陳國(guó)輝，蔣 恕，李 醇，李思思，彭 鵬，莫 蘭，張鈺瑩，張魯川，張?zhí)煊?/p>

［1. 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）構(gòu)造與油氣資源教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430074； 2. 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）油氣勘探開(kāi)發(fā)理論與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430074； 3. 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）資源學(xué)院，湖北 武漢 430074］

美國(guó)已憑借頁(yè)巖油氣革命性技術(shù)突破和成功的商業(yè)開(kāi)發(fā)，從原油和天然氣進(jìn)口國(guó)變?yōu)槌隹趪?guó)。然而，中國(guó)2020年原油對(duì)外依存度已上升至73%，已遠(yuǎn)超國(guó)際所公認(rèn)的50 %警戒線。在中國(guó)常規(guī)油氣資源產(chǎn)量逐年下降之際，加大對(duì)頁(yè)巖油氣資源的勘探和開(kāi)發(fā)力度有望提高當(dāng)下國(guó)內(nèi)油氣產(chǎn)量，進(jìn)而保障能源供給并優(yōu)化調(diào)整能源結(jié)構(gòu)［1-6］。

自然資源部油氣資源戰(zhàn)略研究中心2012—2013年評(píng)價(jià)中國(guó)陸相頁(yè)巖油地質(zhì)資源量為402×108t，可采資源量為37×108t；中國(guó)石化2014 年評(píng)價(jià)中國(guó)陸相頁(yè)巖油地質(zhì)資源量為204 × 108t；中國(guó)石油2017 年評(píng)價(jià)中國(guó)中-高成熟度頁(yè)巖油資源量為132×108t。盡管不同機(jī)構(gòu)的評(píng)價(jià)存在一定差異，但就中國(guó)頁(yè)巖油資源潛力巨大這一基本認(rèn)識(shí)已達(dá)成共識(shí)。

盡管資源潛力巨大，但中國(guó)絕大多數(shù)陸相含油頁(yè)巖的成熟度偏低，儲(chǔ)層具有低孔、低滲的特征，加上頁(yè)巖油分子大，并且具有極性強(qiáng)和高含蠟等特點(diǎn)，導(dǎo)致其難以流動(dòng)。盡管目前已經(jīng)通過(guò)水力壓裂等手段一定程度地增強(qiáng)了頁(yè)巖儲(chǔ)層孔隙連通性，但仍未獲得理想產(chǎn)能［3］，亟需新理論、新技術(shù)和新方法的誕生和發(fā)展為中國(guó)陸相頁(yè)巖油的有效開(kāi)發(fā)開(kāi)辟新途徑［7］。

國(guó)外在對(duì)油頁(yè)巖開(kāi)發(fā)時(shí)探索了原位加熱改質(zhì)技術(shù)［8］，與地面干餾相比，原位加熱開(kāi)采具有成本低、占地面積小、環(huán)境污染小的優(yōu)勢(shì)［9-10］。目前，對(duì)頁(yè)巖原位加熱改質(zhì)技術(shù)的探索主要包括電加熱、蒸汽加熱、電磁波加熱等［11-12］，其中，殼牌公司探索的原位電加熱技術(shù)最為成熟，加熱工藝和關(guān)鍵設(shè)備等技術(shù)難題已基本得到解決，并在美國(guó)科羅拉多州、加拿大阿爾伯達(dá)省、約旦等地進(jìn)行了38 個(gè)井組現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，基本具備工業(yè)化應(yīng)用條件［13］。原位加熱改質(zhì)技術(shù)有望在未來(lái)的頁(yè)巖油大規(guī)模商業(yè)化開(kāi)采中起到關(guān)鍵作用。

與國(guó)外相比，國(guó)內(nèi)對(duì)頁(yè)巖原位加熱改質(zhì)技術(shù)的研究工作起步較晚，21 世紀(jì)以來(lái)高校和科研單位才逐步開(kāi)展相關(guān)研究，并且主要針對(duì)油頁(yè)巖而非頁(yè)巖油資源［14-18］。對(duì)頁(yè)巖油的探索近幾年才剛剛開(kāi)始，尚處于論證、探索和初步嘗試階段，對(duì)國(guó)外技術(shù)依賴性強(qiáng)，尚未掌握核心機(jī)理，難以對(duì)原位加熱過(guò)程中頁(yè)巖儲(chǔ)層和原油性質(zhì)進(jìn)行有效預(yù)測(cè)，更難對(duì)增產(chǎn)效果進(jìn)行準(zhǔn)確評(píng)估。

