寧東平，尹紫菡，李佳，李浩清，蔣珂劼

（重慶科技學(xué)院，重慶 401331）

儲(chǔ)層巖石的熱物性主要包括巖石的比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)、熱擴(kuò)散系數(shù)，影響油藏儲(chǔ)層巖石的熱物性的因素也有很多[1]，主要的影響參數(shù)有儲(chǔ)層孔滲、油水飽和度及溫度等。儲(chǔ)層巖石在各種因素影響下的熱物性變化規(guī)律對(duì)油藏的開(kāi)發(fā)效果有一定程度的影響，這種影響在稠油油藏的開(kāi)發(fā)中更為顯著[2-7]。近年來(lái)，隨著油藏精細(xì)化開(kāi)發(fā)的目標(biāo)被提出，儲(chǔ)層巖石熱物性變化規(guī)律研究的重要性也愈發(fā)凸顯。目前，油氣藏開(kāi)發(fā)過(guò)程中與儲(chǔ)層巖石熱物性相關(guān)的問(wèn)題亟需解決，而在利用儀器進(jìn)行熱物性參數(shù)獲取時(shí)，無(wú)法真實(shí)模擬地層條件，且地層熱物性原位測(cè)試技術(shù)在油藏開(kāi)發(fā)領(lǐng)域進(jìn)展滯后。

1 研究現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)外學(xué)者很早便已對(duì)各種因素影響下的儲(chǔ)層熱物性變化規(guī)律開(kāi)展了相關(guān)研究。Hanley[8]等人在1978年研究了8種類型不同的巖石在300 ～1 000 k 溫度范圍內(nèi)的熱擴(kuò)散系數(shù)，其測(cè)量方式為在一個(gè)大氣壓下采用激光閃法，每種巖石的熱擴(kuò)散系數(shù)均不同，發(fā)現(xiàn)其成分與結(jié)構(gòu)起很大的作用，但大體趨勢(shì)上熱擴(kuò)散率與溫度成反比。Heuze[9]等人在對(duì)不同的花崗巖的高溫性質(zhì)進(jìn)行研究時(shí)也得到類似的結(jié)論。1992年，我國(guó)的徐振章[7]研究了稠油開(kāi)發(fā)過(guò)程中影響儲(chǔ)層熱物性的因素，并且在當(dāng)時(shí)技術(shù)條件有限的情況下進(jìn)行了較為細(xì)致的單因素分析。1995年，徐振章[5]又提出了能夠滿足當(dāng)時(shí)地質(zhì)研究與工程設(shè)計(jì)需要的稠油油層熱物性參數(shù)計(jì)算模型，計(jì)算結(jié)果會(huì)存在較大偏差。

1.1 溫度對(duì)巖石熱物性的影響

考慮到溫度對(duì)巖石熱物的影響，Hu Wen[10]等人使用LFA457裝置測(cè)量不同溫度下的煙煤和砂巖的熱擴(kuò)散率與比熱容。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，溫度在350 ℃以下時(shí)對(duì)于比熱容的影響較大。這種現(xiàn)象可以用固體分子熱運(yùn)動(dòng)來(lái)解釋，由于C 原子質(zhì)量較小，晶格內(nèi)結(jié)合力較強(qiáng)，晶格振動(dòng)在此溫度范圍內(nèi)作用較大，且呈現(xiàn)比熱容隨溫度升高而增大的現(xiàn)象。而當(dāng)溫度高于600 ℃時(shí)，高溫下氫元素的揮發(fā)演化、化學(xué)反應(yīng)導(dǎo)致平均摩爾質(zhì)量的增加，使得比熱容降低。同時(shí)，巖樣的熱擴(kuò)散系數(shù)隨溫度的升高而降低，室溫下巖石的熱擴(kuò)散系數(shù)在0.37 ～0.89 mm2/s 范圍內(nèi)、高溫下巖石的熱擴(kuò)散系數(shù)在0.23 ～0.89 mm2/s 范圍內(nèi)，且砂巖的熱擴(kuò)散率相比于花崗巖較低。與Hanley 和Heuze 等人早年所做的實(shí)驗(yàn)相比，該實(shí)驗(yàn)的儀器設(shè)備都有了明顯改進(jìn)，測(cè)試溫度范圍大，能達(dá)到的溫度上限很高，且儀器較為精準(zhǔn)，因此該方法能夠準(zhǔn)確地判定地層深部溫度范圍內(nèi)的巖石熱物性參數(shù)。近年來(lái)，Abdulagaov[11]等人通過(guò)量熱計(jì)精準(zhǔn)地測(cè)量了308 K ～763 K 的巖石比熱容，發(fā)現(xiàn)砂巖比熱容總體增加了58%，且溫度變化速率很小，在575 K 以上的高溫范圍內(nèi)，比熱容達(dá)到一定值后迅速增加，這種增加可以解釋為由于樣品在加熱過(guò)程中的微觀結(jié)構(gòu)變化（微觀結(jié)構(gòu)效應(yīng)）的產(chǎn)生，后這一分析結(jié)果通過(guò)熱膨脹系數(shù)的測(cè)量得到了證實(shí)。在此研究結(jié)果上，通過(guò)擬合溫度的低階多項(xiàng)式來(lái)表示，可以在實(shí)際中更準(zhǔn)確測(cè)量砂巖的比熱容。

