徐拴海, 沈浩
(1.煤炭科學(xué)研究總院, 北京 100013; 2.中國(guó)煤炭科工集團(tuán)西安研究院有限公司, 西安 710077)
巖石導(dǎo)熱系數(shù)是反映巖石導(dǎo)熱能力最基本的熱物理參數(shù),為沿著熱流傳遞方向溫度降低一度時(shí),單位時(shí)間通過(guò)單位巖體面積的熱量[1]。熱物理參數(shù)在許多方面有著重要的作用。在巖石圈熱結(jié)構(gòu)研究中,巖石圈熱結(jié)構(gòu)是指地球內(nèi)部熱量在殼慢的配分比例、溫度以及熱導(dǎo)率和生熱率等熱學(xué)參數(shù)在巖石圈中的分布特征[2]。通過(guò)導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)巖石圈結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究可以掌握巖石圈熱結(jié)構(gòu)對(duì)巖石物理性質(zhì)和流變學(xué)性質(zhì)的影響,分析巖石圈的發(fā)展和演化[3- 4];在盆地?zé)嵫莼贩矫妫捎玫蜏責(zé)崮甏鷮W(xué)方法、古溫標(biāo)法等對(duì)盆地?zé)嵫莼贩治?,研究煤、天然氣、石油等多種礦產(chǎn)資源的形成、演化及成藏(礦)[5- 6];在巖土工程方面,高原凍土[7-8]、高低溫隧道[9-10]、凍結(jié)法施工[11-12]等工程問(wèn)題也需要對(duì)巖土體導(dǎo)熱系數(shù)的研究;在地?zé)衢_(kāi)發(fā)利用方面,地?zé)豳Y源熱儲(chǔ)評(píng)價(jià)[13-14]、地埋管換熱器換熱效率[15-16]等都需要利用巖土體導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行研究。
目前中外學(xué)者對(duì)于導(dǎo)熱系數(shù)的研究主要聚焦于兩個(gè)方面:一是導(dǎo)熱系數(shù)與多種物理參數(shù)的相關(guān)規(guī)律研究[17];二是原位地層導(dǎo)熱系數(shù)的預(yù)測(cè)方法研究[18]?,F(xiàn)從這兩個(gè)方面對(duì)巖石導(dǎo)熱系數(shù)的研究進(jìn)展進(jìn)行歸納總結(jié),并利用已有的巖石樣品測(cè)試結(jié)果驗(yàn)證部分規(guī)律。
巖石主要以熱傳導(dǎo)的方式進(jìn)行熱量傳遞,而這一過(guò)程受諸多因素的影響,不僅包括巖石自身的一些因素,如成分[19]、孔隙度[20]、密度[21]、含水率[22]等,還包括巖石所處的環(huán)境因素,主要為溫度[23]、壓力[24]等。
宋小慶等[25]對(duì)貴州地區(qū)的巖石導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行測(cè)試,發(fā)現(xiàn)導(dǎo)熱系數(shù)由高到低為白云巖、石英砂巖、灰?guī)r,其中白云巖總體高于石英砂巖,但相差不大。劉建軍等[26]研究發(fā)現(xiàn)沉積巖的熱導(dǎo)率大于巖漿巖,沉積巖中砂巖的熱導(dǎo)率大于泥巖的熱導(dǎo)率。唐博寧等[27]利用室內(nèi)測(cè)試方法對(duì)四川盆地、塔里木盆地、雄安地區(qū)多塊樣品進(jìn)行了測(cè)試,得出了不同巖性對(duì)應(yīng)的導(dǎo)熱系數(shù)范圍,上述研究表明導(dǎo)熱系數(shù)與礦物組分間具有明確的相關(guān)性。表1[25-26]為不同巖性導(dǎo)熱系數(shù)范圍。
表1 不同巖性導(dǎo)熱系數(shù)范圍(據(jù)文獻(xiàn)[25-26]修改)