頁(yè)巖原位加熱原位改質(zhì)過(guò)程中，有機(jī)質(zhì)和無(wú)機(jī)礦物的物理-化學(xué)綜合作用將導(dǎo)致頁(yè)巖儲(chǔ)層產(chǎn)生增孔致裂效應(yīng)，大幅增強(qiáng)頁(yè)巖孔和縫的連通性，改善頁(yè)巖儲(chǔ)層的滲透性［19］，并進(jìn)一步提高頁(yè)巖儲(chǔ)層中油氣的流動(dòng)性和可采性。對(duì)原位加熱過(guò)程中儲(chǔ)層改質(zhì)效果與波及范圍的有效預(yù)測(cè)，是制定經(jīng)濟(jì)有效的加熱方案的重要前提。然而，原位加熱改質(zhì)過(guò)程中的增孔致裂過(guò)程十分復(fù)雜，目前對(duì)其機(jī)理認(rèn)識(shí)不清，加之中國(guó)陸相頁(yè)巖儲(chǔ)層非均質(zhì)性極強(qiáng)［20-22］，進(jìn)一步加大了對(duì)該過(guò)程的研究難度，為增孔致裂過(guò)程的有效預(yù)測(cè)以及加熱方案的合理制定帶來(lái)了巨大挑戰(zhàn)。因此，在研究頁(yè)巖油原位加熱改質(zhì)開(kāi)采機(jī)理的過(guò)程中，頁(yè)巖儲(chǔ)層的增孔致裂機(jī)理是重要一環(huán)，也是目前研究的薄弱環(huán)節(jié)，亟需開(kāi)展深入研究。

1 原位加熱過(guò)程中頁(yè)巖儲(chǔ)層改質(zhì)過(guò)程

頁(yè)巖主要由有機(jī)質(zhì)和無(wú)機(jī)礦物構(gòu)成，有機(jī)質(zhì)主要為干酪根和油氣，無(wú)機(jī)礦物主要包括各類粘土、碳酸鹽、石英和長(zhǎng)石等［23-24］。在原位加熱改質(zhì)過(guò)程中，頁(yè)巖中的有機(jī)質(zhì)和無(wú)機(jī)礦物將發(fā)生一系列物理和化學(xué)作用，導(dǎo)致其產(chǎn)生增孔和致裂效應(yīng)。

1.1 頁(yè)巖受熱過(guò)程中的孔隙演化過(guò)程

高溫高壓條件將導(dǎo)致頁(yè)巖發(fā)生一系列促進(jìn)或抑制孔隙演化的成巖作用：①有機(jī)質(zhì)生烴作用，有機(jī)質(zhì)經(jīng)初次和二次裂解生成油氣，并伴隨有機(jī)酸、H2S 和CO2等酸性產(chǎn)物的生成［25］，與此同時(shí)，形成大量有機(jī)孔隙［26］；②無(wú)機(jī)礦物轉(zhuǎn)化作用，比如粘土礦物從成分上由蒙脫石（或伊/蒙混層）向伊利石轉(zhuǎn)化，形態(tài)上由片狀向絲狀、再向絮裝轉(zhuǎn)化，粘土礦物脫水收縮導(dǎo)致其晶間孔增加，有利于收縮縫的形成［27］；③溶蝕作用，有機(jī)質(zhì)裂解生成的有機(jī)酸和H2S 等酸性物質(zhì)使黃鐵礦、碳酸鹽巖、粘土礦物、石英和長(zhǎng)石等不穩(wěn)定礦物發(fā)生溶蝕作用［5，28］，產(chǎn)生次生孔隙，但與此同時(shí)，可能會(huì)生成高嶺土、透輝石等礦物，會(huì)造成一定程度的孔隙充填［29］；④重結(jié)晶作用，有機(jī)質(zhì)裂解生成的CO2導(dǎo)致攜帶Ca2+的溶液在孔縫中重結(jié)晶而充填孔縫，導(dǎo)致頁(yè)巖儲(chǔ)集空間減少，但卻使得頁(yè)巖脆性增強(qiáng)，有利于增壓致裂。

