王敬澤，王魯男，劉偉健，孫希宇,王 震

遼寧石油化工大學(xué)土木工程學(xué)院,遼寧 撫順 113001

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)長(zhǎng)期高速的發(fā)展，油氣資源的需求量與日俱增，供需矛盾愈發(fā)嚴(yán)峻。非常規(guī)油氣資源的開發(fā)利用是緩解當(dāng)前緊張局面的有效途徑，尤其是油頁(yè)巖，具有儲(chǔ)量高、開采技術(shù)成熟等特點(diǎn)，已成為接替常規(guī)油氣資源的重要選擇。油頁(yè)巖是一種富含固態(tài)有機(jī)質(zhì)、可燃燒的細(xì)粒沉積巖，加熱至400～500℃時(shí)可分解產(chǎn)生頁(yè)巖油，具有非常廣闊的開發(fā)前景。無論是地表干餾還是地下原位開采，探明加熱過程中油頁(yè)巖的細(xì)觀結(jié)構(gòu)演化特征及其宏觀力學(xué)響應(yīng)規(guī)律是至關(guān)重要的，但相關(guān)研究較為零散，缺乏系統(tǒng)的概述。因此，本文對(duì)高溫條件下油頁(yè)巖的細(xì)觀結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能演化研究進(jìn)行了綜述。

1 高溫條件下油頁(yè)巖的細(xì)觀結(jié)構(gòu)演化特征研究現(xiàn)狀

高溫環(huán)境中的油頁(yè)巖受熱應(yīng)力驅(qū)使，經(jīng)歷著一個(gè)損傷累積的過程，從細(xì)觀尺度上可歸納為孔裂隙缺陷的演化問題［1］。

基于CT 技術(shù)，Tiwari 等［2］對(duì)美國(guó)綠河油頁(yè)巖熱解前后內(nèi)部孔隙空間的發(fā)育情況進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)在溫度作用下油頁(yè)巖內(nèi)部形成大量的新孔隙；在390℃時(shí)出現(xiàn)大量沒有連通的孔裂隙，達(dá)到400℃時(shí)裂隙相互連通，孔隙率急劇上升?？抵厩诘龋?］以撫順群油頁(yè)巖為研究對(duì)象，通過顯微CT 技術(shù)觀察常溫到600℃高溫下的熱破裂演化特征，并確定300℃為熱破裂閾值溫度。一旦超過該閾值，油頁(yè)巖的孔裂隙結(jié)構(gòu)急劇劣化，相應(yīng)的滲透能力大為提升。通過對(duì)比分析傳導(dǎo)與對(duì)流兩種加熱模式下油頁(yè)巖孔隙結(jié)構(gòu)特征的差異及形成機(jī)制，提出對(duì)流模式下油頁(yè)巖受熱均勻、換熱面積大，其有機(jī)質(zhì)熱解更加充分，因而油頁(yè)巖原位熱解開采應(yīng)首選對(duì)流模式。

Yang 等［4］利用壓汞試驗(yàn)測(cè)量不同溫度水平下油頁(yè)巖的孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)，分析油頁(yè)巖的孔容、孔徑分布及孔隙度等變化特征。結(jié)果表明，隨著溫度的升高，油頁(yè)巖的孔隙體積、平均孔徑及孔隙度均呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)；在此過程中，微孔逐漸合并為小孔、中孔，甚至于大孔，使得致密的油頁(yè)巖轉(zhuǎn)化為高滲透性的多孔巖石。Han 等［5］通過氮?dú)馕椒y(cè)定不同燃燒方式下油頁(yè)巖的孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)，發(fā)現(xiàn)燃燒過程中，孔隙體積和比表面積表現(xiàn)出降～升～降的變化規(guī)律。趙麗梅［6］研究原位熱解過程中油頁(yè)巖的孔隙結(jié)構(gòu)變化規(guī)律，提出300～600℃下孔隙體積和比表面積增長(zhǎng)最快，而滲透率經(jīng)歷了先升高后降低的過程，其數(shù)值與熱解終溫、孔隙壓力有顯著的關(guān)聯(lián)。綜合運(yùn)用顯微CT、壓汞及掃描電鏡技術(shù)，耿毅德等［7］對(duì)加熱條件下油頁(yè)巖的細(xì)觀結(jié)構(gòu)劣化特征進(jìn)行描述。結(jié)果顯示，溫度超過300℃后，有機(jī)質(zhì)開始熱解成油氣，并逐漸排出，導(dǎo)致油頁(yè)巖中形成眾多的孔裂隙通道，孔隙體積、孔隙率及裂縫面積密度等持續(xù)增大。

