导意义。

岩石热物理性质通常包括热导率（导热系数）、热扩散系数、比热容、热膨胀系数等，其主要取决于岩石的矿物组成和内部结构，还与岩石所赋存的条件有重要关系，如岩石矿物成分、密度、含水率、温度等。国内外部分学者也对此开展了较多研究工作。徐振章[2]讨论了影响岩石热物理性质的因素和机制，提出压力对岩石比热容的影响很小。张焕杰[3]等对春光油田泥岩和砂岩开展了热物理参数影响试验，得出了其与岩性、粒度、密度和含油水饱和度的影响关系。刘小宇[4]选择吉林、黔江等不同地区的页岩和砂岩开展了详细的热物理参数试验，分析了页岩热物性参数的影响因素，得出了其与孔隙度、渗透率、TOC含量、层理方向、温度等的影响变化规律。李香兰[5]等采用光学扫描法测试了华南下样子区泥页岩的热导率和生热率，并简要分析了矿物成分对其的影响。于文刚[6]以龙马溪组页岩为对象，分析了矿物组分、孔隙度、温度等对热导率的相互影响关系。郭政[7]等分析了热处理温度和压力条件对北山花岗岩导热系数的影响规律。DUCHKOV[8]等分析了俄罗斯西伯利亚Bazhenovo岩石热导率与岩层方向的变化规律，认为其与有机质矿物和硅质矿物的含量有关。于永军[9]等分析了不同层理方向油页岩热膨胀系数和导热系数的变化规律，并模拟了高温条件下的热破裂过程。程超[10]等总结了岩石热物理性质的研究进展和发展趋势，阐述了与其他性质间的关系，提出岩石各向异性下导热性能可能不同。其他学者[11-12]也针对不同地区的岩石开展了热物性参数特征及影响因素分析，得出了部分有借鉴价值的研究成果。

前述研究几乎都围绕岩石无荷载条件下的热物性参数及变化规律，对于不同荷载条件下的热物性参数变化规律鲜有涉及，且均未考虑岩石性质具有各向异性的影响，更不用说将荷载条件与各向异性影响结合考虑。本文主要以某泥页岩为研究对象，重点开展室温时不同压力条件下岩石的热物性参数特征分析，并结合各向同性和各向异性两种模块，采用TPS瞬态平面热源法测试主要热物性参数的变化规律，分析荷载压力与方向等对其的影响规律，为非常规页岩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。

1 试验方案

1.1 岩样及设备

本文结合某油气工程现场取回的泥页岩岩样，加工为直径50 mm，高度25～30 mm的圆盘试样，加工精度符合GB/T 50266—2013《工程岩体试验方法标准》的要求[13]。共计4组，分别为1#～4#，每组3件，部分岩样照片见图1。

图1 部分泥页岩试样

泥页岩加载过程采用美国MTS公司的815系列岩石力学测试系统进行（见图2），其最大轴向负荷2 700 kN，具有测量和控制精度高、伺服响应速度快、稳定性好、可负荷控制和变形控制多种加载方式等特点。岩石热物理性质采用Hot disk公司的TPS2500S热常数分析系统进行测试，其具有测试范围广、精度高、适用样品广、有各向同性和各向异性多种测试模块、测试时间短等优点，见图3。

图2 MTS 815岩石力学测试系统

图3 Hot disk TPS2500S热常数测试系统

1.2 测试方法及加载设计

岩石热物性参数测试方法通常有热流法、热线法、热丝法、激光法、热探针法、平面热源法、闪光法等[14]。本文采用瞬态平面热源法（TPS）进行测试，该方法测量用时较短、测试范围广，且不受接触面热阻的影响，误差范围在5%以内，精度较高[15]，原理如下式和图4所示。

图4 瞬态平面热源法测量原理示意

岩样测试时的加载过程综合考虑泥页岩的单轴抗压强度，采用分级加载方式，每级5 MPa，直至岩石应力-应变曲线发生明显拐点，暂停加载并以此为最后一级热物性测试应力等级。加载时前50%阶段采用载荷控制，速率0.2 kN/s，后切换为变形控制，速率为0.02 mm/min。每级应力条件下的热物性参数测试时间40 s，功率150～300 W不等，根据实际情况调整，测试2次，等待时间10 min，期间保持岩样应力恒定。具体加载及测试路径如图5所示。