1.2 油水飽和度對(duì)巖石熱物性的影響

考慮到油水飽和度對(duì)巖石熱物性的影響，辛守良[12]等人以華北潛山油藏巖石為研究對(duì)象，利用高精度熱物性測(cè)定儀對(duì)巖石的比熱和導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行研究，結(jié)果表明熱導(dǎo)系數(shù)隨著油飽和度的增加逐漸變小但趨勢(shì)較平緩，對(duì)于該現(xiàn)象給出的解釋是油含量增加水含量減少了，油導(dǎo)熱能力比水差，同時(shí)發(fā)現(xiàn)油飽和度增加時(shí)巖石比熱容變小同時(shí)巖石的儲(chǔ)熱能力也下降。此外，由于華北潛山油藏巖樣白云巖和石英的含量占比在95 %以上，所以巖樣呈低孔隙度的特點(diǎn)，這對(duì)于導(dǎo)熱系數(shù)的變化會(huì)有很明顯的影響。

在前人的結(jié)論下，Li Jishan[13]在對(duì)儲(chǔ)層熱物性進(jìn)行測(cè)試與分析時(shí)，也得出了相同的結(jié)論并根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果提出了儲(chǔ)層熱導(dǎo)率的經(jīng)驗(yàn)公式。宋小慶[14]等人通過(guò)對(duì)貴州地區(qū)出露地層巖石，分別在干燥和飽和水兩種狀態(tài)下熱物性參數(shù)進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果表明在含水飽和度不同時(shí)，儲(chǔ)層巖石的熱物性也存在較為明顯的差別，說(shuō)明巖石的熱物性受含水率的影響較大。相比于Li Jishan，宋小慶等人的測(cè)試較為明顯的特點(diǎn)是對(duì)貴州地區(qū)巖石的熱物性參數(shù)利用直方圖、統(tǒng)計(jì)表、箱線圖的形式列出來(lái)，詳細(xì)直觀地呈現(xiàn)了不同區(qū)塊、不同種類的巖石熱物性變化情況，并且?guī)r樣類型多、數(shù)據(jù)大，得到的研究結(jié)果較為真實(shí)可信。但總的來(lái)講，前者得出的結(jié)果均表明了熱導(dǎo)系數(shù)隨著油飽和度的增加逐漸變小但趨勢(shì)較平緩，同時(shí)巖石的比熱容、熱擴(kuò)散系數(shù)等均受油水飽和度的影響。

1.3 孔滲變化對(duì)巖石熱物性的影響

考慮到孔滲變化對(duì)巖石熱物性的影響，陳墨香[15]對(duì)我國(guó)華北地區(qū)中、新生代沉積盆地進(jìn)行熱流測(cè)試。分析認(rèn)為孔隙巖石的熱導(dǎo)率一般與孔隙度呈負(fù)相關(guān)，而與含水率呈正相關(guān)。李守巨[16]等人采用有限元模型法計(jì)算出等效導(dǎo)熱系數(shù)，并對(duì)孔隙度和導(dǎo)熱系數(shù)之間的關(guān)系進(jìn)行了回歸處理，得到了能夠在一定誤差范圍內(nèi)預(yù)測(cè)巖石導(dǎo)熱系數(shù)與隨孔隙度變化的回歸方程。前人的多種實(shí)驗(yàn)得出的結(jié)論都表明導(dǎo)熱系數(shù)隨孔隙度增加而降低。且不難看出，李守巨等人都是采用數(shù)值模擬，預(yù)測(cè)等數(shù)學(xué)方法研究孔滲變化對(duì)巖石熱物性的影響，從2007年至2017年的研究，此類方法在該領(lǐng)域上不斷發(fā)展創(chuàng)新，而在未來(lái)也會(huì)有更大的研究?jī)r(jià)值。

已有研究幾乎都主要圍繞在單一因素影響下巖石熱物性參數(shù)及變化規(guī)律研究方面，而對(duì)于多個(gè)因素同時(shí)影響下的儲(chǔ)層巖石熱物性變化規(guī)律鮮有涉及。若能開(kāi)展不同因素共同影響下的儲(chǔ)層巖石的熱物性變化研究并建立預(yù)測(cè)模型，實(shí)驗(yàn)所得到的巖石熱物性變化規(guī)律相比于前人的單一影響因素會(huì)更加符合真實(shí)地層下的情況，亦能為油氣開(kāi)采和深部礦產(chǎn)資源及地?zé)崮荛_(kāi)發(fā)利用提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

