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鄂爾多斯盆地三疊系長(zhǎng)7 富有機(jī)質(zhì)段巖石熱膨脹系數(shù)隨溫度演化特征及啟示

2022-07-08 15:56侯連華崔景偉林森虎張紫蕓
巖性油氣藏 2022年4期
關(guān)鍵詞:層理鄂爾多斯盆地

張 巖,侯連華,崔景偉,2,羅 霞,林森虎,張紫蕓

(1.中國(guó)石油勘探開發(fā)研究院,北京 100083;2.中國(guó)石油油氣儲(chǔ)層重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100083)

0 引言

非常規(guī)油氣資源開發(fā)已成為國(guó)內(nèi)油氣勘探開發(fā)的熱點(diǎn),富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖層系是非常規(guī)油氣資源攻關(guān)研究的重點(diǎn)層段[1]。通過(guò)采用水平井和大規(guī)模體積壓裂技術(shù),中高成熟度頁(yè)巖已經(jīng)在我國(guó)多個(gè)盆地獲得商業(yè)開發(fā),中低成熟度頁(yè)巖因缺少成熟技術(shù)尚未實(shí)現(xiàn)商業(yè)開發(fā)。中國(guó)石油勘探開發(fā)研究院通過(guò)攻關(guān)研究,認(rèn)為頁(yè)巖油地下原位轉(zhuǎn)化技術(shù)(In-situ Conversion Process,ICP)可能是中低成熟度頁(yè)巖規(guī)模開發(fā)的有效技術(shù)。頁(yè)巖油地下原位轉(zhuǎn)化是通過(guò)地下電加熱方式將頁(yè)巖中的重質(zhì)油、瀝青和各類有機(jī)質(zhì)大規(guī)模轉(zhuǎn)化為輕質(zhì)油和天然氣,并將焦炭和部分雜質(zhì)等留在地下的技術(shù)[2-4]。頁(yè)巖油原位轉(zhuǎn)化涉及地質(zhì)、地球物理、地質(zhì)工程等多個(gè)方面,巖石熱膨脹系數(shù)的研究對(duì)于井眼保護(hù)、蓋層完整性評(píng)估、井壁穩(wěn)定性、巖石熱應(yīng)力估算以及熱場(chǎng)構(gòu)建具有重要意義[5-7]。眾多學(xué)者在對(duì)巖石的熱膨脹系數(shù)研究中取得了豐碩的成果。苗社強(qiáng)等[8]通過(guò)熱膨脹系數(shù)測(cè)試表明玄武巖、輝長(zhǎng)巖和二輝橄欖巖的熱膨脹具有各向同性;劉海濤等[9]認(rèn)為由于沉積層理的存在,巖樣的軸向和徑向熱膨脹表現(xiàn)出明顯的各向異性;董付科等[10]通過(guò)巖石力學(xué)試驗(yàn)認(rèn)為富有機(jī)質(zhì)油頁(yè)巖中有機(jī)質(zhì)熱解對(duì)巖石的熱變形具有顯著影響;Gabova等[11]通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析顯示富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖熱膨脹系數(shù)隨有機(jī)碳含量升高呈指數(shù)型增大;郤保平等[12]通過(guò)對(duì)原位應(yīng)力狀態(tài)下花崗巖的熱變形特征研究后,認(rèn)為應(yīng)力和溫度對(duì)花崗巖熱膨脹系數(shù)均具有較大影響。目前關(guān)于巖石熱膨脹系數(shù)的研究較為局限,由于巖石熱膨脹系數(shù)的影響因素眾多,研究對(duì)象主要聚焦在花崗巖、砂巖、輝長(zhǎng)巖和淺層油頁(yè)巖等,實(shí)驗(yàn)測(cè)試環(huán)境很少是高溫高壓的,已發(fā)表的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)無(wú)法為富有機(jī)質(zhì)巖石熱膨脹系數(shù)研究提供有利依據(jù)。