2 高溫條件下油頁(yè)巖的力學(xué)性能研究現(xiàn)狀

開展油頁(yè)巖的力學(xué)特性研究有助于指導(dǎo)油頁(yè)巖資源的開采與利用。早期的研究多偏重于常溫條件；近些年，以太原理工大學(xué)、吉林大學(xué)為代表的高?？蒲袌F(tuán)隊(duì)在高溫條件下油頁(yè)巖力學(xué)性能演化方面取得了不俗的研究成果，為油頁(yè)巖的原位地下開采提供理論與技術(shù)支撐。

在常溫下，Chong 等［8］對(duì)美國(guó)多地區(qū)的油頁(yè)巖開展抗拉、抗壓試驗(yàn)，推導(dǎo)出油頁(yè)巖的抗拉強(qiáng)度線性回歸方程，并建立荷載頻率與油頁(yè)巖彈性模量、泊松比間的定量關(guān)系。Eseme 等［9］分析油頁(yè)巖的品位與力學(xué)性質(zhì)間的關(guān)聯(lián)性，發(fā)現(xiàn)彈性模量、抗壓強(qiáng)度及抗拉強(qiáng)度與油頁(yè)巖的品位呈負(fù)相關(guān)，而泊松比與品位呈正相關(guān)。梁冰等［10］對(duì)不同水化時(shí)間的油頁(yè)巖開展三軸壓縮試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)水化作用對(duì)油頁(yè)巖的力學(xué)特性影響很大。隨著水化時(shí)間的增加，峰值強(qiáng)度和彈性模量均呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)，屈服階段越加顯著，并伴有明顯的延性效應(yīng)。

針對(duì)高溫條件下油頁(yè)巖的力學(xué)特性，薛晉霞［11］、趙靜［12］利用單軸壓力試驗(yàn)機(jī)對(duì)不同溫度水平下油頁(yè)巖的力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行研究。結(jié)果顯示，隨著溫度的升高，油頁(yè)巖的彈性模量、泊松比及單軸抗壓強(qiáng)度呈顯著的降低趨勢(shì)，而且溫度與彈性模量呈對(duì)數(shù)關(guān)系，與泊松比呈直線關(guān)系，與單軸抗壓強(qiáng)度呈指數(shù)關(guān)系。畢井龍［13］對(duì)不同層理方向、溫度水平的油頁(yè)巖開展三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，獲取了各巖樣的載荷-位移曲線斜率的變化規(guī)律，并綜合研究不同溫度條件下水、有機(jī)質(zhì)及礦物成分對(duì)油頁(yè)巖斷裂韌度的影響，提出熱損傷與熱破裂是油頁(yè)巖宏觀斷裂韌度發(fā)生急劇下降的根本原因。

3 結(jié)束語

綜上，國(guó)內(nèi)外已開始關(guān)注高溫條件下油頁(yè)巖的細(xì)觀結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能演化問題，但研究還處于起步階段、成果較少，這在一定程度上限制著油頁(yè)巖資源的大規(guī)模開發(fā)與利用。與常溫不同，高溫條件下油頁(yè)巖中有機(jī)質(zhì)熱解生成油氣，形成大量的孔裂隙，其細(xì)觀結(jié)構(gòu)的急劇劣化引起力學(xué)性能的快速退化，極易誘發(fā)嚴(yán)重的工程地質(zhì)問題。且油頁(yè)巖儲(chǔ)層埋深較大，高地應(yīng)力亦不可忽視。因此，下一步的研究應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注高應(yīng)力-高溫度耦合作用下油頁(yè)巖的細(xì)觀結(jié)構(gòu)演化特征及其宏觀力學(xué)響應(yīng)規(guī)律。