1.2 頁(yè)巖受熱過(guò)程中的致裂過(guò)程

根據(jù)熱彈性力學(xué)理論，溫度改變時(shí)，物體由于外在約束以及內(nèi)在各部分之間的相互約束，使其不能完全自由脹縮而產(chǎn)生的應(yīng)力為熱應(yīng)力［30］。巖石受熱時(shí)會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力，熱應(yīng)力最大值往往發(fā)生在礦物顆粒的邊界處，如果此處的熱應(yīng)力達(dá)到或超過(guò)巖石的強(qiáng)度極限（抗拉強(qiáng)度或抗剪強(qiáng)度），則沿此邊界的礦物顆粒之間的連結(jié)處斷裂并產(chǎn)生微裂紋，隨著溫度的升高，這些裂紋逐漸形成網(wǎng)絡(luò)，即產(chǎn)生熱破裂現(xiàn)象［31-32］。對(duì)頁(yè)巖進(jìn)行原位加熱改質(zhì)時(shí)，頁(yè)巖內(nèi)部顆粒、孔隙與微裂紋的強(qiáng)度較低，將在局部產(chǎn)生應(yīng)力集中，進(jìn)而發(fā)生熱破裂。現(xiàn)有研究表明，熱破裂作用在原位加熱改質(zhì)頁(yè)巖中起到了至關(guān)重要的作用［33］。

2 原位加熱中頁(yè)巖儲(chǔ)層改質(zhì)作用研究進(jìn)展

在原位加熱過(guò)程中，頁(yè)巖的增孔和致裂效應(yīng)往往同時(shí)發(fā)生，在研究的過(guò)程中難以將二者完全剝離，尤其在采用低溫液氮吸附、高壓壓汞、氣測(cè)孔隙度等實(shí)驗(yàn)進(jìn)行測(cè)試時(shí)，所測(cè)得的孔體積和孔隙度等參數(shù)是增孔和致裂作用的綜合體現(xiàn)。

2.1 原位加熱中頁(yè)巖孔滲演化

在對(duì)烴源巖的生烴過(guò)程進(jìn)行定量研究時(shí)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)分別從實(shí)驗(yàn)?zāi)M和數(shù)值模擬方面開(kāi)展了大量研究。實(shí)驗(yàn)?zāi)M方面，基于時(shí)溫互補(bǔ)原理分別開(kāi)發(fā)了開(kāi)放體系、封閉體系和半封閉體系等熱解實(shí)驗(yàn)。在數(shù)值模擬方面，基于化學(xué)動(dòng)力學(xué)原理對(duì)烴源巖生烴過(guò)程開(kāi)展了定量研究［34-36］。在研究烴源巖生烴過(guò)程中所建立的理論、方法和模型仍然適用于頁(yè)巖原位加熱改質(zhì)研究。國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過(guò)熱解實(shí)驗(yàn)，確定了不同升溫階段頁(yè)巖的熱解產(chǎn)物組分，并根據(jù)產(chǎn)率的變化揭示了有機(jī)質(zhì)初次和二次裂解的動(dòng)力學(xué)特征［19，37-40］。也有學(xué)者通過(guò)熱重分析確定了不同升溫階段時(shí)頁(yè)巖的重量損失，并逆向推斷出不同升溫階段所對(duì)應(yīng)的裂解作用以及該過(guò)程中的有機(jī)-無(wú)機(jī)裂解反應(yīng)進(jìn)程［41-43］。

明確頁(yè)巖孔隙演化規(guī)律是研究頁(yè)巖油氣儲(chǔ)集空間和賦存狀態(tài)的重要環(huán)節(jié)，為此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過(guò)對(duì)自然演化和熱模擬催熟的頁(yè)巖樣品進(jìn)行孔隙表征，以闡明頁(yè)巖在不同熱演化程度時(shí)的孔隙演化規(guī)律。對(duì)人工熱催熟頁(yè)巖樣品的研究結(jié)果表明，低溫氮吸附實(shí)驗(yàn)所測(cè)得的頁(yè)巖比孔容在受熱過(guò)程中明顯增大，但增幅差異較大（圖1）［44］。在無(wú)圍壓條件下對(duì)頁(yè)巖樣品進(jìn)行人工催熟處理，從低熟階段到高熟階段，伍德福德頁(yè)巖、鄂爾多斯盆地延長(zhǎng)組7 段頁(yè)巖、四川盆地二疊系頁(yè)巖和中揚(yáng)子寒武系水井沱組頁(yè)巖比孔容可增大到原始樣品的1.8～4.2 倍，松遼盆地長(zhǎng)嶺凹陷嫩江組二段湖相頁(yè)巖原始樣品比孔容較小，僅為0.006 5 cm3/g，當(dāng)Ro（鏡質(zhì)體反射率，最重要的有機(jī)質(zhì)成熟度指標(biāo)，用來(lái)標(biāo)定從早期成巖作用直至深變質(zhì)階段有機(jī)質(zhì)的熱演化）達(dá)到1.37 %時(shí)，比孔容陡增至0.066 4 cm3/g，當(dāng)Ro增至4.0%時(shí)，比孔容增加到原始樣品的15.7倍［29，45-48］。

