油頁(yè)巖熱膨脹影響因素及防膨脹措施研究

李強(qiáng)，卜青鋒

1．吉林大學(xué) 建設(shè)工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130026；2．油頁(yè)巖地下原位轉(zhuǎn)化與鉆采技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)春 130026；3．頁(yè)巖油氣資源勘探開發(fā)省部共建協(xié)同創(chuàng)新中心，長(zhǎng)春 130026；4．自然資源部復(fù)雜條件鉆采技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)春 130026

0 引言

油頁(yè)巖是一種含有大量灰分與少量固體有機(jī)質(zhì)的沉積巖，主要成分為油母質(zhì)、黏土礦物[1]。油頁(yè)巖資源的利用方式，主要分為地表干餾與原位開采[2]，油頁(yè)巖原位開采具有經(jīng)濟(jì)性好、占地少和環(huán)保等優(yōu)勢(shì)，因此成為相關(guān)學(xué)者的重點(diǎn)研究方向。在吉林大學(xué)扶余油頁(yè)巖原位轉(zhuǎn)化試驗(yàn)工程中發(fā)現(xiàn)[3]，通過(guò)向地下油頁(yè)巖目標(biāo)礦層注熱，原位裂解油頁(yè)巖生產(chǎn)油氣，對(duì)循環(huán)返上地面的油氣進(jìn)行分析，在加熱的初期，油氣運(yùn)移的上返量與運(yùn)移的速度都保持在一個(gè)合理的水平;伴隨加熱時(shí)間的增加，油氣的產(chǎn)量開始下降，推斷可能是油頁(yè)巖發(fā)生熱膨脹現(xiàn)象，導(dǎo)致地層內(nèi)部裂紋擴(kuò)展速度減慢甚至使裂紋閉合，限制了油氣運(yùn)移[4]。

前人對(duì)油頁(yè)巖的熱膨脹特性進(jìn)行了大量的研究。Frederick et al.[5]研究干酪根含量及樣品層理結(jié)構(gòu)對(duì)油頁(yè)巖熱膨脹的影響，結(jié)果表明：熱膨脹隨干酪根含量的增長(zhǎng)而增加；對(duì)各種等級(jí)壓縮載荷下，油頁(yè)巖不同層理方向的熱膨脹進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果表明增加壓縮載荷會(huì)降低最大熱膨脹量。孫可明等[6]發(fā)現(xiàn)油頁(yè)巖受熱時(shí)，隨溫度升高，油頁(yè)巖膨脹量不斷增大。溫度升高至熱解溫度之后，有機(jī)質(zhì)熱解造成的體積膨脹產(chǎn)生膨脹力，會(huì)引起一次較大的熱膨脹。王越等[7]通過(guò)靜態(tài)熱機(jī)械分析法(TMA)對(duì)取自樺甸大城子礦的3塊油頁(yè)巖樣本進(jìn)行熱膨脹性質(zhì)研究。分別對(duì)其平行層理面和垂直層理面室溫至600℃范圍內(nèi)的熱膨脹特性進(jìn)行測(cè)定，結(jié)果表明隨著有機(jī)質(zhì)含量升高，油頁(yè)巖的熱膨脹度增大；與垂直層理面的熱膨脹度相比，平行層理面的熱膨脹度較小[8]。于永軍等[9]測(cè)試了不同溫度下?lián)犴樣晚?yè)巖垂直及平行層理方向的熱膨脹系數(shù)。室溫(25℃)時(shí)，垂直層理方向比平行層理方向熱膨脹系數(shù)多約0.6倍，室溫至300℃范圍內(nèi)，熱膨脹系數(shù)隨溫度升高起伏不定。上述研究都是油頁(yè)巖的熱膨脹特性的定性分析，缺乏油頁(yè)巖在原位狀態(tài)下的溫度、圍壓、層理結(jié)構(gòu)的分析，不利于解決原位轉(zhuǎn)化試驗(yàn)中的實(shí)際問(wèn)題。筆者在前人研究的基礎(chǔ)上，模擬油頁(yè)巖原位狀態(tài)的條件下油頁(yè)巖熱膨脹變化量，探索原位狀態(tài)下油頁(yè)巖熱膨脹的變化規(guī)律，提出防止熱膨脹的措施建議，為原位轉(zhuǎn)化技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展提供理論支持。

