高溫蒸汽作用油頁巖孔隙-裂隙結構演化規律實驗研究

張宇星，楊 棟，韓賀旭

(太原理工大學 原位改性采礦教育部重點實驗室，太原 030024)

油頁巖是列入“十三五”的重要的非常規油氣資源，500 m以淺的油頁巖儲量超過了1萬億t，折合為油頁巖油與目前探明的石油儲量相當，故油頁巖的高效開采可有效解決我國“貧油少氣”的資源現狀[1-5]。目前國際公認對流加熱原位開采油頁巖是唯一可實現大規模工業開發的開采方法。該方法的關鍵技術核心是將高溫流體沿人工壓裂裂縫注入油頁巖礦層，流體在人工裂縫、原生微裂隙和孔隙運移過程中通過對流和熱傳導使油頁巖得到高效加熱，從而使其中的有機質發生熱解反應生成高溫熱解油氣，熱解產物沿孔隙裂隙遷移到生產井排出至地面。因此，油頁巖內部的孔隙-裂隙發育程度直接關系到熱能的高效交換以及產物的高效排采，合理控制流體的溫度、壓力和作用時間，可使孔隙裂隙結構演化向有利于生產的方向發展[6-7]，而溫度無疑是最重要的影響因素。

對油頁巖在不同溫度下孔隙裂隙結構的演化規律，國內外眾多學者進行了大量研究。楊棟等[8]通過對比不同產地油頁巖在100～600 ℃下的顯微CT圖像，得到不同礦區油頁巖加熱開采工藝應根據其內部結構與成分占比進行選擇；趙靜等[9-10]通過借助顯微CT掃描技術研究得到大慶油頁巖在熱解溫度達到200 ℃時，孔隙率將會劇烈增長，并隨著熱解溫度的升高裂隙繼續發育的結論；KANG et al[11]、康志勤等[12]通過對油頁巖在200～600 ℃下熱破裂裂隙的分形規律進行研究，實現了不同溫度下油頁巖裂隙分布情況的量化。TIWARI et al[13]借助顯微CT掃描技術對熱解前后的油頁巖進行微觀觀察，發現油頁巖的孔隙率與干酪根在油頁巖內部的分布狀態間的相關關系；SAIF et al[14]對油頁巖熱解全過程進行實時CT掃描，清晰觀測了油頁巖熱解過程中孔裂隙結構的變化過程，發現在390～400 ℃之間油頁巖的孔隙度發生激增。上述研究得到了直接干餾條件下熱解溫度對油頁巖細觀結構的影響規律，但加熱方式均為傳導加熱。初步研究已發現對流加熱后的孔裂隙結構與傳導加熱條件下是不同的，且對流加熱條件下油頁巖熱解效果更佳[15]。因此，研究對流加熱條件下油頁巖孔隙-裂隙結構的演化規律極為重要，此研究可以為油頁巖對流加熱工業開采所需高溫流體溫度的選擇提供理論依據，保障熱能的高效交換以及產物的高效排采。

太原理工大學趙陽升院士提出了“對流加熱油頁巖開采油氣的方法”[16]，主張以高溫水蒸汽作為載熱流體對流加熱礦層。本文以高溫水蒸汽作用油頁巖工藝為背景，聯合顯微CT和掃描電鏡手段(SEM)對水蒸汽不同溫度作用后的油頁巖細觀結構進行深入研究，并通過Avizo軟件模擬巖體內部滲流場，以定量得到油頁巖孔隙-裂隙結構隨水蒸汽溫度的演變規律。

1 實驗方法與設備

1.1 高溫水蒸汽作用油頁巖試驗

試驗所使用的油頁巖樣品取自新疆巴里坤，該區域油頁巖儲量豐富，且礦體含油率大部分達到工業品位(5%).選擇該礦區完整性較好且表面無風化痕跡的大塊巖樣，并對其進行就地石蠟密封，避免長時間運輸造成巖石表面風化。

選取其中完整性較好且無風化痕跡的小塊巴里坤油頁巖，通過DL5640砂線切割機將其加工為Φ9 mm×20 mm的圓柱形試樣(12個)，并利用SYJ-150型低速金剛石切割機對加工好的圓柱體兩端切平，所得樣品長度方向與油頁巖層理方向平行，部分油頁巖樣品如圖1所示。