圖1 人工熱催熟頁(yè)巖樣品低溫氮吸附實(shí)驗(yàn)所得比孔容變化對(duì)比［29，45-48］Fig.1 Comparison of specific pore volume of artificial thermal mature shale samples obtained by nitrogen adsorption experiment at low temperature［29，45-48］

另有學(xué)者對(duì)泥巖、頁(yè)巖和油頁(yè)巖加熱至500～650 ℃，并對(duì)樣品的比孔容和孔隙度進(jìn)行測(cè)試，發(fā)現(xiàn)比孔容和孔隙度均隨加熱溫度的增高而明顯增大（圖2）［33，49-51］。其中，當(dāng)溫度高于300 ℃時(shí)，撫順油頁(yè)巖和鄂爾多斯盆地長(zhǎng)7 段油頁(yè)巖的比孔容急劇升高，當(dāng)溫度達(dá)到400 ℃時(shí)，鄂爾多斯盆地泥巖孔隙度增幅明顯變大，因此，300 ℃和400 ℃可能分別為油頁(yè)巖和泥巖熱破裂的溫度閾值。這種孔隙體積的變化主要由生排烴、熱破裂和無(wú)機(jī)礦物演化等作用所造成［51］，但不同巖石性質(zhì)可能造成溫度閾值的差異性。

圖2 比孔容和孔隙度隨樣品加熱溫度的變化［33，49-51］Fig.2 Specific pore volume and porosity variation in samples with different heating temperatures［33，49-51］

崔景偉在覆壓條件下對(duì)樣品進(jìn)行加熱催熟，發(fā)現(xiàn)孔隙體積隨溫度的增加而增大，但達(dá)到峰值后隨溫度的升高而降低，這可能由于部分有機(jī)孔隙在圍壓作用下被壓實(shí)所致［52］。不同學(xué)者的實(shí)驗(yàn)結(jié)果在微孔、介孔和宏孔的變化規(guī)律上不完全一致［53-55］，但在有機(jī)孔的貢獻(xiàn)方面可基本達(dá)成一致，即認(rèn)為有機(jī)質(zhì)的生-排烴過(guò)程所導(dǎo)致的有機(jī)孔隙演化在頁(yè)巖總孔隙演化過(guò)程中起到了至關(guān)重要的作用［47，49，56-57］，此外，無(wú)機(jī)礦物的成巖轉(zhuǎn)化也是頁(yè)巖儲(chǔ)層性質(zhì)改善的重要原因［45-46］。

比孔容和孔隙度的增大，必然導(dǎo)致滲透率隨之增大，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，滲透率的變化與孔隙變化趨勢(shì)具有一定相似性，撫順油頁(yè)巖和新疆油頁(yè)巖樣品滲透率在300 ℃左右開(kāi)始大幅升高，而鄂爾多斯盆地泥巖樣品滲透率則在450 ℃左右才開(kāi)始大幅升高，油頁(yè)巖和泥巖的滲透率變化溫度閾值分別為300 ℃和450 ℃（圖3）［33，58］。

圖3 頁(yè)巖在不同圍壓條件下加熱到不同溫度時(shí)的滲透率［33，58］Fig.3 Permeability of shale heated to different temperatures under different confining pressures［33，58］

除熱破裂效應(yīng)之外，頁(yè)巖因富含有機(jī)質(zhì)而具有特殊性。在高溫加熱過(guò)程中，干酪根將發(fā)生初次裂解生成油氣分子，已經(jīng)生成的油氣分子將發(fā)生二次裂解生成分子量更小的油氣分子。這是一個(gè)油氣分子數(shù)量逐漸增多，并且平均分子量逐漸降低的過(guò)程。該過(guò)程中流體體積膨脹系數(shù)逐漸增高，流體體積發(fā)生大幅度膨脹，在孔隙中形成生烴增壓效應(yīng)［17，18，59-60］。有機(jī)碳含量為5 %、氫指數(shù)為600 mg/g 的頁(yè)巖樣品在封閉體系中進(jìn)行熱模擬實(shí)驗(yàn)，體系壓力可增高至66 MPa［61］。生烴增壓效應(yīng)所蓄積的流體壓力將與熱應(yīng)力發(fā)生疊加，使熱致裂作用進(jìn)一步復(fù)雜化，對(duì)突破頁(yè)巖礦物顆粒內(nèi)部以及顆粒之間的連結(jié)力起到促進(jìn)作用，進(jìn)而加劇頁(yè)巖的熱致裂效應(yīng)。因此，在研究頁(yè)巖熱致裂效應(yīng)時(shí)，需將頁(yè)巖礦物骨架的熱破裂作用與生烴增壓致裂作用進(jìn)行耦合，綜合研究頁(yè)巖熱致裂機(jī)理及其數(shù)值模擬方法，以達(dá)到對(duì)熱致裂過(guò)程及其所伴隨的孔滲變化進(jìn)行動(dòng)態(tài)定量預(yù)測(cè)的目的。