图5 应力加载及热物性测试路径示意

2 试验结果

2.1 试验总结及计算

本次试验结合是否考虑岩石性质具有各向异性特征，分别采用各向同性和各向异性模块开展了岩石热物性参数测试，共完成 1#、2#、3#、4#、5#共 5组泥页岩9个试样。其中各向同性模块5件，各向异性4件。各向同性下分级测试了岩样在不同应力水平下的导热系数、热扩散系数和体积比热容，结果汇总见表1。各向异性条件下测试了同样分级应力水平时的轴向（沿加载方向）和径向（垂直加载方向）不同方向的导热系数和热扩散系数，具体见表2。

表1 各向同性下泥页岩热物性参数测试结果

表2 各向异性时泥页岩热物性参数测试结果

2.2 各向同性下热物性变化规律

采用各向同性模块测试时，各泥页岩样的主要热物性参数与轴向加载应力水平的变化关系如图6～图8所示。图6揭示了导热系数随加载应力的变化，从中可以看出，除2#岩样外，其余岩样的导热系数都先随荷载施加而增大，随后为很小范围上下波动阶段，但整体处于随应力水平增加而缓慢增大。结合岩样照片及矿物组成，1#和2#岩样为明显的页岩，有机质含量高于3#、4#、5#，颜色为炭黑色，且压缩过程中有油性液体渗出。3#、4#、5#颜色为灰黑色，局部泛白，说明其泥质含量较高，有机质含量较低，为典型泥页岩，故而1#和2#导热系数明显低于 3#、4#和 5#。

图6 各向同性下导热系数随应力变化关系

图7 各向同性下热扩散系数随应力变化关系

图8 各向同性下比热容随应力变化关系

此外，2#岩样施加荷载后导热系数出现明显降低，与岩样内部层理结构有关，观察发现5个岩样均为平行层理方向加载，但2#试样的层理间可见部分松散充填物，且局部有节理裂隙存在。

图7为岩样热扩散系数与加载应力的变化关系曲线。由此可见，荷载应力的施加与否对岩石的热扩散系数影响明显，其中1#岩样在开始施加应力后热扩散系数明显增大，其余2#～5#岩样均明显减小。在应力水平达到10 MPa以后，各岩样热扩散系数均随应力水平的继续增加而呈上下波动变化，表明此时岩样已从压密阶段进入弹性至弹塑性变形阶段，扩散系数的变化与岩样内部裂隙萌生发展的结构变化有密切关系。

此外，有无应力作用时，1#和2#岩样的热扩散系数与导热系数变化规律一致，3#、4#和5#岩样的热扩散系数与导热系数变化规律明显相反。同时，除1#岩样外，其余4件岩样的导热系数与热扩散系数分布规律一致，即导热系数越大，热扩散系数也越大，而1#岩样导热系数低于2#，但热扩散系数却高于2#，这是由于1#岩样的比热容明显低于其余4件岩样，应与其矿物成分有明显关系，推测其粘土矿物和有机质含量均比另4件岩样高。

图8揭示了岩样比热容与加载应力的变化关系。可以看出，随着应力水平的增加，岩样的比热容均呈现增大趋势，在低应力水平阶段，除1#岩样外，其余岩样比热容均显著增大，而后随着荷载不断增加，所有岩样比热容均在整体上呈缓慢增大趋势。表明岩样在初始加载时为压密阶段，岩样内部孔隙闭合导致其体积呈一定减小，故而比热容明显增大，随后为稳定变形阶段，体积整体变化不明显，故比热容变化不大，且比热容变化规律与内部裂隙发展与体积变化趋势一致。但1#岩样由于粘土矿物和有机质含量较高，其内部孔隙较少，初始加载时体积有微小膨胀，故比热容会呈微小减小变化。