1 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

1.1 油頁(yè)巖力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)

鉆取位于扶余油頁(yè)巖原位轉(zhuǎn)化試驗(yàn)工程現(xiàn)場(chǎng)480～500 m處的原位巖芯標(biāo)準(zhǔn)巖樣，分別進(jìn)行了原始油頁(yè)巖單軸抗壓強(qiáng)度及變形實(shí)驗(yàn)和弱面抗剪切實(shí)驗(yàn)以及抗拉強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)。得到油頁(yè)巖標(biāo)準(zhǔn)試樣的實(shí)驗(yàn)結(jié)果及有關(guān)數(shù)據(jù)，計(jì)算出油頁(yè)巖在平行于層理和垂直于層理兩個(gè)方向上的抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度、法向應(yīng)力、彈性模量和泊松比等基本力學(xué)數(shù)據(jù)。

1.2 油頁(yè)巖熱膨脹試驗(yàn)

熱膨脹系數(shù)測(cè)試采用德國(guó)NETZSCH公司的熱膨脹儀(DIL)。將油頁(yè)巖樣品加工成直徑6 mm，高25 mm的圓柱形試件，將試件按照平行層理和垂直方向?qū)永矸殖蓛山M，進(jìn)行熱膨脹系數(shù)測(cè)試。在氬氣保護(hù)下，以3℃/min的升溫速率加熱到300℃，之后經(jīng)過(guò)軟件處理可得25～300℃內(nèi)熱膨脹系數(shù)。

1.3 熱物理性質(zhì)測(cè)定試驗(yàn)

采用瑞典Hot Dist公司導(dǎo)熱分析儀(2500S)測(cè)試導(dǎo)熱系數(shù)。將油頁(yè)巖加工成邊長(zhǎng)為10 mm、厚度為3 mm正方形試件，將厚度按照平行層理方向和垂直層理方向分成兩組，進(jìn)行測(cè)試。分別測(cè)試油頁(yè)巖在25℃、50℃、100℃、150℃、200℃、250℃和300℃時(shí)的導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容。

1.4 油頁(yè)巖熱重試驗(yàn)

TG分析采用STA--449F3熱分析儀。在氮?dú)鈿夥毡Ｗo(hù)下，以50 mL/min的流量，10℃/min的升溫速率，從30℃開始升溫，終止溫度800℃，試驗(yàn)樣品質(zhì)量15 mg。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 力學(xué)結(jié)果

通過(guò)對(duì)圖1中油頁(yè)巖在水平層理和垂直層理方向上的參數(shù)對(duì)比，發(fā)現(xiàn)無(wú)論在哪個(gè)方向上，油頁(yè)巖強(qiáng)度為σ抗壓>σ抗剪>σ抗拉，并且其抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)大于抗拉強(qiáng)度，該結(jié)論與嚴(yán)軒辰博士觀點(diǎn)相同[10]。水平層理方向的抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度均大于垂直層理方向的相應(yīng)參數(shù);相反垂直層理方向的泊松比和彈模均大于水平層理方向的相應(yīng)參數(shù)，故選取平均值作為接下來(lái)模擬的力學(xué)參數(shù)。

a組為抗拉強(qiáng)度；b組為抗壓強(qiáng)度；c組為抗剪強(qiáng)度。圖1 油頁(yè)巖的力學(xué)性能Fig.1 Mechanical properties of oil shale

