摘 要：利用顯微CT試驗(yàn)分析系統(tǒng)和壓汞儀，對(duì)取自撫順西露天礦的油頁(yè)巖試樣經(jīng)過(guò)高溫作用熱解后的孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行度量表征，得出：①300～600 ℃溫度段是撫順油頁(yè)巖內(nèi)部有機(jī)質(zhì)熱解的主要階段;②在顯微 CT能分辨的孔隙尺度(>1.94μm)范圍內(nèi)，油頁(yè)巖的孔隙不發(fā)育;在壓汞法測(cè)定的孔隙尺度(7nm～1.94μm)范圍內(nèi)，油頁(yè)巖的孔隙較為發(fā)育。高溫作用 后，油頁(yè)巖內(nèi)部的有機(jī)質(zhì)不斷發(fā)生熱解，各 孔 徑 階 段的孔隙不斷形成，孔隙結(jié)構(gòu)也在發(fā)生變化，各孔徑階段的孔隙逐漸連通，超大孔(>1.94μm)和中孔(0.1～1μm)的孔隙率逐漸增大，小孔(0.01～0.1μm)和微孔(<0.01μm)的孔隙率也基本處于增大的狀態(tài)，為油氣物質(zhì)的產(chǎn)出提供通道。

　　關(guān)鍵詞：油頁(yè)巖;孔隙結(jié)構(gòu);熱解;孔隙率

　　0 引 言

　　油頁(yè)巖又稱油母頁(yè)巖，是一種含有油母質(zhì)和少量瀝青質(zhì)的層狀沉積巖[1-2]。油頁(yè)巖的 用 途 非 常 廣泛，如經(jīng)過(guò)燃燒后發(fā)電、經(jīng)過(guò)干餾提取熱解頁(yè)巖油和熱解頁(yè)巖氣、燃燒或干餾后產(chǎn)生的灰渣還可用于制造水泥等[3-4]。經(jīng)過(guò)干餾后提取頁(yè)巖油、頁(yè)巖氣是油頁(yè)巖的主要用途，油頁(yè)巖已成為目前全世界較為重要的石油和天然氣的補(bǔ)充資源。我國(guó)油頁(yè)巖資源較為豐富，開(kāi)發(fā)潛力巨大，已引起廣大學(xué)者的重視[5]。油頁(yè)巖中熱解產(chǎn)生的油氣主要來(lái)源于有機(jī)質(zhì)，有機(jī)質(zhì)熱解后在有機(jī)質(zhì)原來(lái)賦存的部位會(huì)形成孔隙或裂隙，油頁(yè)巖中的礦物質(zhì)在高溫作用下也將產(chǎn)生一系列的物理化學(xué)反應(yīng)，這些作用共同影響油頁(yè)巖固體骨架的孔隙結(jié)構(gòu)特征。油頁(yè)巖固體骨架的結(jié)構(gòu)特征將決定油氣產(chǎn)物的產(chǎn)出率，尤其在原位注熱開(kāi)采油頁(yè)巖中，熱解后油頁(yè)巖固體骨架的孔隙結(jié)構(gòu)特征及其孔隙的相互連通性是影響開(kāi)采的主要因素。目前已有很多測(cè)量方法應(yīng)用于巖石的孔隙結(jié)構(gòu)測(cè)定，如掃描電鏡法、小角散射法、氮?dú)馕椒ā⒏邏簤汗ê惋@微 CT 法[6-10]，每種方法的測(cè)量都具有局限性，所以需要將多種方法相結(jié)合來(lái)對(duì)油頁(yè)巖內(nèi)部的孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行精細(xì)表征。本文利用顯微 CT 法和壓汞法對(duì)高溫作用熱解后的油頁(yè)巖試樣的孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征。這兩種方法的結(jié)合為油頁(yè)巖內(nèi)部的真實(shí)結(jié)構(gòu)的分析提供了一種可行的研究方法。

　　1 實(shí)驗(yàn)概況

　　實(shí)驗(yàn)中使用的試樣取自撫順西露天礦，試樣在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)使用玻璃鉆頭鉆取，鉆取完成后對(duì)試樣進(jìn)行切割打磨，最終制成直徑為3.8mm，高15mm 的圓柱體試樣;進(jìn)行常溫測(cè)試的試樣在干燥箱內(nèi)進(jìn)行烘干;其余各溫度的試樣在馬弗爐內(nèi)進(jìn)行加熱使其發(fā)生熱解;對(duì)每個(gè)油頁(yè)巖試樣在加熱前后進(jìn)行稱重，以獲得撫順油頁(yè)巖的熱解失重?cái)?shù)據(jù)。

　　1.1 顯微 CT 實(shí)驗(yàn)