優(yōu)選鄂爾多斯盆地延長(zhǎng)組長(zhǎng)7段有代表性的巖心樣品,開展不同巖石在不同溫度下的熱膨脹系數(shù)測(cè)試,以期探究不同有機(jī)質(zhì)豐度時(shí)巖石熱膨脹系數(shù)與溫度之間的關(guān)系,為原位轉(zhuǎn)化過(guò)程中熱場(chǎng)模擬、井眼布置提供參考。

1 地質(zhì)概況

鄂爾多斯盆地是一個(gè)多旋回疊合的克拉通盆地,盆地內(nèi)三疊系延長(zhǎng)組是我國(guó)陸相地層中發(fā)育最全的三疊系地層剖面。盆地邊緣變形較強(qiáng),主體部位構(gòu)造簡(jiǎn)單,根據(jù)盆地基巖埋深以及現(xiàn)今構(gòu)造等基本條件,將盆地劃分為6 個(gè)二級(jí)構(gòu)造單元:伊盟隆起、渭北隆起、晉西撓褶帶、伊陜斜坡、天環(huán)坳陷以及西緣逆沖帶(圖1a)。三疊系延長(zhǎng)組形成了一套沖積扇及扇三角洲-河流-湖泊相陸源碎屑巖沉積體系,按照沉積旋回將延長(zhǎng)組自下而上劃分為10 個(gè)油層組,分別代表湖盆形成、擴(kuò)張、坳陷、萎縮和消亡的過(guò)程。其中長(zhǎng)7 沉積期是延長(zhǎng)期湖盆發(fā)育的鼎盛時(shí)期,以半深湖—深湖相沉積為主,湖盆范圍最廣,地層厚度為80~120 m,巖性以深灰色、灰黑色泥巖、頁(yè)巖為主,是最重要的烴源巖分布區(qū)[13-15](圖1b)。將延長(zhǎng)組劃分為1個(gè)長(zhǎng)期旋回和5個(gè)中期旋回(SQ1—SQ5),長(zhǎng)7 段屬于中期旋回SQ3[16]。自下而上可將長(zhǎng)7 劃分為長(zhǎng)73、長(zhǎng)72、長(zhǎng)71共3 個(gè)沉積系列,其中長(zhǎng)73亞段快速湖侵,湖水深度和范圍急劇增大,深水面積可達(dá)55 000 km2,最大水深60 m,水生生物和浮游生物繁盛,富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖有機(jī)碳(TOC)含量高,平均TOC值為13.75%,有機(jī)質(zhì)類型以Ⅰ,Ⅱ1型干酪根為主,氫指數(shù)較高,最高可達(dá)750 mg/g,有機(jī)質(zhì)成熟度分布范圍較大,Ro值為0.6%~1.2%,大多為0.7%~0.9%。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與條件

熱膨脹系數(shù)測(cè)試采用DIL 402 SE 型熱膨脹儀,校正標(biāo)樣采用氧化鋁棒,測(cè)量分辨率達(dá)2 nm。測(cè)試原理為樣品膨脹時(shí),其壓力傳感器接收到樣品膨脹的信號(hào),推桿會(huì)在線性導(dǎo)軌的引導(dǎo)下向后移動(dòng),從而通過(guò)光學(xué)解碼器實(shí)時(shí)、連續(xù)地測(cè)量相應(yīng)的長(zhǎng)度變化(圖2)。

圖2 熱膨脹系數(shù)測(cè)量系統(tǒng)原理示意Fig.2 Schematic diagram of thermal expansion coefficient measurement system

熱膨脹系數(shù)在測(cè)量過(guò)程中,僅與溫度變化和樣品形變有關(guān),計(jì)算公式為

式中:α(T)為樣品膨脹系數(shù),與溫度相關(guān),℃-1;L0是樣品初始長(zhǎng)度,mm;dL(T)為樣品在溫度區(qū)間dT內(nèi)的長(zhǎng)度變化量,mm。