2.2 熱膨脹結(jié)果

測(cè)得結(jié)果如圖2所示，25℃時(shí)，各個(gè)試件平行層理方向熱膨脹系數(shù)分別為1.16×10-5/K,1.15×10-5/K和1.90×10-5/K，平均值為1.40×10-5/K；垂直層理方向?yàn)?.32×10-5/K、2.35×10-5/K和2.41×10-5/K，平均值為2.36×10-5/K，垂直層理熱膨脹系數(shù)約是平行層理方向的1.7倍。其余測(cè)量溫度下，熱膨脹系數(shù)都呈現(xiàn)這種趨勢(shì)，可以看出油頁(yè)巖在垂直層理方向熱膨脹性能優(yōu)于平行層理方向。

圖2 油頁(yè)巖熱膨脹系數(shù)曲線Fig.2 Thermal expansion coefficient curves of oil shale

2.3 熱物理性質(zhì)結(jié)果

同溫度下，平行層理導(dǎo)熱系數(shù)平均值為1.84 W/(m·K),垂直層理為1.00 533 W/(m·K),平行層理方向?qū)嵯禂?shù)約為垂直層理方向的1.8倍。兩組試件平均導(dǎo)熱系數(shù)均隨溫度增高而降低，且平行層理導(dǎo)熱系數(shù)始終大于垂直層理。由于油頁(yè)巖自身較強(qiáng)的致密性，使得導(dǎo)熱系數(shù)整體呈現(xiàn)遞減趨勢(shì)。

兩種巖樣的比熱容：1號(hào)巖樣實(shí)驗(yàn)結(jié)果為1 987 J/(kg·℃)，2號(hào)巖樣實(shí)驗(yàn)結(jié)果為2 380 J/(kg·℃)。引起這種變化的原因與油頁(yè)巖自身的孔隙率有關(guān)?？紫吨械臍?、液體對(duì)比熱容的影響較大。同時(shí)經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)得比熱容在20～1 000℃范圍沒有明顯變化。

2.4 熱重曲線結(jié)果

油頁(yè)巖的失重TG--DTG曲線如圖3所示。徐紹濤博士的觀點(diǎn)為[11]，將油頁(yè)巖熱解曲線大體上劃分為3個(gè)階段，分別為：低溫失重段、中溫失重段和高溫失重段。其中低溫失重段又根據(jù)引起失重的主要因素分為3個(gè)部分：100～150℃，失重由油頁(yè)巖中的自由水蒸發(fā)所引起；150～250℃，失重率約0.4%，失重由油頁(yè)巖中的礦物間結(jié)晶水所引起；250～300℃，失重率約0.6%，則是較高成熟度的有機(jī)質(zhì)裂解所引起。

圖3 N2氣氛下油頁(yè)巖TG--DTG曲線圖Fig.3 TG--DTG curves of oil shale in N2 atmosphere

3 數(shù)值模擬

為了擴(kuò)大油頁(yè)巖熱膨脹影響因素的研究范圍并簡(jiǎn)化計(jì)算過(guò)程，通過(guò)ANSYS軟件建立油頁(yè)巖模型，對(duì)不同條件下的熱膨脹并進(jìn)行仿真模擬，探究溫度、層理結(jié)構(gòu)和圍壓對(duì)油頁(yè)巖熱膨脹的影響，為原位開采技術(shù)的現(xiàn)場(chǎng)施工提供理論參考。

3.1 模型建立

模型范本選用扶余油頁(yè)巖原位試驗(yàn)工程鉆取油頁(yè)巖，該地區(qū)油頁(yè)巖資源優(yōu)質(zhì)，根據(jù)位于480～500 m處的原位巖芯測(cè)試，其平均含油率為5.3%，有機(jī)質(zhì)含量約為5.72%，其中飽和烴占45.4%，芳烴占17.3%。該地區(qū)油頁(yè)巖中的黏土礦物主要為伊利石、蒙脫石等膨脹性黏土成分，黏土礦物總含量為35%[12]。構(gòu)建一個(gè)直徑50 mm，高100 mm的圓柱體模型，假設(shè)圓柱體的圓面為平行層理面方向，長(zhǎng)度方向?yàn)榇怪睂永矸较騕13]。根據(jù)上述測(cè)定的各項(xiàng)參數(shù)(表1)、熱膨脹系數(shù)(圖2)及導(dǎo)熱系數(shù)線性公式，設(shè)置平行層理方向和垂直層理方向各自的油頁(yè)巖參數(shù)，建立油頁(yè)巖模型如圖4所示。