上述研究主要在關(guān)注有機(jī)質(zhì)裂解生成油、氣的過(guò)程，以及該過(guò)程中所伴隨的有機(jī)質(zhì)孔隙和粘土礦物孔隙演化，對(duì)高溫高壓條件下的酸性生烴附屬產(chǎn)物（有機(jī)酸、H2S 和CO2等）的生成及其對(duì)礦物產(chǎn)生的溶蝕作用和重結(jié)晶作用等成巖演化的影響研究相對(duì)薄弱，由該過(guò)程所導(dǎo)致的頁(yè)巖儲(chǔ)層增孔效果的定量化研究有待進(jìn)一步開(kāi)展。

2.2 原位加熱中頁(yè)巖致裂效應(yīng)

事實(shí)上，對(duì)于巖石熱破裂作用的研究并非一個(gè)全新的課題。為了滿足油氣開(kāi)發(fā)、地?zé)崮荛_(kāi)發(fā)和核廢料存儲(chǔ)等領(lǐng)域的需求，前人已分別從實(shí)驗(yàn)室物理模擬、細(xì)觀機(jī)理模擬和數(shù)值模擬等方面對(duì)砂巖、碳酸巖和花崗巖等巖石的熱破裂現(xiàn)象開(kāi)展了一定研究［32，62-63］。

2.2.1 實(shí)驗(yàn)研究

實(shí)驗(yàn)方面，利用電液伺服材料試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行溫度加載，同時(shí)檢測(cè)巖石滲透率的變化，以反映巖石的熱破裂程度。與此同時(shí)，通過(guò)聲發(fā)射記錄儀實(shí)時(shí)檢測(cè)各個(gè)溫度段的巖石破裂聲發(fā)射信號(hào)，包括聲發(fā)射事件數(shù)、能量、持續(xù)時(shí)間和振幅等參量，用以監(jiān)測(cè)不同溫度時(shí)巖石熱破裂的進(jìn)程和強(qiáng)度，并確定巖石熱破裂的溫度閾值［32，63-64］。趙 陽(yáng) 升 等［65］將 細(xì) 砂 巖 由150 ℃加 溫 到300 ℃，并在高溫三軸應(yīng)力條件下檢測(cè)聲發(fā)射事件（圖4），發(fā)現(xiàn)從175 ℃開(kāi)始，細(xì)砂巖聲發(fā)射事件增多，在185～203 ℃最為劇烈和密集，后間歇性減弱至230 ℃進(jìn)入相對(duì)平靜期。

圖4 高溫三軸應(yīng)力條件下細(xì)砂巖聲發(fā)射事件計(jì)數(shù)率［65］Fig.4 Acoustic emission event counting rates of fine sandstone under high temperature triaxial stress［65］

此外，通過(guò)對(duì)熱處理過(guò)的巖石樣品進(jìn)行光學(xué)顯微鏡、掃描電鏡、X 射線形貌和CT 等實(shí)驗(yàn)，從微觀角度研究了巖石熱破裂過(guò)程中細(xì)紋萌生、擴(kuò)展、貫通和失穩(wěn)過(guò)程的規(guī)律以及孔裂隙結(jié)構(gòu)演化規(guī)律［66-67］。趙陽(yáng)升等［68］將花崗巖加熱到不同溫度后通過(guò)CT 實(shí)驗(yàn)觀測(cè)巖石的細(xì)觀變化，加熱到500 ℃時(shí)，晶體顆粒的封閉多邊形裂紋幾乎全部形成，使花崗巖呈現(xiàn)糜棱狀的晶體顆粒結(jié)構(gòu)，90%以上的熱破裂裂紋沿顆粒周邊的相對(duì)薄弱的膠結(jié)界面發(fā)生，僅有少部分裂紋穿過(guò)巖石顆粒。