巖石是多種礦物的集合體,其導(dǎo)熱系數(shù)受組成礦物自身性質(zhì)的影響顯著,表2[28]為常見(jiàn)礦物的導(dǎo)熱系數(shù)。
表2 常見(jiàn)礦物的導(dǎo)熱系數(shù)(據(jù)文獻(xiàn)[28]修改)
如圖1所示,砂巖的組成成份中石英的導(dǎo)熱性能較好,因此隨著石英含量的增大,砂巖的導(dǎo)熱系數(shù)也隨之增大。
圖1 砂巖導(dǎo)熱系數(shù)隨石英含量變化
如圖2所示,對(duì)關(guān)中盆地某鉆孔收集的12組巖樣進(jìn)行測(cè)試,得到巖石的導(dǎo)熱系數(shù)與泥質(zhì)含量呈正相關(guān)關(guān)系。
圖2 泥巖導(dǎo)熱系數(shù)隨泥質(zhì)含量變化
可以看出,不同巖性導(dǎo)熱系數(shù)的大致范圍和與礦物組分含量的變化趨勢(shì),受地區(qū)差異性限制較大,且是對(duì)巖石導(dǎo)熱系數(shù)的定性分析,還需進(jìn)行更加準(zhǔn)確的定量分析研究。
巖石烘干樣可以看作固-氣兩相介質(zhì),非飽水巖樣可看作固-液-氣三相介質(zhì),液體和氣體的導(dǎo)熱特性明顯遠(yuǎn)低于固體,因此巖石孔隙度對(duì)其熱物性有著較大的影響,一般來(lái)說(shuō),孔隙度越大,巖石導(dǎo)熱性能越差[29-30]。
如圖3[31]所示,楊淑貞等[31]對(duì)華北地區(qū)風(fēng)干巖樣和飽水巖樣進(jìn)行測(cè)試,發(fā)現(xiàn)孔隙度在10%以下時(shí)對(duì)熱導(dǎo)率K影響較大,后隨著孔隙度逐漸增大,對(duì)熱導(dǎo)率的減弱效果變?nèi)酰€(xiàn)趨于平緩,但未深入解釋其中的機(jī)理。
圖3 導(dǎo)熱系數(shù)隨孔隙度變化[31]
馬峰等[28]對(duì)松遼盆地砂巖導(dǎo)熱系數(shù)與孔隙度二者之間為線(xiàn)性關(guān)系,擬合關(guān)系式為:y=-0.131 1x+3.498 3,而泥巖、流紋巖卻無(wú)明顯關(guān)系,說(shuō)明針對(duì)不同地區(qū)、不同巖性,孔隙度對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)的影響程度不同,但負(fù)相關(guān)的大致趨勢(shì)相同。
大部分地區(qū)導(dǎo)熱系數(shù)均呈現(xiàn)新地層小、老地層大的規(guī)律[32],導(dǎo)熱系數(shù)隨深度增加也略有增大的趨勢(shì)[33],這種現(xiàn)象與孔隙率的變化有關(guān)。隨著地層不斷沉積,深度增加,巖石所處的地應(yīng)力隨之增加,壓實(shí)作用越加明顯,孔隙度不斷降低,減弱了氣-液體的熱阻效應(yīng),從而巖石的導(dǎo)熱特性得到提升。
巖石密度一定程度上可以看作巖石組分、孔隙度等信息的綜合指標(biāo)。
一般來(lái)說(shuō),密度與導(dǎo)熱系數(shù)呈正相關(guān)關(guān)系,如圖4所示,對(duì)關(guān)中盆地某鉆孔所取的12組巖樣進(jìn)行分析驗(yàn)證,發(fā)現(xiàn)密度與導(dǎo)熱系數(shù)線(xiàn)性相關(guān)度較好,擬合關(guān)系式為:y=-0.131 1x+3.498 3,R2=0.968 4。目前大部分研究均沒(méi)有討論密度與導(dǎo)熱系數(shù)的直接關(guān)系,部分學(xué)者只是建立間接的聯(lián)系,推導(dǎo)了一些經(jīng)驗(yàn)公式。
圖4 導(dǎo)熱系數(shù)與密度的關(guān)系