圖4 油頁(yè)巖模型示意圖Fig.4 Schematic diagram of oil shale simulation model

表1 油頁(yè)巖力學(xué)參數(shù)表Table 1 Mechanical parameters of oil shale

平均導(dǎo)熱系數(shù)線性擬合公式為[14]：

(1)

式中：KH為平行層理平均導(dǎo)熱系數(shù)；KV為垂直層理平均導(dǎo)熱系數(shù)。

3.2 網(wǎng)格劃分及條件設(shè)置

通過(guò)ANSYS軟件中Mesh進(jìn)行網(wǎng)格劃分，模型結(jié)構(gòu)規(guī)則用映射網(wǎng)格，所建模型為三維有限元規(guī)則體模型，采用映射網(wǎng)格劃分，以2 mm為單元尺寸對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，六面體網(wǎng)格劃分后共266 969個(gè)節(jié)點(diǎn)，64 413個(gè)單元。選用Steady--State Thermal、Static Structural兩個(gè)模塊，并將后者鏈接到前者的Solution模塊，對(duì)油頁(yè)巖的熱膨脹進(jìn)行模擬。

對(duì)于模型邊界條件的選擇主要考慮油頁(yè)巖在地下原位狀態(tài)下所受溫壓條件，由于在此狀態(tài)中油頁(yè)巖始終處于水平方向有側(cè)壓力、豎直方向上部有上覆巖體壓力狀態(tài)，因此對(duì)模型設(shè)置不同的溫壓條件，來(lái)表示油頁(yè)巖所處不同的地層深度，選擇圓柱體上底面作為本次模擬傳熱模型的邊界條件。

3.3 溫度對(duì)油頁(yè)巖變化量的影響

在不施加圍壓的狀態(tài)下，選擇5個(gè)溫度100℃、150℃、200℃、250℃和300℃，分別對(duì)油頁(yè)巖模型平行(垂直)層理方向的熱膨脹進(jìn)行觀察，得到的熱膨脹量如圖5所示。

a～e分別為100℃、150℃、200℃、250℃和300℃平行層理方向的熱膨脹變化量；f～j分別為100℃、150℃、200℃、250℃和300℃垂直層理方向的熱膨脹變化量。圖5 0 MPa不同溫度下的熱膨脹變化量Fig.5 Variation of thermal expansion at different temperatures under 0 MPa