圖1 部分油頁巖示意圖Fig.1 Schematic diagram of some oil shale samples

利用太原理工大學自主研制的高溫蒸汽作用試驗系統(圖2)對上述試樣進行加熱。該系統由蒸汽發生器、熱解釜、溫度傳感器，數據采集系統以及油頁巖油和冷凝水收集裝置等組成。其中蒸汽發生器可以為試驗持續提供最高600 ℃的高溫水蒸汽。熱解釜為長4 m，內徑101 mm的管式反應器，由Φ133 mm×16 mm的20#鍋爐鋼管以及耐高溫高壓法蘭焊接而成，沿其軸線方向均勻布置7組測溫點，以實時監測各個位置的溫度。

試驗開始前在每個測溫點所在位置放置兩組油頁巖樣品，將試驗系統的各個結構緊密連接。首先向熱解反應室內通入低溫蒸汽，以驅除室內的殘余空氣。然后將蒸汽發生器產生的高溫蒸汽由熱解反應室的入口端注入，高溫蒸汽流過整個熱解反應室，由出口排出。蒸汽溫度從入口端到出口端逐步降低，通過熱電偶可以監測得到不同溫度測點的溫度值。最終試驗獲得了不同水蒸汽溫度(555 ℃、534 ℃、511 ℃、452 ℃、382 ℃、314 ℃)作用后的12個油頁巖試件。

1-蒸汽發生器；2-熱解釜；3-數據收集系統；4-冷卻系統圖2 高溫蒸汽作用測試系統Fig.2 High-temperature steam pyrolysis testing system

1.2 顯微CT內部孔裂隙結構掃描實驗

利用原位改性采礦教育部重點實驗室的NanoVoxel-3000CT分析系統(圖3)對不同溫度水蒸氣作用后油頁巖內部的孔隙-裂隙結構進行掃描。本次CT實驗掃描電壓100 kV，電流60 μA.最終獲得灰度值范圍為0～216的孔裂隙結構灰度圖像，像素尺寸為3.6 μm×3.6 μm.

圖3 NanoVoxel-3000CT分析系統Fig.3 NanoVoxel-3000CT analysis system

1.3 SEM測試表面特征測試

使用JSM7610F場發射掃描電子電鏡(圖4)對油頁巖表面形貌微觀特征進行分析測試。測試條件為：加速電壓0.2～15 kV，工作距離10 mm，掃描最大放大倍數50 000倍。

圖4 場發射掃描電子電鏡(SEM)&能譜儀Fig.4 Field emission scanning electron microscopy(SEM) & energy spectrometer

2 孔裂隙結構隨溫度演化規律

2.1 油頁巖表面裂隙結構隨溫度演化規律

圖5中每個溫度點左側為不同溫度蒸汽作用后顯微CT掃描所得的油頁巖灰度圖，圖中黑色為孔隙或裂隙。由此可以發現，在20 ℃即常溫狀態下油頁巖幾乎無明顯的裂隙存在，僅有少數原生孔洞或干酪根；當高溫蒸汽溫度達到314 ℃時，可以觀測到高溫蒸汽對油頁巖的熱解作用，已經使油頁巖在熱破裂作用下出現眾多平行裂隙；隨著溫度的升高熱破裂效果也愈發明顯，平行裂隙的數量明顯增多，且相鄰裂隙也逐漸趨于連通；當高溫蒸汽溫度達到452 ℃后，平行裂隙在逐漸增多的同時其裂隙寬度也在不斷擴大，相鄰裂隙不斷相連，且灰度圖中逐漸出現大量的孔洞。出現眾多孔洞的原因主要歸結為兩方面，一方面是由于高溫水蒸汽的熱解將會使油頁巖內部產生較大的局部膨脹力，致使“擴孔”效應引起孔洞出現；另一方面是由于高溫水蒸汽的對流遷移，可以將油頁巖熱解的、在盲孔中殘留的頁巖油也一同帶出，從而形成更多孔洞。借助CT灰度圖像二值化處理方式，可以將孔裂隙與其它礦物區分開來，從而定量描述孔裂隙的尺度和數量，進而揭示高溫蒸汽作用下油頁巖的孔裂隙結構演化規律。