　　實(shí)驗(yàn)所 用 儀 器 設(shè) 備 為 μCT225kVFCB 型 高 精度(微米級(jí))顯微 CT 試驗(yàn)分析系 統(tǒng)，實(shí) 驗(yàn) 對(duì) 象 為 經(jīng)過(guò)馬弗爐加熱熱解后的試樣，本次選取的試樣為常溫和高溫段(400 ℃、500 ℃和600 ℃)。

　　實(shí)驗(yàn)中首先將試樣固定在顯微 CT 掃描工作臺(tái)上，然后設(shè)置試件的 X軸、Y 軸、Z軸方向的數(shù)據(jù)，以使試樣位于掃描區(qū)域的中心，盡量使放大倍數(shù)達(dá)到最大值，隨后設(shè)置掃描的電流和電壓值，使得掃描圖像的清 晰 度 達(dá) 到 最 佳，待所有的參數(shù)設(shè)置完成后，打開(kāi)射線進(jìn)行掃描。每個(gè)試樣的掃描過(guò)程均是一樣的。

　　1.2 壓汞實(shí)驗(yàn)

　　實(shí)驗(yàn) 采 用 Pore Master33 壓 汞 儀，可 測(cè) 范 圍1.5kPa～231MPa(0.2～33000PSI)，可測(cè)孔徑范圍 為 0.007～1000μm，測(cè) 試 分 為 低 壓 (1.5～350kPa)和高壓(140kPa～231 MPa)兩個(gè)階段，首先進(jìn)行低壓的測(cè)試，在低壓測(cè)試過(guò)程中汞液將注滿測(cè)試管，完成后將測(cè)試管從低壓站取出進(jìn)行高壓測(cè)試。油頁(yè)巖試樣 經(jīng) 過(guò) 顯 微 CT 實(shí)驗(yàn) 后，同 一 個(gè) 樣 品再進(jìn)行壓汞實(shí)驗(yàn)，這樣可使實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比性增強(qiáng)。

　　2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　2.1 熱解失重結(jié)果分析

　　根據(jù)實(shí)驗(yàn)試樣加熱前后的稱重?cái)?shù)據(jù)繪制油頁(yè)巖熱解失重隨溫 度 的 變 化 曲 線，如 圖1所 示。從 圖1中可以看出，本次試樣的熱解失重可以分為兩個(gè)階段，低溫 失 重 階 段 (20～300 ℃)和 高 溫 失 重 階 段(300～600 ℃)。低溫 失 重 階 段(20～300 ℃)主要是油頁(yè)巖中的游離水分和部分結(jié)合水分析出，此溫度段的失重比例較小，不 到 1%;高 溫 失 重 階 段(300～600 ℃)主要是油頁(yè)巖內(nèi)部有機(jī)質(zhì)熱解階段，此階段的失重率達(dá)到了21.28%，其中400～500 ℃ 反應(yīng)最為劇烈，失重率達(dá)到了14.23%，此階段的失重達(dá)到了高 溫 失 重 階 段 失 重 率 的67%。所以 顯 微CT和壓汞實(shí)驗(yàn)選擇的溫度為20 ℃、400 ℃、500 ℃ 和600 ℃。

　　2.2 顯微 CT 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　圖2為不同溫度下油頁(yè)巖試樣顯微 CT 三維重建圖像。實(shí) 驗(yàn) 中 油 頁(yè) 巖 試 樣 掃 描 的 放 大 的 倍 數(shù) 是100倍，根據(jù)實(shí)驗(yàn)設(shè)備精度及放大倍數(shù)換算，分辨率為1.94μm，即每 個(gè) 像 素 點(diǎn) 的 大 小 為1.94μm。油頁(yè)巖 三 維 重 建 區(qū) 域 的 大 小 為 350dpi×350dpi× 350dpi，每個(gè)溫度下油頁(yè)巖試樣的孔隙率為孔隙像素的數(shù)量與三維重建區(qū)域總像素?cái)?shù)量之比。從圖2中可以看出，原始狀態(tài)下油頁(yè)巖試樣內(nèi)部的孔隙較少，孔隙率為1.77%;隨著溫度的升高，孔隙數(shù)量逐漸增多，400～600 ℃的油頁(yè)巖試樣的孔隙率分別是3.7%、3.87% 和 4.55%，但孔 隙 率 增 大 的 幅 度 較小，說(shuō)明在顯微 CT 能分辨的孔隙尺度范圍內(nèi)，油頁(yè)巖的孔隙不發(fā)育。