此外，也有學(xué)者對(duì)于油頁(yè)巖原位加熱改質(zhì)過(guò)程中儲(chǔ)層物性的變化開(kāi)展了一定研究，比如太原理工大學(xué)對(duì)加熱到不同階段的油頁(yè)巖進(jìn)行CT掃描，得到了油頁(yè)巖在熱解過(guò)程中的整體破裂規(guī)律，認(rèn)為油頁(yè)巖熱破裂的閾值溫度為200～300 ℃（圖5），與前文所述低溫氮吸附實(shí)驗(yàn)和氦氣法孔隙度實(shí)驗(yàn)得到的結(jié)果一致［69-72］。

圖5 不同溫度下油頁(yè)巖內(nèi)部最大空隙連通團(tuán)分布［72］Fig.5 Distribution diagrams of the largest pore groups connected in oil shale at different temperatures［72］

奧斯陸大學(xué)的Maya Kobchenko 等（2011）［73］將綠河頁(yè)巖從60 ℃加熱到400 ℃，采用X 射線斷層成像技術(shù)進(jìn)行觀測(cè)，結(jié)果顯示，在350 ℃左右開(kāi)始產(chǎn)生裂縫，隨著溫度繼續(xù)升高，平行于頁(yè)巖層理的裂縫擴(kuò)展合并（圖6）。

圖6 加熱到391 ℃時(shí)頁(yè)巖樣品X射線斷層成像Fig.6 X-ray tomography images showing shale samples heated to 391 ℃

地質(zhì)條件下的加熱與實(shí)驗(yàn)室條件下的加熱存在一定區(qū)別，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：①加熱溫度不同，地質(zhì)條件下加熱溫度可能在300 ℃或350 ℃左右，而實(shí)驗(yàn)室中可達(dá)600 ℃；②升溫速率不同，地質(zhì)條件下頁(yè)巖儲(chǔ)層尺度大，升溫速率很大程度上取決于巖石熱傳導(dǎo)效率，而實(shí)驗(yàn)室條件下頁(yè)巖樣品尺度小，升溫速率快；③圍壓不同，地質(zhì)條件下頁(yè)巖儲(chǔ)層處于地層壓力下，而實(shí)驗(yàn)中可能在無(wú)圍壓條件下進(jìn)行。

在實(shí)驗(yàn)室研究過(guò)程中，要在不同圍壓下進(jìn)行加熱，闡明圍壓對(duì)頁(yè)巖起裂規(guī)律的影響，并且，以不同的升溫速率將頁(yè)巖加熱到不同溫度，以闡明升溫速率和溫度對(duì)頁(yè)巖熱破裂的影響。在進(jìn)行地質(zhì)評(píng)價(jià)時(shí)，需要綜合考慮圍壓、加熱溫度和升溫速率的影響，從實(shí)驗(yàn)室尺度跨度到地質(zhì)尺度，以便做出客觀準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)。

2.2.2 巖石熱破裂細(xì)觀機(jī)理研究

通過(guò)宏觀實(shí)驗(yàn)往往只能獲得巖石熱破裂的宏觀過(guò)程，難以揭示熱破裂的細(xì)觀機(jī)理。Cundall 率先提出可通過(guò)在顆粒流（particle flow code，簡(jiǎn)稱PFC）離散元模擬中賦予模型熱存儲(chǔ)和熱傳導(dǎo)屬性［74-75］，從而模擬巖石細(xì)觀顆粒的力與運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，并進(jìn)一步揭示巖石裂縫在熱-力耦合作用下的熱破裂細(xì)觀機(jī)理。在構(gòu)建基于巖石細(xì)觀組分空間分布的PFC 數(shù)值模型［76］的基礎(chǔ)上，進(jìn)行單軸壓縮模擬，確定模型力學(xué)參數(shù)。在充分考慮巖石力學(xué)與熱力學(xué)參數(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行升溫模擬，闡明巖石應(yīng)變、裂縫數(shù)量、裂縫分布形態(tài)等參數(shù)隨溫度升高的變化規(guī)律，以及應(yīng)力對(duì)巖石熱破裂的影響規(guī)律，進(jìn)而揭示熱破裂細(xì)觀機(jī)理。PFC 模擬中使用的所有本構(gòu)方程均為接觸方程，通常采用平行粘結(jié)模型表征巖石材料的膠結(jié)現(xiàn)象［77-79］（圖7）。

