沉積巖熱導率的影響因素研究現(xiàn)狀

龔建洛，張金功，惠 濤，暢 斌

(1.西北大學地質(zhì)學系 大陸動力學國家重點實驗室，陜西 西安 710069;2.延長石油國際勘探開發(fā)工程有限公司，陜西 西安 710075;3.陜西延長石油(集團)研究院，陜西 西安 710075)

巖石熱導率是表征巖石導熱能力的物理量，它定義為單位時間內(nèi)單位長度上溫度升高或降低1℃時單位面積所通過的熱量［1］，與地溫梯度成反比，與熱量值成正比。它是研究地殼和上地幔熱結(jié)構(gòu)、地球深部熱狀態(tài)的重要參數(shù)。在大地熱流值一定的條件下，沉積巖熱導率對盆地中的熱傳遞和地溫分布有重要影響，巖石熱導率越高，所分配的熱流相對就越多，地溫相應的也就高。

前人主要對沉積巖的熱導率進行了測定，并且從巖石組構(gòu)、孔隙度、含水飽和度、滲透率、溫度和壓力等方面對沉積巖熱導率的影響因素進行了大量研究。本文綜合的分析了前人的研究成果，并對含油氣盆地中沉積巖熱導率的下一步研究給出了建議。

1 巖石熱導率的測定

目前，巖石熱導率的測量和研究工作主要以巖石骨架傳熱為基礎，認為熱傳導是巖石最主要的熱量傳遞方式。

巖石熱導率測量方法的基本原理大都以恒定熱流和非恒定熱流的規(guī)律為基礎。巖石熱導率的測定可以在實驗室內(nèi)進行，也可以進行原位測量，或者通過測井數(shù)據(jù)或其它巖石物理數(shù)據(jù)進行估算。采用的測試技術主要有分棒技術、堆垛碟狀體和圓柱熱流等技術。

目前，用于測量巖石熱導率的儀器主要分為兩種類型:穩(wěn)態(tài)型和非穩(wěn)態(tài)型。穩(wěn)態(tài)型要求熱流線必須垂直于試樣的橫面積，整個系統(tǒng)要求穩(wěn)定的熱平衡狀態(tài)，測量誤差很小，但對試樣的尺寸要求偏大;非穩(wěn)態(tài)型是利用測量巖石的熱擴散率，進而計算出巖石的熱導率，適用于小樣品，但測量精度比穩(wěn)態(tài)法偏低。

2 影響巖石熱導率的因素

2.1 巖石組構(gòu)對巖石熱導率的影響

巖石成分、顆粒物粒度和結(jié)構(gòu)是影響巖石熱導率的主要因素(Farouki，1981;Brigaud 等，1989;Midttφmme 等，1994;楊淑貞等，1993;熊亮萍等，1994;宋寧等，2011;欒錫武等，2002;邱楠生，2002)。

熱導率測量實驗顯示，巖石的成分、礦物粒度和結(jié)構(gòu)對巖石熱導率的影響，主要表現(xiàn)在兩個方面:一方面，不同巖性的巖石之間存在熱導率差異;另一方面，相同巖性的巖石之間存在熱導率差異。例如:粘土和泥質(zhì)粉砂巖熱導率在0.80～1.25 Wm－1·K－1(Blackwell等，1989)，粘土巖熱導率在0.6 ～4.0 Wm－1·K－1，砂巖的熱導率在 0.9 ～ 6.5 Wm－1·K－1(Clark，1966)。

沈顯杰等(1994)認為巖石熱導率與巖性之間僅存在按巖性的分組性，而并不存在定量的相關關系［2］。Fjeldskaar等［3］(2009)、熊亮萍等［4］(1994)認為造成不同巖性的巖石之間和相同巖性的巖石之間的熱導率差異的原因，與組成巖石的各種礦物具有不同的熱導率和巖石中的礦物含量有密切關系。