選取鄂爾多斯盆地長(zhǎng)7 頁(yè)巖層段不同巖性、不同TOC含量的樣品,分別在室溫(RT)~75 ℃以及高溫100~600 ℃下測(cè)量樣品垂直層理和平行層理2 個(gè)方向的熱膨脹系數(shù),升溫速率為3.0 ℃/min,測(cè)試環(huán)境為惰性氣體氬氣(Ar)環(huán)境。為研究富有機(jī)質(zhì)巖石熱膨脹系數(shù)的各向異性,同時(shí)避免溫度過(guò)高引起巖石結(jié)構(gòu)和性質(zhì)發(fā)生不可逆的變化,實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)采用2 個(gè)階段的測(cè)量思路。首先測(cè)量RT~75 ℃下巖石熱膨脹系數(shù),再進(jìn)行100~600 ℃時(shí)較寬溫度區(qū)間的升溫實(shí)驗(yàn)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

鄂爾多斯盆地三疊系延長(zhǎng)組長(zhǎng)7 頁(yè)巖層系巖石熱膨脹系數(shù)測(cè)試結(jié)果顯示,不同巖性熱膨脹系數(shù)差異明顯,RT 下在垂直層理和平行層理方向,頁(yè)巖熱膨脹系數(shù)最高,分別為43.78×10-6℃-1和19.32×10-6℃-1;泥質(zhì)粉砂巖熱膨脹系數(shù)最低,分別為1.63×10-6℃-1和3.76×10-6℃-1(表1)。

表1 鄂爾多斯盆地三疊系長(zhǎng)7 巖石樣品熱膨脹系數(shù)及各向異性參數(shù)Table 1 Thermal expansion coefficients and anisotropy parameters of rock samples from Triassic Chang 7 in Ordos Basin

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,在第1 個(gè)測(cè)量階段(RT~75 ℃),垂直層理和平行層理2 個(gè)方向上,頁(yè)巖樣品熱膨脹系數(shù)隨溫度升高略有增大,泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖和泥巖樣品在2 個(gè)方向上的熱膨脹系數(shù)隨溫度變化不明顯(圖3)。

圖3 鄂爾多斯盆地三疊系長(zhǎng)7 巖石樣品在室溫~75 ℃時(shí)熱膨脹系數(shù)隨溫度變化規(guī)律Fig.3 Change of thermal expansion coefficients of rock samples from Triassic Chang 7 at room temperature to 75 ℃in Ordos Basin

3.2 巖石熱膨脹系數(shù)的差異及啟示

巖石熱膨脹系數(shù)的差異是由于不同成巖礦物在晶界處應(yīng)力積累量不同造成的[18-19]。成巖礦物的線性膨脹系數(shù)本身具有各向異性和巖性差異性,因此不同巖性樣品熱膨脹系數(shù)差異明顯。熱膨脹系數(shù)較大的礦物,其含量對(duì)巖石整體形變影響較大;巖石結(jié)構(gòu)、孔隙度、微裂縫以及孔隙流體性質(zhì)差異也是影響巖石熱膨脹系數(shù)大小的因素。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,室溫下熱膨脹系數(shù)從低到高依次是泥質(zhì)粉砂巖、泥巖和頁(yè)巖(圖4),其中頁(yè)巖樣品熱膨脹系數(shù)是其他沉積巖的3~20倍。盡管各類巖石熱膨脹系數(shù)呈現(xiàn)出一定規(guī)律,但相同巖性樣品之間熱膨脹系數(shù)差異明顯。同為頁(yè)巖在室溫環(huán)境中,在垂直層理和平行層理方向上,7-11 樣品熱膨脹系數(shù)分別為26.18×10-6℃-1和15.77×10-6℃-1;7-36 樣品熱膨脹系數(shù)分別為43.78×10-6℃-1和16.18×10-6℃-1。根據(jù)X 射線衍射實(shí)驗(yàn)分析(表2),7-11和7-36 樣品石英質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為25%和24%;長(zhǎng)石質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為34%和40%;黏土礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別25%和20%;黏土礦物中伊利石質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為36%和37%;伊蒙混層礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為55%和56%;TOC值分別為13.07% 和35.37%。在相同巖性樣品之間,礦物類型和含量接近時(shí),其熱膨脹系數(shù)存在差異的主要原因是TOC含量不同。