圖5為油頁巖灰度圖與二值化后圖像的對比圖。根據長度的不同對油頁巖內部裂隙進行分類：微裂隙(100～500 μm)、短裂隙(500～1 000 μm)、長裂隙(>1 000 μm)，將裂隙視作扁橢圓，其長軸長度為裂隙長度，短軸長度為裂隙開度。表1為二值化處理圖像的裂隙參數統計結果。

由表1可知，不同溫度蒸汽作用下油頁巖的裂隙主要是微裂隙。20 ℃時原生微裂隙數量很少，更無短裂隙和長裂隙存在；隨著熱解溫度的不斷上升，微裂隙的數量不斷增多，且逐漸開始出現短裂隙以及長裂隙，但短、長裂隙的數量很少，溫度達到550 ℃時微裂隙數量達到315條，為常溫狀態下的14倍，數量明顯增加的微裂隙很好地改善了油頁巖的滲透性質。

另外，在油頁巖不斷熱解的過程中，油頁巖內部裂隙的平均長度和平均開度整體變化較小，但總體處于緩慢增長狀態，微裂隙的平均長度處于130.73～157.24 μm之間，平均開度處于40.35～54.95 μm之間。

圖5 不同熱解溫度下樣品灰度圖與二值化圖像Fig.5 Grayscale image and CT-scan imaging after binarization of the sample at different pyrolysis temperature

2.2 油頁巖孔裂隙結構空間分布特征隨溫度演化規律

由于實際的巖體處于三維空間，為更好地了解油頁巖孔裂隙結構隨溫度的演化特征，將二值化處理后的CT圖像進行三維重建，選取大小為500×500×500像素點的三維塊體作為本次分析的油頁巖數字巖心。圖6為不同溫度蒸汽作用下油頁巖數字巖心內部孔裂隙結構的演化圖以及不同熱解溫度下切片層位的孔隙率變化趨勢圖。

圖6(a)列為三維灰度圖與三維二值化處理圖像疊加所得油頁巖表面基質與孔洞裂隙的分布特征圖，圖中藍色代表孔洞裂隙、灰色代表油頁巖基質；圖6(b)列為三維空間中孔裂隙分布特征圖，不同的顏色代表不同的孔隙裂隙連通團；圖6(c)列為不同切片層位上的孔隙度變化趨勢圖，圖中紅色線為研究區域三維總體孔隙度，即所有切片層位孔隙度平均值。

表1 油頁巖熱解后裂隙參數統計表Table 1 Statistical table of fracture parameter of pyrolyzed oil shale

圖6 不同熱解溫度下油頁巖裂隙分布空間特征(a，b)、孔隙度變化趨勢(c)及其滲流場模擬(d，e)Fig.6 Distribution characteristics of internal fractures， porosity variation trend and flow field simulation under different pyrolysis temperature

在常溫狀態下油頁巖內部的孔裂隙連通團極少，數字巖心對立面之間幾乎不存在滲連通道，因此在20 ℃下油頁巖為超低滲透巖石。當蒸汽作用溫度達到314 ℃時，油頁巖內部部分有機質開始發生高溫熱解析出，其內部孔隙團數量較常溫狀態下發生較為明顯的增加，但數字巖心對立面之間依然不具備連通的滲連通道，整體巖石滲透率依然很低。當蒸汽作用溫度達到382 ℃時，數字巖心兩對立面之間出現了連通的滲連通道，但此時的連通滲流連通道較少，無法很好地為高溫水蒸汽的運移提供幫助。當高溫蒸汽作用溫度達到452 ℃以后，油頁巖內部的眾多相鄰孔裂隙團也已逐漸開始相互連通，逐漸構成微裂隙縫通道，使油頁巖滲透率也因此逐漸提高。

不同切片層位所對應的孔隙度圍繞研究區域三維總體孔隙度上下波動。某些切片位置會出現較大的孔隙度波動幅度，其原因是該位置切片處于油頁巖孔洞裂隙較大范圍處或孔洞裂隙范圍較小范圍處，導致部分切片位置的孔隙度與所有切片的平均孔隙度相差較多。

