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高温及三维应力下油页岩细观特征及力学特性试验研究

赵静  
【摘要】:油页岩作为一种潜在的能源,是天然原油较为理想的补充和替代能源,已经成为一种具有现实意义的资源,并且已成为各国能源开发的重点。开发油页岩一方面能够解决各国对石油资源的需求,另一方面又能够降低对进口石油的依存度。本文以油页岩原位注热开采为研究背景,采用细观与宏观试验研究相结合的方法,对高温作用下热解特性、孔隙率、孔隙结构特征、渗透特性及力学特性进行了研究。本文的主要研究内容及结果如下: (1)利用马弗炉对块样进行加热后称重可得到油页岩的失重规律,同时利用热重分析仪可得到油页岩的粉样热解失重曲线,根据两种试验结果得到:大庆和抚顺油页岩的热解大致可以分为两个阶段,第一个阶段为室温~300℃,此阶段主要为水分的析出所引起的失重;第二阶段为300~600℃,此阶段的反应为有机质热解生成油气物质。 (2)将大庆油页岩样扫描重建后得到的CT灰度图像,利用课题组开发的CT图像分析系统进行三维重建,得到升温热解的过程中,油页岩内部有明显的物质减少。统计不同温度作用下三维重建区域内的不同射线衰减系数对应的像素点的数量,得到了大庆油页岩固体颗粒的热解特性。从20℃到100℃,大庆油页岩的热解率为3.18%;从100℃到200℃,固体颗粒的热解率增加到18.94%;200℃~500℃温度段的热解率为5.84%;500℃~600℃,热解率增加到39.80%。 (3)结合CT法和压汞法这两种方法,得到油页岩样品内部孔隙的真实分布情况,抚顺油页岩以压汞法测得的孔隙率为主,大庆油页岩以CT法测得的孔隙率为主。两个产地的样品的开放孔的孔隙率随着温度的升高逐渐增大,闭孔率减小,说明随着热解的进行,孔隙逐渐得到连通;而大庆油页岩在400℃时,闭孔率大于开孔率,说明在这个温度下,大庆油页岩样热解产生的油质产物未能从试件内完全渗出,残留在开放孔隙中,造成开放孔隙被阻隔。 (4)利用压汞法对在高温作用后的抚顺油页岩试样的孔隙结构特征进行了分析研究,得出:1)随着温度的升高,油页岩的孔隙总体积、孔隙率、平均孔径和临界孔径均呈现增大的趋势;油页岩内部不同孔径孔隙的体积分布随着温度差异较为明显;油页岩内部孔隙的迂曲度逐渐减小,说明随着热解的进行,油页岩内部孔隙通道弯曲程度在降低,有利于油气产物的渗透及运移,尤其在油气物质开始大量产出后,油页岩孔隙通道的迂曲度呈大幅下降趋势。2)对压汞试验过程中接触角所产生的滞后效应进行修正后,得到:退汞时的后退接触角随温度的升高降低,滞后系数随温度的升高呈增大趋势,说明随着温度的升高,油页岩内部的孔隙结构越来越复杂,孔隙表面粗糙度越来越大。3)通过对一组抚顺油页岩样的二次进汞试验,得出:随着温度的升高,油页岩内部的孔隙在不断的形成,基本以墨水瓶孔的形成为主,有效孔隙体积的增幅较小。 (5)利用压汞法对在高温及三维应力作用下已进行渗流试验的抚顺油页岩试样的孔隙结构特征进行了分析研究,得出:油页岩试样的孔隙体积、孔隙率、平均孔径和临界孔径均随着温度的升高而增大,与高温作用后未进行渗透试验试样相比,相同温度下,油页岩试样的孔隙参数都较大,说明在孔隙流体的作用下,油质产物被携带出试样,使得油页岩试样内部的孔隙空间增大。 (6)利用Kozeny-Carman方程计算得到的渗透率为k1,利用等效管道模型计算得到的渗透率为k2。k1和k2随温度的变化具有相同的变化趋势,均随温度的升高,渗透率呈不断增大的趋势,而400℃为渗透的阈值温度,当温度高于400℃后,渗透率开始大幅增加。 (7)利用自主研制的高温三轴渗透试验台,对油页岩试样进行基于原位应力状态下的高温热解渗透试验,得到:随着温度的升高,油页岩的渗透性的变化规律为:常温下和100℃时,油页岩试样基本不具有渗透性;当温度升高到200℃时,油页岩的渗透率较低;200℃到300℃温度段,油页岩试样渗透率增大,但增幅较小;当温度升高到350℃时,油页岩试样的渗透性出现了减小的趋势;在350℃到600℃温度范围内,有机质受热首先软化生成沥青,然后沥青再热解生成页岩油和页岩气,一方面沥青和焦油会堵塞油页岩试样的渗透通道,另一方面粘土矿物质对沥青有吸附作用,同时对渗透通道产生影响,随着温度的继续升高,大量聚集的热解气体和矿物释放的水蒸气能携带页岩油从孔隙、裂隙中渗透出来,使堵塞的渗流通道立刻变得非常畅通,从而不断改变着油页岩的渗透特性,油页岩试样渗透率呈现增大的趋势。 (8)通过对经历不同温度阶段的油页岩热解试样进行单轴压缩试验,得出:1)油页岩样品的抗压强度随温度的升高呈降低的趋势,不同温度下油页岩的单轴抗压强度和温度呈指数关系,σ=74.987e0.0024T)常温到600℃温度作用下,油页岩样品的弹性模量随温度的升高基本呈降低的趋势,由常温到600℃平均弹性模量试验数据拟合得到油页岩的弹性模量和温度呈对数规律衰减,拟合关系为:E=-544.38ln(T)+4943.5。3)油页岩样品的泊松比随温度的升高基本呈降低的趋势,由常温到600℃平均泊松比试验数据拟合得到油页岩的泊松比和温度呈直线规律衰减,拟合关系为:v=-0.0005T+0.4653。


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