觀察油頁(yè)巖熱膨脹仿真模擬，不施加圍壓時(shí)，主導(dǎo)油頁(yè)巖熱膨脹變化量的主要因素是溫度。由圖5所示，平行層理方向最小熱膨脹量為100℃時(shí)的0.036 9 mm，增大至300℃時(shí)，達(dá)到最大值0.098 9 mm；垂直層理方向最大熱膨脹量為100℃時(shí)的0.169 9 mm，增大至300℃時(shí)，達(dá)到最大值0.675 6 mm。油頁(yè)巖熱膨脹變化量從100～300℃，整體增加了約3倍。根據(jù)油頁(yè)巖TG和DTG曲線中可知，由室溫至300℃屬于低溫失重階段，溫度升高，平行層理方向和垂直層理方向的熱膨脹系數(shù)都呈現(xiàn)出增加的趨勢(shì)，溫度越高，熱膨脹系數(shù)越大，熱膨脹變化量越大，導(dǎo)致油頁(yè)巖礦體的熱穩(wěn)定性變?nèi)酰焕诘叵掠晚?yè)巖礦體密閉環(huán)境的保持。由圖3可知，低溫失重的熱膨脹變化大致分為3個(gè)階段：第一階段，100～150℃，溫度升高，油頁(yè)巖結(jié)構(gòu)中原子受熱，核內(nèi)質(zhì)子和中子以及核外電子呈現(xiàn)為粒子運(yùn)動(dòng)的加速狀態(tài)，宏觀表現(xiàn)為熱膨脹；第二階段，150～250℃，此時(shí)油頁(yè)巖孔裂隙中水分相態(tài)發(fā)生改變，內(nèi)部的自由水與結(jié)晶水，由液態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)，體積增大使得油頁(yè)巖產(chǎn)生體積膨脹，隨著水分完成析出，兩相流體階段結(jié)束；第三階段，250～300℃，油頁(yè)巖內(nèi)部熱膨脹的動(dòng)力來(lái)源開始發(fā)生轉(zhuǎn)變，部分熟化程度高的干酪根開始裂解，產(chǎn)生大量油、氣，為熱膨脹提供更加強(qiáng)大的動(dòng)力。從原位試驗(yàn)來(lái)看，這種現(xiàn)象表現(xiàn)為體積膨脹，當(dāng)實(shí)驗(yàn)對(duì)象從巖芯尺度放大到儲(chǔ)層規(guī)模時(shí)，膨脹變化量將變得十分可觀，一定程度上對(duì)工程前期的壓裂工程產(chǎn)生的裂縫，造成一定的封閉效果，大大降低油氣運(yùn)移的效率。

3.4 不同圍壓對(duì)于油頁(yè)巖熱膨脹變化量的影響

對(duì)油頁(yè)巖模型分別施加2.5 MPa、5 MPa及10 MPa壓力，并測(cè)量100℃、150℃、200℃、250℃和300℃溫度下油頁(yè)巖模型的熱膨脹量(圖6～8)。

根據(jù)上述圖6～8可知 ，不施加圍壓時(shí)油頁(yè)巖的熱膨脹量最大，當(dāng)圍壓為2.5 MPa，平行和垂直層理方向的最大熱膨脹量分別減小到0.050 1 mm、0.140 3 mm；圍壓升高至5 MPa，這種趨勢(shì)更加明顯；圍壓增大至10 MPa，油頁(yè)巖壓縮量分別為0.096 0 mm、1.465 9 mm。在整個(gè)升溫過(guò)程中，無(wú)論是平行層理方向還是垂直層理方向，隨著油頁(yè)巖外部壓力的增大，膨脹量都有所減小，熱膨脹減小量依次為10 MPa>5 MPa>2.5 MPa，施加油頁(yè)巖的壓力過(guò)大時(shí)，膨脹變?yōu)閴嚎s。其原因主要分為兩個(gè)方面：第一方面，油頁(yè)巖施加的圍壓會(huì)與升溫過(guò)程中產(chǎn)生的膨脹力相互抵消，從而削弱油頁(yè)巖的熱膨脹力，減小熱膨脹量；另一方面，油頁(yè)巖施加圍壓使得油頁(yè)巖的內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加緊湊，當(dāng)溫度升高，油頁(yè)巖內(nèi)部受熱引起的原子晶格振動(dòng)作用會(huì)大大減弱，進(jìn)而在宏觀上表現(xiàn)為膨脹變化量減小。原位試驗(yàn)中，如果圍壓超過(guò)油頁(yè)巖本身的力學(xué)強(qiáng)度，會(huì)導(dǎo)致油頁(yè)巖沿層理方向連續(xù)性拉裂，導(dǎo)致原位注氣的封閉體系破壞。

a～e分別為100℃、150℃、200℃、250℃和300℃平行層理方向的熱膨脹變化量；f～j分別為100℃、150℃、200℃、250℃和300℃垂直層理方向的熱膨脹變化量。圖6 2.5 MPa下不同溫度的熱膨脹變化量Fig.6 Variation of thermal expansion at different temperatures under 2.5 MPa