Midttφmme等(1998)利用人造巖石研究巖石熱導率發(fā)現(xiàn)，礦物顆粒粒度與巖石熱導率之間存在正相關性(圖1)［5］。礦物粒度對熱導率的影響被認為與單位熱流路徑上礦物顆粒接觸數(shù)量有關(M.c Gaw，1969;Rzhevsky等，1971)。這是因為礦物顆粒接觸帶對熱流有阻礙作用(Incropera等，1990)。這種阻礙，一方面是由于在礦物顆粒接觸部往往存在流體膜(M.c Gaw，1969;Griffiths等，1992)，另一方面是因為處于礦物顆粒接觸帶中的流體的熱導率低于礦物的熱導率。

圖1 礦物粒度與巖石熱導率的關系(Midttφmme等，1998)

巖石結(jié)構(gòu)對熱導率的影響，受其復雜性影響而難以評估。Midttφmme 等［5］(1998)、Fjeldskaar等［3］(2009)認為巖石顆粒物大小及分布特征控制了巖石的結(jié)構(gòu)。雖然，巖石結(jié)構(gòu)的影響難以做出準確的評價，但巖石熱導率實際測量顯示，巖石結(jié)構(gòu)疏松，熱導率低，巖石結(jié)構(gòu)緊密，熱導率高。

2.2 孔隙度對巖石熱導率的影響

巖石熱導率和孔隙度有著密切的關系，孔隙度是影響巖石熱導率的重要因素(Bloomer，1981;Brigaud，1989;Griffiths，1992)。不論砂質(zhì)巖或泥質(zhì)巖也不論風干試樣或飽水試樣，其熱導率均隨孔隙度增大而減小，但其減小的幅度則是砂質(zhì)巖大于泥質(zhì)巖，干試樣大于飽水試樣(陳墨香，1988)。沉積巖熱導率隨孔隙度的減小總體呈增大趨勢，而導致這一結(jié)果的原因是因為孔隙流體熱導率小于沉積巖填隙物熱導率(Midttφmme 等，1998)。

孔隙度不僅對干燥狀態(tài)或飽水狀態(tài)下的巖石熱導率有影響，而且對干燥狀態(tài)與飽水狀態(tài)下巖石熱導率的差異有影響。當其它條件相等時，飽水狀態(tài)與干燥狀態(tài)下巖石熱導率的差值隨孔隙度的增大而增大(楊淑貞等，1986)。欒錫武等(2002)指出巖石飽和水狀態(tài)下的熱導率和干燥狀態(tài)下的熱導率之差隨孔隙度線性增加，孔隙度大，飽和水熱導率和干樣熱導率的差就大［6］。

2.3 水飽和度對巖石熱導率的影響

Zimmerman R W(1989)、楊淑貞等(1986，1993)、熊亮萍等(1994)、張奎祥等(1995)、王鈞等(1995)、宋寧等(2011)、欒錫武等(2002)對沉積巖在飽水和干燥狀態(tài)下的熱導率測量顯示，沉積巖在飽水狀態(tài)下和干燥狀態(tài)下的熱導率存在差異。

一般與風干狀態(tài)相比，飽水巖心熱導率較高。李國樺(1992)對柴達木盆地的飽水巖石熱導率測試表明，絕大多數(shù)巖樣飽水后熱導率都有不同程度增大［7］。王良書等(1989)分別在干燥和飽水狀態(tài)下對江蘇地區(qū)的新生界、中生界及古生界的沉積巖(以砂巖或泥巖為主)熱導率進行了測量，泥巖干燥狀態(tài)下熱導率為 1.18 ～1.87 Wm－1·K－1，飽水狀態(tài)下為 1.68 ～1.94 Wm－1·K－1，增加的幅度 4.33% ～8.24%;砂巖在干燥狀態(tài)下的熱導率為 0.98 ～2.49 Wm－1·K－1，飽水狀態(tài)下為 1.84 ～3.90 Wm－1·K－1，增加的幅度在15.63%～36.12%［8］。結(jié)構(gòu)致密的巖石飽水狀態(tài)和干燥狀態(tài)的熱導率差別不大，而結(jié)構(gòu)疏松的巖石飽水狀態(tài)和干燥狀態(tài)的熱導率有較大差別。楊淑貞等(1986)研究華北地層的砂巖、粉砂巖、細砂巖、中砂巖和粗砂巖熱導率飽水試驗結(jié)果表明，高孔巖樣(孔隙度3.5% ～36%)飽水狀態(tài)下熱導率比干燥狀態(tài)下的熱導率大1.59～59.08%(飽水試樣熱導率 －干試樣熱導率)/飽水試樣熱導率)，而低孔隙巖樣(孔隙度0.36% ～6.39%)飽水狀態(tài)下熱導率比干燥狀態(tài)下的熱導率大部分增大幅度小于 5%［9］。