2 熱物性研究的發(fā)展趨勢(shì)

儲(chǔ)層巖石熱物性研究對(duì)于指導(dǎo)油藏的生產(chǎn)開(kāi)發(fā)有重要的意義，在國(guó)內(nèi)外學(xué)者的不斷實(shí)踐研究下，總結(jié)歸納研究現(xiàn)狀，理清發(fā)展趨勢(shì)才能更好地將研究成果應(yīng)用于油藏開(kāi)發(fā)。

2.1 不同領(lǐng)域的熱物性的探索

隨著全球的油氣需求量不斷增加，非常規(guī)油氣的開(kāi)采已經(jīng)成為獲取油氣資源的重要組成部分[17-19]。目前，稠油熱采技術(shù)取得了較大的成果，而有關(guān)其他領(lǐng)域的熱物性探索還有很大的提升探索空間。如頁(yè)巖氣領(lǐng)域，2014年曾冀[20]提出利用超臨界二氧化碳?jí)毫鸭夹g(shù)開(kāi)發(fā)含氣頁(yè)巖，采用Span-Wagner 模型和Vesovic 模型，能較為準(zhǔn)確地計(jì)算二氧化碳熱物性參數(shù)，將模型稍加修正便可用于油田現(xiàn)場(chǎng)。近年來(lái)，此方面的研究才逐漸增多。李斌[21]于2018年就對(duì)超臨界二氧化碳窄縫內(nèi)流動(dòng)傳熱規(guī)律進(jìn)行了研究。與前幾年相比，李斌優(yōu)選了更多的模型，提高了計(jì)算的精度，并且考慮多種修正準(zhǔn)則，但由于頁(yè)巖氣的形成機(jī)理和成藏過(guò)程受熱物性控制作用很強(qiáng)[22]，頁(yè)巖的導(dǎo)熱率與壓裂特征、含氣量等的關(guān)系還尚未明確，因此探索頁(yè)巖氣的熱物理性質(zhì)是今后發(fā)展的重要方向。

2.2 熱物性參數(shù)的影響因素

自1990年開(kāi)始，就有楊書(shū)貞[23]等人開(kāi)始對(duì)稠油層巖石熱物性進(jìn)行研究，但在但在1990—2010 年，關(guān)于巖石熱物性影響因素的研究甚少。到了2015年，就開(kāi)始有高平[24]等學(xué)者對(duì)巖石熱物性影響因素進(jìn)行一系列的實(shí)驗(yàn)分析，同時(shí)很多學(xué)者發(fā)現(xiàn)了不同巖性、層理方向、壓力等對(duì)于巖石熱物性也有相應(yīng)的影響[25-28]。但從國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)儲(chǔ)層熱物性的研究來(lái)看，大多都是從單一因素來(lái)入手研究的，多因素共同影響儲(chǔ)層熱物性暫無(wú)學(xué)者進(jìn)行研究。在不同的因素共同作用下，儲(chǔ)層的熱物性規(guī)律會(huì)有相應(yīng)的變化。因此多因素影響下的儲(chǔ)層熱物性將是一個(gè)值得研究的方向。

2.3 熱物性測(cè)定方法

現(xiàn)今通常有熱流法、熱線法、熱絲法、激光法、平面熱源法等方法對(duì)巖石熱物性參數(shù)進(jìn)行測(cè)試[29]。但這些室內(nèi)實(shí)驗(yàn)大多注重儀器的精度但卻忽視儲(chǔ)層巖石的地層條件，即“高溫高壓”[22]，考慮實(shí)際應(yīng)在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)要求測(cè)量?jī)x器加熱時(shí)間更短、采用國(guó)際統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)刻度進(jìn)行試驗(yàn)、探索多種角度測(cè)試的方法來(lái)逼近地層條件。

3 結(jié)語(yǔ)

早年儲(chǔ)層巖石熱物性的研究雖然能夠正確地描述單因素對(duì)儲(chǔ)層熱物性的影響方向，但存在精度不夠、誤差較大的問(wèn)題。近年來(lái)，隨著熱物性測(cè)定技術(shù)的不斷進(jìn)步，熱物性測(cè)定的條件越來(lái)越接近儲(chǔ)層原始情況，且測(cè)定誤差也在不斷的縮小，測(cè)試結(jié)果已經(jīng)能夠較為準(zhǔn)確地描述儲(chǔ)層巖石熱物性在單因素影響下的變化規(guī)律。此外，對(duì)于多領(lǐng)域、多因素、高仿真等情況下的儲(chǔ)層巖石熱物性研究是目前重要的研究方向。