a～e分別為100℃、150℃、200℃、250℃和300℃平行層理方向的熱膨脹變化量；f～j分別為100℃、150℃、200℃、250℃和300℃垂直層理方向的熱膨脹變化量。圖7 5 MPa下不同溫度的熱膨脹變化量Fig.7 Variation of thermal expansion at different temperatures under 5 MPa

a～e分別為100℃、150℃、200℃、250℃和300℃平行層理方向的熱膨脹變化量；f～j分別為100℃、150℃、200℃、250℃和300℃垂直層理方向的熱膨脹變化量。圖8 10 MPa下不同溫度下的熱膨脹變化量Fig.8 Variation of thermal expansion at different temperatures under 10 MPa

3.5 層理結(jié)構(gòu)對(duì)于油頁(yè)巖熱膨脹變化量的影響

分別以不同溫度和壓力下平行層理方向、垂直層理方向的熱膨脹變化量建立坐標(biāo)系(圖9)。

a．平行層理方向變形量；b．垂直層理方向變形量。圖9 層理結(jié)構(gòu)對(duì)熱膨脹變化量的影響曲線Fig.9 Influence curves of bedding structure on thermal expansion change

由100～300℃內(nèi)的熱膨脹變化量(圖9)可知。首先，無(wú)論是否對(duì)油頁(yè)巖施加圍壓，油頁(yè)巖熱膨脹量都呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，根據(jù)3.3分析可知，這種趨勢(shì)主要取決于溫度；其次，無(wú)論對(duì)哪個(gè)方向施加圍壓，油頁(yè)巖熱膨脹變化量都依次為0 MPa>2.5 MPa>5 MPa>10 MPa，相同條件下，圍壓的影響程度很小。所以，忽略溫度與圍壓兩個(gè)因素對(duì)油頁(yè)巖熱膨脹變化量影響，進(jìn)一步推斷可知，層理結(jié)構(gòu)使油頁(yè)巖熱膨脹變化量在不同方向上有較大的差異，其影響表現(xiàn)為兩個(gè)方面：第一方面，受溫度升高的影響，油頁(yè)巖的熱膨脹系數(shù)不斷增大，比熱容也隨之增大，同時(shí)平行層理主要成分為油、氣及有機(jī)質(zhì)軟化的黏性液體，在垂直層理多為碳酸鹽類的固體骨架，根據(jù)傳熱學(xué)原理，熱量在固體傳遞過(guò)程中效果要優(yōu)于在氣、液體中的傳遞效果，隨著溫度升高，平行層理方向的比熱容增速大于垂直層理方向上比熱容的增速，導(dǎo)致二者比熱容的差異上進(jìn)一步加大，進(jìn)而增大了熱膨脹的差異；另一方面，油頁(yè)巖是一種沉積巖，在沉積作用下導(dǎo)致油頁(yè)巖內(nèi)部的孔裂隙，大多數(shù)呈順層理方向排列，使得平行層理方向的氣孔數(shù)量要多于垂直層理方向，導(dǎo)致平行層理方向的抗剪切強(qiáng)度要弱于垂直層理方向，受熱產(chǎn)生的氣體膨脹更容易造成平行層理方向的破壞，使得氣液多沿狹長(zhǎng)孔長(zhǎng)軸方向更容易釋放，氣液引起的膨脹壓力減小，引起的熱膨脹也隨之減?。幌喾丛诖怪睂永矸较蛏?，抗剪切強(qiáng)度更強(qiáng)，受熱產(chǎn)生的氣體膨脹較難對(duì)其造成破壞，從而氣液垂直于狹長(zhǎng)孔方向排出更加困難，氣液引起的膨脹壓力增大，引起的熱膨脹也隨之增大。原位試驗(yàn)中，可通過(guò)加快裂解油氣運(yùn)移的方式，減小垂直層理方向熱膨脹的內(nèi)動(dòng)力，減小膨脹對(duì)原位開采的影響。