圖7 平行粘結(jié)模型Fig.7 Parallel bond model

在PFC 模擬中，總接觸力根據(jù)接觸面可分為切向接觸力和法向接觸力［80］：

為力矩的切向分量，N·m。

平行粘結(jié)模型可以視為梁結(jié)構(gòu)，根據(jù)梁理論［81］，在粘結(jié)周邊會(huì)產(chǎn)生最大拉應(yīng)力（σmax）和最大剪應(yīng)力（τmax）：

式中：A為粘結(jié)面的面積，m2；J為截面的極慣性矩，m4；I為截面切向的慣性矩，m4。

當(dāng)最大拉應(yīng)力大于平行粘結(jié)抗拉強(qiáng)度或者最大剪應(yīng)力大于平行粘結(jié)抗剪強(qiáng)度時(shí)，顆粒連接鍵發(fā)生斷裂，即在顆粒的粘結(jié)處產(chǎn)生裂紋。可根據(jù)拉破壞形成拉伸裂紋、剪破壞形成剪切裂紋的原則，判別優(yōu)先產(chǎn)生哪種裂紋。

采用PFC模擬所揭示的巖石熱破裂效應(yīng)隨溫度變化的發(fā)展規(guī)律及其細(xì)觀機(jī)理，將為進(jìn)一步建立或優(yōu)選模型對(duì)熱破裂作用進(jìn)行宏觀預(yù)測(cè)提供理論基礎(chǔ)和參數(shù)依據(jù)。

2.2.3 數(shù)值模擬研究

自從Dougill 于1976 年首次將損傷力學(xué)引入巖石類材料的研究領(lǐng)域以來(lái)［82］，有關(guān)巖石損傷特性的研究得到了學(xué)者們的廣泛關(guān)注。通過(guò)高溫條件下的力學(xué)和顯微觀察等實(shí)驗(yàn)，得到巖石力學(xué)和熱力學(xué)損傷規(guī)律，在此基礎(chǔ)上建立或完善巖石損傷模型［83-91］，探究溫度和壓縮荷載共同作用下的巖石力學(xué)行為和破裂的宏觀變化過(guò)程［92-94］。

康?。?1］為探究高溫地?zé)豳Y源開(kāi)發(fā)中的巖石熱破裂機(jī)制，采用隨機(jī)概率分布函數(shù)（隨機(jī)均勻分布、隨機(jī)正態(tài)分布、隨機(jī)韋伯分布、隨機(jī)指數(shù)分布）對(duì)巖石非均質(zhì)性進(jìn)行描述，基于彈塑性理論［95］建立隨機(jī)非均質(zhì)熱彈塑性力學(xué)模型：

式中：xi為坐標(biāo)，無(wú)量綱，i=1為x方向，i=2為y方向，i=3為z方向；σ為正應(yīng)力，N；τ為切應(yīng)力，N；λ和G為拉梅常數(shù)，無(wú)量綱；u為位移，m；F為外力，N；β為熱膨脹系數(shù)，無(wú)量綱；γ為剪切應(yīng)變，無(wú)量綱；ε為體積應(yīng)變，無(wú)量綱；K為體積變形模量，無(wú)量綱；T為溫度，K。為了有針對(duì)性地考慮溫度梯度和熱膨脹梯度引起的巖石應(yīng)變效應(yīng)，將λ和G定為常數(shù)，可得巖體應(yīng)力平衡方程：

式中：κ為導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·K）；▽2為拉普拉斯算子，無(wú)量綱；T為溫度，K；ρ為材料的密度，kg/m3；c為比熱容，J/K；t為時(shí)間，s；Q0為體系的總熱量，J。

將巖體應(yīng)力平衡方程與隨機(jī)介質(zhì)非穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)方程進(jìn)行耦合，將力學(xué)參數(shù)（如彈性模量、泊松比、內(nèi)摩擦角、抗拉強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度等）設(shè)為定值，采用有限元分析方法進(jìn)行數(shù)值求解，得到熱變形引起的初應(yīng)變?chǔ)?，并進(jìn)一步確定初應(yīng)變引起的等效節(jié)點(diǎn)載荷FT和Fβ。采用Drucker-Prager 屈服準(zhǔn)則［96］對(duì)熱破裂進(jìn)行判定，根據(jù)逾滲理論［97-104］，當(dāng)平面模型熱破裂的單元數(shù)達(dá)到59.275%時(shí)，即認(rèn)為對(duì)應(yīng)的溫度為熱破裂門檻值Tc，亦可考察此時(shí)巖石滲透率的突變情況。并可通過(guò)對(duì)隨機(jī)分布函數(shù)及其參數(shù)的調(diào)整，考察巖石非均質(zhì)性對(duì)熱破裂作用的影響。通過(guò)數(shù)值模擬探索巖石受熱時(shí)裂紋產(chǎn)生、擴(kuò)展、匯合以及貫通過(guò)程的變化規(guī)律。