圖4 鄂爾多斯盆地三疊系長(zhǎng)7 巖石樣品在室溫下的熱膨脹系數(shù)Fig.4 Thermal expansion coefficients of rock samples from Triassic Chang 7 at room temperature in Ordos Basin

表2 鄂爾多斯盆地三疊系長(zhǎng)7 實(shí)驗(yàn)樣品X 射線衍射分析測(cè)試結(jié)果Table 2 X-ray diffraction analysis of experimental samples from Triassic Chang 7 in Ordos Basin

相比于主要成巖礦物的熱膨脹系數(shù),有機(jī)質(zhì)的熱膨脹系數(shù)更大。瀝青的熱膨脹系數(shù)是200×10-6℃-1,而干酪根的熱膨脹系數(shù)是115×10-6℃-1,均遠(yuǎn)大于成巖礦物的熱膨脹系數(shù)(16~50)×10-6℃-1[20-22]。在富有機(jī)質(zhì)巖石熱膨脹特性研究中,主要造巖礦物和黏土礦物含量對(duì)富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖熱膨脹系數(shù)的影響要小于有機(jī)質(zhì)對(duì)其的影響。在75 ℃以下,分析巖石熱膨脹系數(shù)與TOC含量之間的關(guān)系,結(jié)果顯示不論是垂直層理還是平行層理方向,巖石熱膨脹系數(shù)均隨TOC含量升高而增大(圖5)。

圖5 鄂爾多斯盆地三疊系長(zhǎng)7 巖石樣品熱膨脹系數(shù)與TOC 含量之間的關(guān)系Fig.5 Relationship between thermal expansion coefficients and TOC of rock samples from Triassic Chang 7 in Ordos Basin

礦物成分相近的巖石,TOC值越大,巖石熱膨脹系數(shù)越大;不同巖性樣品,TOC值越大,熱膨脹系數(shù)也越大。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明TOC含量是影響巖石熱膨脹系數(shù)的重要因素之一。該認(rèn)識(shí)對(duì)頁(yè)巖油原位轉(zhuǎn)化技術(shù)的研究具有重要啟示,即在優(yōu)選原位轉(zhuǎn)化“甜點(diǎn)區(qū)”時(shí),理論上高TOC含量的頁(yè)巖在地下原位加熱過(guò)程中可以生成更充足的油氣[23],但應(yīng)充分考慮TOC值對(duì)巖石熱膨脹性的影響,高TOC含量使巖石熱膨脹系數(shù)更大,不僅會(huì)增加井壁垮塌風(fēng)險(xiǎn),也影響加熱器壽命和井眼穩(wěn)定性。

3.3 巖石熱膨脹系數(shù)的各向異性特征及啟示

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,鄂爾多斯盆地三疊系長(zhǎng)7 富有機(jī)質(zhì)段巖石熱膨脹系數(shù)具有明顯的各向異性,在相同條件下,垂直層理方向熱膨脹系數(shù)是平行層理方向的1~3 倍,該結(jié)論與西西伯利亞盆地Bazhenov和Abalak 地層頁(yè)巖以及中國(guó)遼寧撫順油頁(yè)巖熱膨脹系數(shù)各向異性特征相同[11,24]。溫度為RT~75 ℃時(shí),計(jì)算不同巖性樣品熱膨脹系數(shù)各向異性因子K(K=垂直層理方向熱膨脹系數(shù)/平行層理方向熱膨脹系數(shù)),其中頁(yè)巖樣品7-36 熱膨脹系數(shù)各向異性因子為2.71,泥巖樣品7-10 和泥質(zhì)粉砂巖樣品6-30熱膨脹系數(shù)各向異性因子分別為0.89 和0.95(參見表1)。統(tǒng)計(jì)分析不同巖石類型樣品K值,發(fā)現(xiàn)頁(yè)巖樣品K值均大于1,表現(xiàn)出較強(qiáng)的各向異性;泥質(zhì)粉砂巖和泥巖樣品熱膨系數(shù)各向異性因子略小于1,在垂直層理和平行層理2 個(gè)方向上,巖石熱膨脹系數(shù)表現(xiàn)出微小差異(圖6)。