飽和水程度不同對巖石熱導率也有影響。Clauser等(1995)發(fā)現(xiàn)砂巖飽和水量從80% 增加到100%，砂巖熱導率增加大約10%［10］。楊淑貞等(1986)指出孔隙巖石熱導率隨含水率的增加而增大，二者呈密切的線性相關［9］。

李繼山(2009)認為由于水是浸潤流體，優(yōu)先附著在孔隙表面，尤其是在巖石顆粒接觸點附近，粘附的水能改善該處的導熱，形成熱流“液橋”，而且，水的熱導率大于空氣熱導率，從而降低巖石顆粒之間的熱阻，所以，巖心飽水狀態(tài)導熱系數(shù)要比風干狀態(tài)的高［11］。

因此，在沉積巖的熱導率應用中，根據(jù)巖石含水飽和度實際情況，特別是高孔巖石含水時，必須對沉積巖的熱導率做出校正。

2.4 滲透率對巖石熱導率的影響

Zierfuss等(1956)發(fā)現(xiàn)砂巖有效孔隙與巖石熱導之間具有相關性，表明巖石熱導率有隨巖石滲透率的增加而增大的趨勢［12］。Anand等(1973)通過多次回歸發(fā)現(xiàn)砂巖的滲透率與熱導率之間存在正相關性［13］。Zierfuss等(1956)、Anand等(1973)均認為滲透率與熱導率之間的相關性是由巖石顆粒物粒度影響造成的，原因是巖石的滲透率和熱導率均隨顆粒物粒度的增大而增大。Farouki(1981)總結(jié)認為巖石滲透率對熱導率的影響主要與巖石比表面積有關［14］。

2.5 溫度對巖石熱導率的影響

在500℃范圍內(nèi)，巖石熱導率對溫度比較敏感。實驗表明(Anand 等，1973;Chapman，1984;Moysenko，1990;趙永信等;1995)，溫度對巖石熱導率的影響主要表現(xiàn)為隨溫度升高，熱導率一般將降低(頁巖熱導率隨溫度升高而略有升高，Guidish等，1985)。

趙永信等(1995)測定了升溫(保持常壓)后的巖石熱導率，結(jié)果顯示，溫度每升高10℃時，鈣質(zhì)粉砂巖的熱導率降低2.08%，長石石英砂巖的熱導率降低1.78%，泥質(zhì)粉砂巖的熱導率降低1.55%［15］。張奎祥等(1995)觀察了飽和水狀態(tài)和飽和混合液(飽和水和稠油)狀態(tài)下升溫后巖石熱導率的變化情況，得出，無論是何種巖石，也不管飽和液體是水還是油水混合相，其熱導率均隨溫度升高而明顯下降?？梢?，溫度變化對巖石熱導率的影響很大［16］。

趙永信等(1995)指出巖石熱導率隨溫度的升高而降低是因為巖石的熱能傳輸幾乎全靠晶格振動，當溫度升高時，晶格的振動幅度增大，導致更大的非諧振蕩而使熱波的平均自由路程減小，從而使介質(zhì)的熱導率降低［15］。

由于巖石熱導率對溫度比較敏感，因此，在熱導率實際應用時，應將實驗室室溫條件下測量的巖石熱導率，校正到地下對應地層溫度下的熱導率。

2.6 壓力對巖石熱導率的影響

壓力對巖石熱導率有一定的影響。沈顯杰等(1989)指出巖石熱導率隨壓力增大而趨于增高，巖石結(jié)構(gòu)越疏松，這種影響就越大［2］。趙永信等(1995)研究壓力對巖石熱導率影響時發(fā)現(xiàn)，壓力從常壓增加至22MPa，壓力每增加1 MPa，鈣質(zhì)粉砂巖熱導率增加1.67%［15］。Clauser等 (1995)研究發(fā)現(xiàn)，砂巖在15 MPa壓力下的熱導率比地面壓力條件下的熱導率增大了約 15% ～20%［10］。李繼山(2009)對油藏巖石熱導率測試發(fā)現(xiàn)，與 0.1 MPa下測試結(jié)果相比，巖心在12.0 MPa下的熱導率均增加，增壓在飽水巖心上引起的熱導率增值比風干巖心?。?1］。