圖7為不同溫度蒸汽作用下油頁巖的孔隙度變化規律圖。隨著蒸汽溫度的升高，由于熱破裂作用以及內部有機質的不斷熱解，油頁巖的孔隙度總體上呈上升趨勢。由于滲透率與連通孔裂隙的孔隙度一般為正相關關系，因此隨著蒸汽溫度的升高，滲透率也會逐漸升高?？傮w上，在高溫蒸汽的熱解作用下，油頁巖將會由20 ℃的超低滲透巖石逐漸轉化為高滲透巖石。

圖7 不同溫度作用下油頁巖的孔隙度Fig.7 Variation of oil shale porsity under different temperature

3 滲透率隨溫度演化規律

不同溫度蒸汽作用下油頁巖內部不同方向的滲流場模擬結果如圖6(d)列和(e)列所示。圖6(d)列為油頁巖水平層理方向滲流模擬圖，圖6(e)列為油頁巖垂直層理方向滲流模擬圖。在20 ℃下油頁巖試樣水平層理方向以及垂直層理方向的滲流場模擬結果中幾乎沒有滲流連通道，流線全都聚集于模擬流場的進出口處，說明油頁巖在20 ℃下是一種超低滲透巖石。當高溫蒸汽溫度為314 ℃時，垂直層理方向滲流場中流線依然主要集中于進出口處，水平層理方向滲流場中已出現一定數量的流線，但大多都是孤立流線，連通兩對立邊界的流線很少，說明在此溫度下油頁巖熱解所引起的破裂裂隙較為獨立，且基本全部與層理方向平行，不能形成連通流線。當高溫蒸汽溫度為382 ℃時，垂直層理方向滲流場中開始出一定數量流線，但連通性較差，水平層理方向滲流場較314 ℃時相比已出現較多的連通裂隙，說明高溫蒸汽在對油頁巖進行熱解的過程中主要通過平行于層理方向的裂隙面進行滲流運移。垂直層理方向中的裂隙主要來源于油頁巖中的原生裂隙以及熱解過程中破裂所形成的新次生裂隙，在該溫度下垂直層理方向的裂隙依然較少且連通性差，高溫蒸汽在該方向上很難實現滲透。當高溫熱解溫度為452 ℃、511 ℃、514 ℃和555 ℃時，垂直層理方向滲流場中已出現較多流線，在該方向上的滲透率明顯增加，水平層理方向滲流場中的流線數量隨著溫度不斷增加，出現大規模的連通流線，該現象說明當溫度達到400 ℃以上時油頁巖中的干酪根開始不斷分解，原先干酪根所占據的空間因分解而成為新的孔洞裂隙，且因熱破裂將會導致這些孔洞裂隙不斷地延伸合并，逐漸形成微裂縫、大裂縫，從而使油頁巖內部不論垂直層理方向還是水平層理方向其滲透率都在不斷提高。將Avizo滲透率模擬結果匯總見表2和圖8.

由表2以及圖8可知，油頁巖在水平層理方向與垂直層理方向的滲透率差異性較大，水平層理方向滲透率總是大于垂直層理方向。且隨著溫度不斷升高，油頁巖水平以及垂直層理方向的滲透率都總體上呈上升趨勢。

表2 水蒸汽作用后油頁巖不同方向滲透率模擬結果Table 2 Simulation results of permeability of different direction of oil shale pyrolysis by steam injection

圖8 油頁巖不同方向滲透率變化規律Fig.8 Variation of permeability in different directions of oil shale

定義滲透率各向異性系數為水平層理方向滲透率與垂直層理方向滲透率的比值，即：

(1)

式中：φ為滲透率各向異性系數，為無量綱量；Ksp、Kcz分別為油頁巖水平層理方向滲透率以及垂直層理方向滲透率，md.

如圖9所示，當熱解溫度處于300～400 ℃之間時，由于干酪根的劇烈熱解，在熱破裂以及復雜熱解作用下，油頁巖滲透率各向異性系數將會明顯降低。當油頁巖蒸汽熱解溫度由382 ℃增加到555 ℃時，水平層理方向裂隙的產生與擴展速率趨于穩定，垂直層理方向因熱破裂作用致使原生裂隙與新次生裂隙逐漸相互連通，導致隨著熱解溫度不斷升高，水平層理方向滲透率的增長速率放緩，垂直層理方向滲透率的增長速率趨于穩定，使油頁巖滲透率各向異性系數變化較小，總體呈現出緩慢增長趨勢，該值由15.625增至43.8.總體上來說水平層理方向的滲透率總是優于垂直層理方向的滲透率，滲透率各向異性系數總是大于1.