圖6 鄂爾多斯盆地三疊系長(zhǎng)7 巖石樣品熱膨脹系數(shù)各向異性特征Fig.6 Anisotropy factors of thermal expansion coefficients of rock samples from Triassic Chang 7 in Ordos Basin

在全溫度范圍內(nèi)計(jì)算實(shí)驗(yàn)樣品的均勻性系數(shù)β,用于反映巖石樣品熱膨脹系數(shù)的均勻程度,β=[α(T)最大-α(T)最?。?α(T)平均。泥質(zhì)粉砂巖樣品6-30和5-29 在垂直層理方向(β⊥)和平行層理方向(β‖)的均勻性系數(shù)差值為0.09~0.25;泥巖樣品7-10,11-6,11-21和3-10的β⊥和β‖的差值為0.21~0.40;頁(yè)巖樣品10-39,8-1,7-11 和7-36 的β⊥和β‖的差值為0.15~1.05。這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示在垂直層理和平行層理2 個(gè)方向上,不同巖性的巖石熱膨脹系數(shù)均勻性差異明顯,頁(yè)巖差值最大,泥巖次之,泥質(zhì)粉砂巖最小,說(shuō)明頁(yè)巖樣品熱膨脹系數(shù)均勻性最低,各向異性特征最顯著,泥巖樣品次之,泥質(zhì)粉砂巖樣品熱膨脹系數(shù)均勻性最高,各向異性較弱。

通過(guò)巖石薄片鏡下觀察顯示,富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖樣品在垂直層理方向“草莓狀”黃鐵礦發(fā)育,有機(jī)質(zhì)紋層呈黑色條帶狀連續(xù)分布(圖7a),在平行層理方向有機(jī)質(zhì)雜亂分布(圖7b);泥質(zhì)粉砂巖樣品TOC含量較低,垂直層理方向未見明顯的有機(jī)質(zhì)條帶,以砂質(zhì)紋層和黏土狀紋層為主(圖7c),平行層理方向有機(jī)質(zhì)呈點(diǎn)狀分散分布(圖7d)。在巖石熱膨脹過(guò)程中,有機(jī)質(zhì)對(duì)熱膨脹系數(shù)的貢獻(xiàn)遠(yuǎn)大于成巖礦物,因此在垂直層理方向,頁(yè)巖熱膨脹系數(shù)大于平行層理方向。在砂泥巖紋層中,有機(jī)質(zhì)對(duì)巖石熱膨脹系數(shù)的貢獻(xiàn)減少,各向異性特征相對(duì)減弱。富有機(jī)質(zhì)巖石熱膨脹系數(shù)各向異性特征研究對(duì)于頁(yè)巖油原位轉(zhuǎn)化在工程建設(shè)上具有重要指導(dǎo)意義,在井徑設(shè)計(jì)時(shí),充分考慮巖石熱膨脹特性,可以有效避免由于熱膨脹系數(shù)各向異性所造成的井徑誤差。

圖7 鄂爾多斯盆地三疊系長(zhǎng)7 巖石樣品在不同方向上鏡下特征(a)礦物瀝青基質(zhì)條帶和薄層頁(yè)巖條帶相間排列,可見分散碎屑石英和粒狀黃鐵礦,垂直理方向,樣品7-11,1 388.65 m,單偏光;(b)可見少量藻團(tuán),平行層理方向,樣品7-11,1 388.65 m,單偏光;(c)分散石英碎屑,瀝青基質(zhì)和黏土礦物填充,垂直層理方向,樣品5-29,1 376.21 m,單偏光;(d)分散狀有機(jī)質(zhì)分布,平行層理方向,樣品5-29,1 376.21 m,單偏光Fig.7 Microscopic features of rock samples from Triassic Chang 7 along different directions in Ordos Basin