而Anand等(1973)認為壓力對巖石熱導率的影響一般較?。?3］。張奎祥等(1995)研究巖心孔隙內(nèi)液壓與巖石熱導率的關系的結(jié)果表明:在0－10Mpa的壓力范圍內(nèi)，內(nèi)液壓對油藏熱導率影響很?。?6］。

巖石熱導率隨壓力增加遞增的原因是壓力增大使巖石趨于致密，減少聲子發(fā)散源，使晶格振動過程中能量轉(zhuǎn)移的效能提高，同時巖石在受壓過程中，其顆粒的排列趨于緊密，孔隙縮小，部分裂隙趨于封閉，巖石的相結(jié)構(gòu)逐漸趨于單一，增強了固體傳熱的效果(趙永信等，1995)。

2.7 埋深對巖石熱導率的影響

研究發(fā)現(xiàn)，無論是砂巖還是泥巖，巖石熱導率隨埋深增加而增大。宋寧等(2011)研究蘇北盆地古近系－上白堊統(tǒng)的巖石熱導率研究時發(fā)現(xiàn)，深度在1 000～2 500 m范圍，泥巖和砂巖的熱導率集中在 1.0～2.5 Wm－1·K－1之間;在2 500 ～3 700 m 之間，熱導率在 1.5 ～3.5 Wm－1·K－1之間;在大于 3 700 m 深度，熱導率在 3.0 ～4.5 Wm－1·K－1之間［17］。欒錫武等［6］(2002)和邱楠生［18］(2002)也發(fā)現(xiàn)，巖石熱導率隨埋深的增加有明顯的增大。

欒錫武等(2002)認為從整體上很難找出一個統(tǒng)一的函數(shù)來描述熱導率隨深度的變化，而用分段線性來描述這種關系會更恰當些［6］。楊淑貞等［9］(1986)、邱楠生［18］(2002)指出對于已成巖的巖石，深度的制約作用不是很明顯。

雖然熱導率存在隨深度總體增大的趨勢，但受巖性、區(qū)域位置、巖石成分和結(jié)構(gòu)等因素的影響，同一深度的巖石熱導率也存在一定差異［6，18，19］。地層埋深增大，使巖石孔隙度減小，巖石變得致密，這是其熱導率增大的主要原因。

2.8 地層年齡對巖石熱導率的影響

地層年齡與巖石熱導率的關系表現(xiàn)為，巖石年齡越老，熱導率一般比較高［2，6，18］。例如:邱楠生(2002)測試發(fā)現(xiàn)，準噶爾盆地、塔里木盆地和柴達木盆地具有較老地層的巖石樣品熱導率較大、較新地層的巖石樣品熱導率較小的規(guī)律［18］。欒錫武等(2002)研究我國東海陸架地區(qū)新生代地層的熱導率時發(fā)現(xiàn)，在同樣的深度，老地層巖石的熱導率高于新地層的巖石熱導率，如在1 800～2 000 m范圍，中中新世玉泉組的熱導率為0.9～1.1 Wm－1·K－1、早中新世龍井組的熱導率為 1.3 ～1.5 Wm－1·K－1、古新世靈峰組的熱導率為 1.7 ～ 2.0 Wm－1·K－1，熱導率數(shù)值隨地層時代變老依次增大［6］。

但是，與巖石埋深相比，地層年齡是影響熱導率的次一級因素，并不是地層越老，熱導率越高。如東海陸架石門潭一井1 222 m始新世甌江組的粉砂巖熱導率只有1.377 Wm－1·K－1，而比凈寺一井2 409 m中中新世玉泉組泥巖熱導率(2.16 Wm－1·K－1)小得多［6］。

