高溫及三維應力下油頁巖細觀特征及力學特性試驗研究.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充和替代能源，已經(jīng)成為一種具有現(xiàn)實意義的資源，并且已成為各國能源開發(fā)的重點。開發(fā)油頁巖一方面能夠解決各國對石油資源的需求，另一方面又能夠降低對進口石油的依存度。本文以油頁巖原位注熱開采為研究背景，采用細觀與宏觀試驗研究相結(jié)合的方法，對高溫作用下熱解特性、孔隙率、孔隙結(jié)構特征、滲透特性及力學特性進行了研究。本文的主要研究內(nèi)容及結(jié)果如下:
　　(1)利用馬弗爐對塊樣進行加熱后稱重可得到油

2、頁巖的失重規(guī)律，同時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)兩種試驗結(jié)果得到:大慶和撫順油頁巖的熱解大致可以分為兩個階段，第一個階段為室溫～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℃，此階段的反應為有機質(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)進行三維重建，得到升溫熱解的過程中，油頁巖內(nèi)部有明顯的物質(zhì)減少。統(tǒng)計不同溫度作用下三

3、維重建區(qū)域內(nèi)的不同射線衰減系數(shù)對應的像素點的數(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)部孔隙的真實分布情況，撫順油頁巖以壓汞法測得的孔隙率為主，大慶油頁巖以CT法測得的孔隙率

4、為主。兩個產(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，說明隨著熱解的進行，孔隙逐漸得到連通;而大慶油頁巖在400℃時，閉孔率大于開孔率，說明在這個溫度下，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)利用壓汞法對在高溫作用后的撫順油頁巖試樣的孔隙結(jié)構特征進行了分析研究，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;

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。2）對壓汞試驗過程中接觸角所產(chǎn)生的滯后效應進行修正后，得到:退汞時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，說明隨著溫度的升高，油頁巖內(nèi)部的孔隙結(jié)構越來越復雜，孔隙表面粗糙度越來越大。

6、3）通過對一組撫順油頁巖樣的二次進汞試驗，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)利用壓汞法對在高溫及三維應力作用下已進行滲流試驗的撫順油頁巖試樣的孔隙結(jié)構特征進行了分析研究，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，與高溫作用后未進行滲透試驗試樣相比，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方程計算得到的滲透率為k1，利用等效管道模型計算得到的滲透率為k2。k1和k2隨溫度的變化具有相同的變化趨勢，均隨溫度的升高，滲透率呈不斷增大的趨勢，而400℃為滲透的閾值溫度，當溫度高于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臺，對油頁巖試樣進行基于原位應力狀態(tài)下的高溫熱解滲透試驗，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，油頁巖試樣基本不具有滲透性;當溫度升高到200℃時，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;當溫度升高到350℃時，油頁巖試樣的滲透性出現(xiàn)了減小的趨勢;在350℃到600℃溫度范圍內(nèi)，有機質(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堵塞油頁巖試樣的滲透通道，另一方面粘土礦物質(zhì)對瀝青有吸附作用，同時對滲透通道產(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。
　　(8)通過對經(jīng)歷不同溫度階段的油頁巖熱解試樣進行單軸壓縮試驗，得出:1）油頁巖樣品的抗壓強度隨溫度的升高呈降低的趨勢，不同溫度下油頁巖的單軸抗壓強度和溫度呈指數(shù)關系，σ=74.987e0.0024T。2）常溫到600℃溫度作用下，油頁