對(duì)上述研究思路進(jìn)行延伸，進(jìn)一步探索破裂單元比例與滲透率之間的關(guān)系，并根據(jù)破裂單元比例的變化評(píng)價(jià)滲透率在熱破裂過(guò)程中的變化過(guò)程，有望據(jù)此對(duì)原位加熱過(guò)程中的頁(yè)巖滲透率進(jìn)行預(yù)測(cè)。

前期對(duì)于砂巖、碳酸鹽巖和花崗巖等巖石熱破裂作用的研究無(wú)疑為頁(yè)巖的研究奠定了良好基礎(chǔ)，不難將其實(shí)驗(yàn)方法、理論模擬和數(shù)學(xué)模型進(jìn)行有針對(duì)性的改進(jìn)和轉(zhuǎn)化，服務(wù)于頁(yè)巖熱破裂作用的研究。但頁(yè)巖具有其特殊性，比如在受熱過(guò)程中將因有機(jī)質(zhì)裂解而產(chǎn)生增壓致裂效應(yīng)，在研究過(guò)程中應(yīng)特別加強(qiáng)對(duì)該過(guò)程的關(guān)注。

3 結(jié)語(yǔ)

基于對(duì)有機(jī)-無(wú)機(jī)成巖作用和熱致裂效應(yīng)的分析，初步明確了頁(yè)巖原位加熱過(guò)程中儲(chǔ)層改質(zhì)效應(yīng)的主要機(jī)理，即由有機(jī)質(zhì)裂解、無(wú)機(jī)礦物轉(zhuǎn)化、礦物溶蝕和重結(jié)晶引起的孔隙演化效應(yīng)，以及由熱應(yīng)力和生烴增壓所造成的致裂效應(yīng)耦合所導(dǎo)致。增孔和致裂效應(yīng)疊加，將導(dǎo)致頁(yè)巖儲(chǔ)層孔滲條件大幅改善，是頁(yè)巖油原位加熱增產(chǎn)的重要理論基礎(chǔ)之一。

盡管目前對(duì)于加熱后頁(yè)巖的孔隙演化開(kāi)展了一定研究，但基本上是對(duì)于增孔致裂綜合效應(yīng)的整體分析，未對(duì)有機(jī)、無(wú)機(jī)孔隙演化以及熱破裂和生烴增壓致裂過(guò)程分別開(kāi)展研究。這意味著對(duì)增孔致裂機(jī)理的認(rèn)識(shí)仍不充分，無(wú)法從機(jī)理出發(fā)對(duì)單一過(guò)程進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，更無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)增孔增滲過(guò)程的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。因此，在進(jìn)一步研究中需對(duì)有機(jī)、無(wú)機(jī)孔隙演化和熱破裂、生烴增壓致裂開(kāi)展相對(duì)獨(dú)立的研究，分別揭示其機(jī)理并建立評(píng)價(jià)模型。在與熱傳導(dǎo)模型耦合的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)對(duì)原位加熱過(guò)程中增孔增滲效應(yīng)在時(shí)間和空間上的定量預(yù)測(cè)，為開(kāi)發(fā)方案的制定奠定基礎(chǔ)。

此外，不同構(gòu)造和沉積背景的含油氣盆地或同一含油氣盆地的不同沉積（微）相中頁(yè)巖的巖相具有顯著差異，意味著頁(yè)巖在有機(jī)質(zhì)含量與性質(zhì)、無(wú)機(jī)礦物組成和儲(chǔ)層孔隙度、滲透率、孔隙結(jié)構(gòu)等方面存在明顯差異。巖相的多樣性必將導(dǎo)致受熱過(guò)程中生排烴、無(wú)機(jī)礦物轉(zhuǎn)化、熱破裂和增壓致裂等效應(yīng)的明顯差異，進(jìn)而影響整體增壓致裂效果。因此，對(duì)不同巖相的頁(yè)巖分別開(kāi)展增壓致裂機(jī)理研究，對(duì)該效應(yīng)的工程預(yù)測(cè)具有現(xiàn)實(shí)意義。