圖9 油頁巖滲透率各向異性系數變化規律Fig.9 Variation of permeability anisotropy coefficient of oil shale

4 油頁巖表面形貌隨溫度的演化規律

圖10為不同溫度蒸汽作用下油頁巖表面形貌的SEM掃描結果。由圖可知，在20 ℃狀態下油頁巖表面黏土礦物占主要地位，僅有少量的原生小孔以及干酪根；當高溫蒸汽溫度達到314 ℃時，在油頁巖表面已經開始出現微裂縫，這是由高溫蒸汽作用所發生熱破裂效果而引起，且表面的小孔數量也略有增加，這些小孔一部分是原生小型孔洞，一部分是由于干酪根熱解后所出現的小型孔洞；當高溫蒸汽溫度達到382 ℃時，我們根據掃描電鏡圖可以發現，隨著熱解溫度的不斷提高，微裂縫的寬度會因高溫蒸汽在油頁巖內部的“擴孔”效應而慢慢變大；當高溫蒸汽溫度達到452 ℃時，油頁巖表面的孔裂隙寬度已經擴展的更為明顯，且隨著熱解的不斷進行，相鄰小孔逐漸相互連通從而發育成為中孔；根據511 ℃、534 ℃、555 ℃的油頁巖掃描電鏡圖，我們可以發現在500 ℃后，油頁巖表面已經開始出現孔徑較大的大孔，中孔處于主要發育階段，中孔數量不斷增多，其原因是干酪根在該溫度范圍內熱解劇烈，熱破裂效果更為明顯，致使先前所出現的小孔都在不斷趨向于連通形成中孔?？偟膩碚f，隨著高溫蒸汽溫度的不斷升高，油頁巖表面的孔洞裂隙不斷發育，致使油頁巖由超低滲透狀態逐漸轉化為高滲透狀態。

圖10 不同溫度熱解下油頁巖試件表面形貌圖Fig.10 SEM scan images of oil shale samples after pyrolysis under t different temperatures

5 結論

本文采用顯微CT和掃描電鏡(SEM)，對不同溫度水蒸汽作用后油頁巖的內部孔裂隙結構及其表面形貌特征演化規律進行分析研究，同時使用Avizo軟件對熱解后的油頁巖滲流場進行模擬，結合不同方向模擬滲透率結果，分析其各向異性系數變化特征，主要結論如下：

1) 油頁巖內部裂隙以微裂隙(100～500 μm)為主，蒸汽溫度為555 ℃時巖體內部微裂隙數量可達20 ℃下的14倍。熱解過程中，油頁巖內部裂隙的平均長度和平均開度整體變化較小，但總體處于緩慢增長狀態，微裂隙的平均長度處于130.73～157.24 μm之間，平均開度處于40.35～54.95 μm之間。

2) 隨著熱解溫度的不斷上升，油頁巖的孔隙度總體上處于不斷上升的趨勢，由20 ℃狀態下的2.7%最終達到555 ℃時的16.2%，增長了6倍，較好地改善了油頁巖內部連通性，最終使油頁巖由常溫狀態下的超低滲透巖石轉化為高溫狀態下的高滲透巖石。

3) 隨著熱解溫度的不斷升高，從20 ℃到555 ℃過程中，不同方向滲透率都在不斷增加。滲透率各向異性系數當熱解溫度處于300～400 ℃之間時出現明顯降低。當熱解溫度由382 ℃增加到555 ℃過程中，油頁巖滲透率各向異性系數變化較小，總體上呈緩慢增長趨勢，該值由15.625增至43.8.總體上來說水平層理方向的滲透率總是優于垂直層理方向的滲透率。

4) SEM結果顯示，隨著高溫水蒸汽溫度的不斷升高，油頁巖表面的孔洞裂隙不斷發育，小孔逐漸轉化為中孔，中孔逐漸占據主要地位且部分轉化為大孔，表面孔隙度明顯增加。