此外，2#～5#岩样比热容较为接近，1#岩样明显低于其余4件，也进一步说明1#岩样的矿物组成与其余岩样有明显不同。

整体上看，图6～图8表明在各向同性条件下，应力条件对泥页岩热物性参数有明显影响，整体上应力越大，导热系数和比热容越大；应力条件对热扩散系数影响明显，但在后期随应力水平变化影响不敏感。初始加载阶段，即是否施加荷载对泥页岩热物性参数影响更为显著。

2.3 各向异性下热物性变化规律

采用各向异性模块测试时，泥页岩岩样的主要热物性参数与加载应力水平的变化关系如图9～图16所示。

图9 各向异性下轴向导热系数随应力变化关系

图10 各向异性下轴向热扩散系数随应力变化关系

图11 各向异性下径向导热系数随应力变化关系

图12 各向异性下径向热扩散系数随应力变化关系

图13 各向异性下各热物性参数随应力变化关系-2#

图14 各向异性下各热物性参数随应力变化关系-3#

图15 各向异性下各热物性参数随应力变化关系-4#

图16 各向异性下各热物性参数随应力变化关系-5#

图9和图10分别揭示了岩样在轴向方向（加载方向）上导热系数和热扩散系数与应力的变化规律。从图中可以看出，岩样的导热系数和热扩散系数在轴向方向上随应力增加均呈明显增大趋势。其中，在初始加载阶段，岩样的轴向导热系数和热扩散系数均显著增大；此后随着应力水平继续增加，其导热系数和热扩散系数均继续增大，但增加速率降低，呈缓慢稳定增加趋势。

图11和图12给出了岩样在径向方向（垂直加载方向）上导热系数和热扩散系数随应力的变化规律。可见，岩样的径向导热系数和热扩散系数均随应力增加整体呈减小趋势，与轴向方向的变化规律明显相反。其中，初始加载阶段，岩样的导热系数和热扩散系数均明显减小，尤其是10 MPa以前。此后随着应力水平继续增加而呈缓慢降低趋势。

综合对比图9～图12可知，岩样的导热系数和热扩散系数呈现显著的各向异性变化特征，尤其在不同方向上变化趋势明显不同。

图13～图16分别展示了岩样不同方向上热物性参数的分布及变化规律。从中可见各岩样不同方向上的热物性参数分布及变化差异明显：无应力条件下，2#岩样轴向方向导热系数和热扩散系数均大于径向，而3#、4#和5#岩样轴向上的导热系数和热扩散系数则小于径向，这与岩石自身矿物组成和内部结构有明显关系。但随着岩样承受应力水平的增加，其不同方向上导热系数和热扩散系数的差值均逐渐增大，其与岩石内部结构随应力的变化显著相关，即应力越大，岩石内部开始产生裂隙萌生、扩展、贯通直至岩石发生破裂，其不同方向上的热物性参数的各向异性也愈发明显。

3 结束语

本次试验以泥页岩为对象，分别从岩石各向同性和各向异性特征考虑，开展了不同实时应力水平加载条件下的热物理性质变化规律分析，可得出如下结论：

1）各向同性条件下，应力条件对泥页岩热物理性质有明显影响，初始加载阶段影响更为显著。整体上应力越大，导热系数和比热容越大；后期热扩散系数随应力水平变化影响不敏感。

2）岩石导热系数和热扩散系数具有显著的各向异性特征，尤其在不同方向上变化趋势明显不同，与应力加载方向、内部层理结构等密切相关。

3）岩石导热系数和热扩散系数在轴向方向上（沿加载方向）整体上随应力增加而明显增大，但增加速率在初期加载阶段较大，后期随应力加大而趋缓；径向方向上（垂直加载方向）随应力增加整体呈减小趋势，其变化速率与轴向上基本一致，但规律相反。

4）受岩石矿物组成和内部结构影响，岩石不同方向上的热物性参数分布及变化不同，但随所承受应力水平的增加，其不同方向上导热系数和热扩散系数的差值均逐渐增大。