4 油頁(yè)巖原位防膨脹措施建議

綜上所述，溫度、圍壓和層理結(jié)構(gòu)是影響熱膨脹變化量的重要因素。對(duì)于油頁(yè)巖原位裂解來(lái)說(shuō)，膨脹會(huì)導(dǎo)致注氣、傳熱、區(qū)域穩(wěn)定和油氣驅(qū)替的狀態(tài)發(fā)生變化。結(jié)合已成熟的技術(shù)對(duì)實(shí)施原位防膨脹措施提出3個(gè)方面的建議，實(shí)際情況還需要依據(jù)野外現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)施。

4.1 控制原位裂解溫度

原位裂解油頁(yè)巖需要將油頁(yè)巖礦層加熱至裂解溫度以上，需要將溫度傳感器放置在監(jiān)測(cè)井中，實(shí)施監(jiān)測(cè)油頁(yè)巖礦層溫度，便于控制加熱情況。工藝中，要控制注入的熱載體溫度和流量，使注熱介質(zhì)平穩(wěn)均勻注入，保障油頁(yè)巖有一定裂解速度，且裂解區(qū)域的溫度均勻。

4.2 控制原位儲(chǔ)層圍壓

儲(chǔ)層圍壓增大，可以減少油頁(yè)巖的熱膨脹量。但壓力過(guò)高可能會(huì)導(dǎo)致地層破裂，破壞密閉的加熱環(huán)境，增加裂解的難度。工藝中，需要采取裂解區(qū)域封閉措施，保證注氣過(guò)程中較高的地層背壓，區(qū)域封閉可使用冷凍墻技術(shù)[15]、氣驅(qū)帷幕技術(shù)和注漿帷幕技術(shù)[16]等相關(guān)技術(shù)；注氣過(guò)程中要控制注氣壓力，在地層背壓允許的情況下，盡量增大注氣壓力。

4.3 控制原位層理膨脹內(nèi)部驅(qū)動(dòng)力

油頁(yè)巖層理結(jié)構(gòu)對(duì)于熱膨脹變化量有著十分重要的影響，油氣驅(qū)替減慢會(huì)為垂直層理方向的膨脹提供內(nèi)部驅(qū)動(dòng)力，而膨脹又會(huì)反向影響油氣驅(qū)替，所以改善油頁(yè)巖孔裂隙狀態(tài)，將加快孔裂隙的氣液流動(dòng)，并極大改善油頁(yè)巖垂直層理方向的膨脹。從原位開采的角度分析，油頁(yè)巖熱膨脹對(duì)開采區(qū)域的儲(chǔ)層改善有極大影響，并提高原位開采的采收率。儲(chǔ)層改造可使用可控沖擊波技術(shù)[17]、酸化壓裂技術(shù)[18]和定向壓裂技術(shù)等相關(guān)技術(shù)。

5 結(jié)論

(1)溫度、圍壓和層理結(jié)構(gòu)是油頁(yè)巖熱膨脹的主要因素。溫度在室溫至300℃對(duì)熱膨脹的影響主要分為3個(gè)階段，分別由晶格振動(dòng)、水分相變及部分有機(jī)質(zhì)裂解所引起；圍壓對(duì)熱膨脹從兩個(gè)方面產(chǎn)生影響，第一，圍壓會(huì)與內(nèi)部的膨脹力相互抵消；第二，圍壓讓油頁(yè)巖的內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加緊湊，平行層理方向熱膨脹小于垂直層理方向。

(2)油頁(yè)巖地下原位裂解可以從溫度、圍壓及內(nèi)部驅(qū)動(dòng)力3個(gè)方面進(jìn)行調(diào)控，在扶余野外現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)3方面調(diào)控，緩解了熱膨脹帶來(lái)的阻礙，但影響機(jī)制未明，尚需研究。