3.4 巖石熱膨脹系數(shù)隨溫度的變化特征及啟示

頁(yè)巖樣品在加熱過(guò)程中存在有機(jī)質(zhì)生烴的現(xiàn)象,隨溫度升高,會(huì)生成大量油氣。Gabova 等[11]在實(shí)驗(yàn)分析后認(rèn)為TOC含量在干酪根開始分解前對(duì)巖石的熱膨脹性能幾乎沒(méi)有影響。頁(yè)巖樣品非均質(zhì)性較強(qiáng),綜合表現(xiàn)為礦物成分、TOC含量、黏土礦物含量的不均勻性,這種不均勻性造成巖石熱膨脹系數(shù)的差異。充分考慮各種因素的影響,將本次巖石熱膨脹系數(shù)實(shí)驗(yàn)溫度上限設(shè)置為600 ℃,并根據(jù)TOC含量大小對(duì)不同巖石進(jìn)行分類討論。結(jié)果顯示,TOC<5%的巖石樣品,在RT~75 ℃溫度條件下,巖石熱膨脹系數(shù)變化微弱(參見圖3),在100~600 ℃時(shí),隨溫度升高,巖石熱膨脹系數(shù)在垂直層理和平行層理2 個(gè)方向上均呈“近指數(shù)型”增大(圖8)。

圖8 鄂爾多斯盆地三疊系長(zhǎng)7 巖石樣品(TOC<5%)在不同方向上熱膨脹系數(shù)隨溫度變化的規(guī)律Fig.8 Thermal expansion coefficients changing with temperature of rock samples from Triassic Chang 7 along different directions in Ordos Basin(TOC<5%)

當(dāng)巖石樣品的TOC≥5%時(shí),由于干酪根熱降解生烴以及巖石加熱過(guò)程中微裂縫的產(chǎn)生,隨溫度升高,巖石熱膨脹系數(shù)呈“四段式”復(fù)雜變化。階段一:200 ℃以下,在垂直層理和平行層理方向,熱膨脹系數(shù)隨溫度升高緩慢升高,這與加熱過(guò)程中頁(yè)巖中殘留烴類和水分散失有關(guān);階段二:200~400 ℃升溫過(guò)程中,由于黏土礦物對(duì)溫度敏感性較強(qiáng),溫度升高導(dǎo)致黏土礦物脫水,層間距減小,巖石熱膨脹系數(shù)出現(xiàn)緩慢下降趨勢(shì);階段三:400~500 ℃升溫過(guò)程中,由于干酪根熱降解生成大量油氣并瞬時(shí)釋放,同時(shí)大量微裂縫生成,巖石熱膨脹系數(shù)迅速增大隨后減?。?5-27];階段四:500 ℃以上,頁(yè)巖進(jìn)一步開裂,部分頁(yè)巖樣品熱膨脹系數(shù)升高,出現(xiàn)“翹尾”現(xiàn)象,由于溫度過(guò)高,TOC含量較高的頁(yè)巖樣品(10-39,7-36)由于燒結(jié)或膨脹錯(cuò)位等原因,熱膨脹系數(shù)出現(xiàn)負(fù)值(圖9)。

圖9 鄂爾多斯盆地長(zhǎng)7 頁(yè)巖層系巖石樣品(TOC ≥5%)熱膨脹系數(shù)隨溫度變化規(guī)律Fig.9 Thermal expansion coefficients changing with temperature of rock samples from Triassic Chang 7 in Ordos Basin(TOC ≥5%)

根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),分析加熱過(guò)程中頁(yè)巖熱膨脹系數(shù)與密度曲線的變化規(guī)律發(fā)現(xiàn),在階段一中,由于頁(yè)巖中殘留烴類和水分散失,密度曲線出現(xiàn)下降趨勢(shì);在階段二中,由于黏土礦物脫水,密度曲線繼續(xù)下降;在階段三中,由于存在干酪根熱降解生烴和釋放的過(guò)程,密度曲線快速下降后又迅速回升;在隨后的階段四中密度曲線逐漸趨于穩(wěn)定(圖10)。