　　2.3 壓汞實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　壓汞測(cè)試實(shí)驗(yàn)中可以獲得不同壓力下的進(jìn)汞量，利用 Washburn方程計(jì)算(接觸角θ取140°)，可以獲得孔徑分布數(shù)據(jù)及比表面積，孔隙率為總進(jìn)汞量與試樣體積的比值。各實(shí)驗(yàn)溫度下的孔隙參數(shù)見(jiàn)表1。分析表1數(shù) 據(jù) 可 以 得 到，油 頁(yè) 巖 試 樣 的 累 計(jì)進(jìn)汞量隨著溫度的升高而增大;比表面積在500 ℃ 時(shí)最大，繼續(xù)升溫，比表面積降低，說(shuō)明當(dāng)溫度達(dá)到600 ℃時(shí)，各孔徑階段的孔隙相互連通形成孔徑更大的孔隙結(jié)構(gòu)，使得比表面積降低;孔隙率隨溫度的升高呈增大趨勢(shì)，孔隙率在400 ℃時(shí)的孔隙率發(fā)生了較大的變化，約增大了3倍，說(shuō)明在壓汞法測(cè)定的孔隙尺度范圍內(nèi)，油頁(yè)巖的孔隙較為發(fā)育。

　　3 油頁(yè)巖內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)精細(xì)表征

　　根據(jù)顯微 CT 實(shí)驗(yàn)設(shè)備的精度及本次實(shí)驗(yàn)的掃描放大倍 數(shù)，顯 微 CT 法測(cè)得 的孔隙最小尺度為1.94μm;壓汞法測(cè)得的孔隙尺度為7nm～1mm。根據(jù)兩種實(shí)驗(yàn)方法的測(cè)試尺度以及孔隙的常規(guī)分類(lèi)，便于分析對(duì)比，將孔隙的分布劃分為：超大孔(>1.94μm)、大孔(1～1.94μm)、中孔(0.1～1μm)、小孔(0.01～0.1μm)和微孔(<0.01μm)。

　　表2為根據(jù)壓汞實(shí)驗(yàn)結(jié)果整理得到的在不同孔徑階段孔隙分布數(shù)據(jù)。圖3為油頁(yè)巖不同孔徑累計(jì)孔隙率曲線，從表2和圖3中分析可以得出，在常溫狀態(tài)，油頁(yè)巖試樣內(nèi)部的超大孔最多，其余各孔徑階段的孔隙體積較小。在400～600℃，超大孔和中孔的孔隙率逐漸增大，小孔和微孔的孔隙率也基本處于增大的狀態(tài)，說(shuō)明經(jīng)過(guò)高溫作用后，油頁(yè)巖內(nèi)部的有機(jī)質(zhì)不斷發(fā)生熱解，各孔徑階段的孔隙不斷形成，孔隙結(jié)構(gòu)也在發(fā)生變化，各孔徑階段的孔隙逐漸連通，為頁(yè)巖油和頁(yè)巖氣的運(yùn)移采出提供了通道。

　　與上文顯 微 CT 實(shí)驗(yàn) 分 析 結(jié) 果 相 比，在400～600 ℃，壓汞法測(cè)得的超大孔含量明顯低于 CT 測(cè)得的結(jié)果，這是由于壓汞測(cè)試過(guò)程中孔隙形態(tài)的墨水瓶效應(yīng)造成的，即孔隙是通過(guò)細(xì)小的孔吼和表面連通的，主要是由于熱解產(chǎn)生的油質(zhì)產(chǎn)物在運(yùn)移的過(guò)程中堵塞了部分孔。

　　4、結(jié) 論

　　1)300～600℃溫度段是撫順油頁(yè)巖內(nèi)部有機(jī)質(zhì)熱解的主要階段，此階段的失重率達(dá)到了21.28%，其中 400～500 ℃ 反 應(yīng) 最 為 劇 烈，失 重 率 達(dá) 到 了14.23%，此階段的失重達(dá)到了高溫失重階段失重率的67%。

　　2)在顯微 CT 能分辨的孔隙尺度(>1.94μm)范圍內(nèi)，油頁(yè)巖的孔隙不發(fā)育;在壓汞法測(cè)定的孔隙尺度(7nm～1.94μm)范圍內(nèi)，油 頁(yè) 巖 的 孔 隙 較 為發(fā)育。高溫作用后，油頁(yè)巖內(nèi)部的有機(jī)質(zhì)不斷發(fā)生熱解，各孔徑階段的孔隙不斷形成，孔隙結(jié)構(gòu)也在發(fā)生變化，各孔徑階段的孔隙逐漸連通，超大孔和中孔的孔隙率逐漸增大，小孔和微孔的孔隙率也基本處于增大的狀態(tài)，為油氣物質(zhì)產(chǎn)出的提供通道。油質(zhì)產(chǎn)物在運(yùn)移的過(guò)程中堵塞了部分孔，使得壓汞測(cè)得的超大孔含量明顯低于 CT 測(cè)得的結(jié)果。

　　《不同溫度作用下油頁(yè)巖內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)精細(xì)表征》來(lái)源：《中國(guó)礦業(yè)》2018年12期，作者：高濤; 趙靜。