2.9 巖石熱導率的各向異性及影響因素

熱流在巖石的各個方向通過時，其導熱性能可能不同，通常把這種導熱性能的差異稱為巖石導熱的各向異性，具體到巖石則表現(xiàn)為沿不同熱傳導方向巖石熱導率的大小不同。巖石熱導率測量顯示(Bloomer，1981;Lovell，1983)，沉積巖熱導率各項異性一般表現(xiàn)為，平行層面方向的熱導率高于垂直層面方向的熱導率。

Sch?n(1996)總結(jié)認為影響巖石熱導率各向異性的因素主要有:①單個造巖礦物晶體的熱導率各向異性;②巖石內(nèi)礦物的定向排列;③定向排列的微裂隙或其他類似的缺陷［20］。Demongodin等(1993)認為當巖石中礦物的定向排列較差時，礦物熱導率各向異性對巖石熱導率各向異性影響較弱，當巖石中礦物的定向排列較好時，巖石熱導率表現(xiàn)出較強的各向異性特征［21］。Waples等(2002)研究了壓實作用作用對粘土巖熱導率各向異性特征的影響，認為結(jié)構(gòu)松散的粘土巖熱導率各向異性較弱，受壓實作用作用影響，沉積巖基質(zhì)中粘土礦物的定向排列增強可以使粘土巖垂直層面方向熱導率的降低，導致粘土巖熱導率各向異性增強［22］。Midttφmme等(1998)指出沉積巖構(gòu)造和結(jié)構(gòu)以及巖石礦物的排列與巖石熱導率各向異性關系密切，砂巖和石灰?guī)r的熱導率各向異性較低(平行層面熱導率/垂直層面熱導率＜1.3)，而頁巖和粘土巖的熱導率各向異性則較高(平行層面熱導率 /垂直層面熱導率 ＜ 4.0)［5］。

3 結(jié)語

在影響沉積巖熱導率的眾多因素中，沉積巖滲透率對沉積巖熱導率有重要影響。滲透率是反映巖石孔隙連通性的重要參數(shù)，沉積巖滲透率對熱導率影響表明沉積巖孔隙的連通性對沉積巖熱導率有一定的影響?？紫兜倪B通在空間上具有方向性特征，滲透率測量實驗表明，沉積巖滲透率在平行和垂直巖層方向上具有差異［23］，也就是說，沉積巖孔隙的連通在平行和垂直巖層方向上具有差異。目前，對沉積巖平行和垂直巖層方向上孔隙連通的差異與熱導率關系研究比較薄弱。而含油氣盆地中對沉積巖的結(jié)構(gòu)和滲透率特征研究較多而對地熱參數(shù)的直接測量相對較少。因此，有必要開展對沉積巖平行層面和垂直層面方向上孔隙連通差異特征與熱導率關系研究，這對有效預測盆地中地溫場的發(fā)育特征有著重要的指導意義。

另外，從沉積巖熱導率的影響因素研究來看，沉積巖熱傳遞研究側(cè)重于巖石骨架的傳熱。沉積巖為孔隙性巖石，由巖石骨架和孔隙兩部分組成。含油氣盆地中，巖石孔隙中不僅含有水，而且也富集油、氣，構(gòu)成巖石 －油 －水或巖石 －油－氣－水等三相、四相系統(tǒng)，其中的傳熱過程是一個復雜的過程。而且，當巖石孔隙中有流體時，受流體流動及流體傳熱的影響，特別是在地下流體的運移過程中，熱在有流體的巖石中的傳遞方式必然不同于巖石骨架的熱傳遞方式。沉積巖的熱傳遞是巖石骨架傳熱和孔隙流體傳熱共同作用的結(jié)果。而目前，對沉積巖孔隙中有流體狀態(tài)下的沉積巖傳熱方式的研究相對較為薄弱。因此，有必要加強有流體存在狀態(tài)下沉積巖的熱傳遞方式的研究，特別是對流體在沉積巖中發(fā)生運移情況下的沉積巖熱傳遞方式的研究，這對研究地熱在含油盆地中的傳遞有重大意義。

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