圖10 鄂爾多斯盆地長(zhǎng)7 頁(yè)巖樣品7-11 垂直層理方向熱膨脹系數(shù)與密度隨溫度變化曲線Fig.10 Thermal expansion coefficients and density changing with temperature of rock sample 7-11 from Triassic Chang 7 along vertical directions in Ordos Basin

3.5 地下實(shí)際熱膨脹系數(shù)及啟示

影響富有機(jī)質(zhì)巖石熱膨脹系數(shù)的不僅有巖石成分、結(jié)構(gòu)、裂縫發(fā)育程度、溫度等因素,孔隙流體類型以及地層壓力也是重要的影響因素。本次分析測(cè)試的長(zhǎng)7 富有機(jī)質(zhì)段巖石樣品埋藏較深,孔隙度均值小于3%,樣品采集后密閉保存,故可忽略孔隙流體的影響。由于實(shí)驗(yàn)分析測(cè)試是在室內(nèi)完成,并且加熱后巖石熱膨脹特性不可逆轉(zhuǎn),因此未能觀測(cè)到壓力、溫度同時(shí)升高時(shí),富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖熱膨脹系數(shù)的變化特征。不同學(xué)者針對(duì)壓力與巖石熱膨脹系數(shù)之間關(guān)系的研究大多數(shù)聚焦于常溫下花崗巖、碳酸鹽巖以及砂巖樣品[17,28-30],實(shí)驗(yàn)研究表明,在相同溫度下,巖石熱膨脹系數(shù)隨壓力升高而減小,在巖石熱膨脹產(chǎn)生裂縫的過(guò)程中,只要壓力大于巖石熱開裂和其他非彈性效應(yīng)所需的最小值時(shí),圍壓影響便很小[31]。

不同學(xué)者在測(cè)量巖石熱膨脹過(guò)程中使用的測(cè)試儀器有所不同,這些儀器均不能同時(shí)滿足地下實(shí)際溫壓條件,無(wú)法獲取實(shí)際工業(yè)需求的巖石熱膨脹系數(shù)。因此,對(duì)于頁(yè)巖油原位轉(zhuǎn)化工程而言,需要繼續(xù)探索開發(fā)滿足三軸應(yīng)力測(cè)試條件的實(shí)驗(yàn)儀器,將測(cè)試條件從實(shí)驗(yàn)室環(huán)境向地下實(shí)際條件發(fā)展,最終實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)參數(shù)向工程參數(shù)轉(zhuǎn)化的目標(biāo)。

4 結(jié)論

(1)鄂爾多斯盆地三疊系長(zhǎng)7 富有機(jī)質(zhì)段不同巖性熱膨脹系數(shù)差異明顯。巖石熱膨脹系數(shù)隨TOC含量升高而增大,室溫下熱膨脹系數(shù)由低到高依次是泥質(zhì)粉砂巖、泥巖和頁(yè)巖。由于巖石的熱膨脹性能會(huì)影響到井眼穩(wěn)定性、蓋層封堵完整性等工程問(wèn)題,因此該項(xiàng)研究可為原位轉(zhuǎn)化“甜點(diǎn)”層段優(yōu)選提供依據(jù)。

(2)巖石熱膨脹系數(shù)對(duì)溫度敏感性較強(qiáng)。隨溫度升高,TOC<5%的巖石熱膨脹系數(shù)“近指數(shù)型”增大;TOC≥5%的巖石,由于受干酪根熱降解以及微裂縫產(chǎn)生的影響,熱膨脹系數(shù)隨溫度升高表現(xiàn)出“四段式”變化特征。

(3)鄂爾多斯盆地三疊長(zhǎng)7 段巖石熱膨脹系數(shù)存在明顯的各向異性,其中富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖熱膨脹系數(shù)各向異性最強(qiáng),垂直方向是水平方向1~3 倍,這與有機(jī)質(zhì)的膨脹系數(shù)較大有。

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