巖石的導(dǎo)熱系數(shù)為其自身的性質(zhì),但不僅僅與其本身特性相關(guān),還與巖石所處的環(huán)境相關(guān),其中溫度是環(huán)境因素中最重要的一個(gè)。當(dāng)溫度變化時(shí),任何材料的導(dǎo)熱系數(shù)λ會(huì)隨著溫度的變化而變化,且滿(mǎn)足式(1)[34]。
λ=λ0(1-bT)
(1)
式(1)中:λ0為物質(zhì)0 ℃時(shí)的導(dǎo)熱系數(shù),W/(m·K);b為溫度系數(shù),一般為常數(shù);T為溫度,K。
Hofmeister[35]利用類(lèi)似線(xiàn)性公式來(lái)描述溫度對(duì)巖土體導(dǎo)熱系數(shù)的影響。陳振鳴等[36]通過(guò)高溫油浴試驗(yàn)研究了高溫條件下花崗巖的導(dǎo)熱特性變化,如圖5[36]所示??梢钥闯?,并不能用簡(jiǎn)單的線(xiàn)性公式來(lái)描述溫度對(duì)花崗巖導(dǎo)熱特性的影響,擬合公式為
圖5 花崗巖導(dǎo)熱系數(shù)與溫度的關(guān)系[36]
λ=λ0-aT2
(2)
式(2)中:a為溫度修正系數(shù);
趙永信等[37]進(jìn)行溫壓試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)砂巖、灰?guī)r的導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度的變化趨勢(shì)(圖6[37]),溫度較低時(shí),巖石導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度升高而較快降低,當(dāng)溫度大于150 ℃時(shí),溫度對(duì)砂巖導(dǎo)熱特性的影響效果逐漸減弱。這一結(jié)論與辛守良等[38]對(duì)華北油區(qū)潛山油藏巖石導(dǎo)熱系數(shù)與溫度關(guān)系的研究結(jié)果相一致,但兩者均只是定性的研究了溫度的影響,未總結(jié)出適用于該地區(qū)溫度對(duì)巖石導(dǎo)熱系數(shù)的修正公式。
圖6 砂巖導(dǎo)熱系數(shù)與溫度的關(guān)系[37]
可見(jiàn)針對(duì)不同組分的巖石,溫度對(duì)其導(dǎo)熱性能的影響均不相同,對(duì)大多數(shù)巖石來(lái)說(shuō),溫度升高導(dǎo)熱性能降低,但玻璃質(zhì)的熱導(dǎo)率隨溫度的升高而增大[39]。研究表明砂巖、花崗巖均隨溫度升高導(dǎo)熱系數(shù)降低,但玄武巖隨溫度的升高出現(xiàn)導(dǎo)熱系數(shù)變大的現(xiàn)象[40]。陳馳等[41]總結(jié)了眾多學(xué)者對(duì)溫度與熱導(dǎo)率間提出了多種計(jì)算模型和經(jīng)驗(yàn)公式,建議在應(yīng)用溫度與導(dǎo)熱系數(shù)的變化規(guī)律時(shí),一定要針對(duì)巖性選擇相應(yīng)的規(guī)律。
在中深層地?zé)?、巖土工程等領(lǐng)域中,研究導(dǎo)熱系數(shù)最理想的目標(biāo)是獲取連續(xù)地層的原位導(dǎo)熱系數(shù),然而目前大多數(shù)工程是通過(guò)取樣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室測(cè)試研究影響因素和變化規(guī)律,建立模型預(yù)測(cè)[42- 43];或進(jìn)行原位試驗(yàn)獲取平均導(dǎo)熱系數(shù)[44- 45]。獲取連續(xù)地層導(dǎo)熱系數(shù)較為困難,對(duì)所研究的幾種預(yù)測(cè)方法進(jìn)行了總結(jié)歸納。
地球物理測(cè)井主要的優(yōu)點(diǎn)在于可以較為容易且精確的獲取連續(xù)地層的各種數(shù)據(jù)曲線(xiàn),基于多年的理論研究及工程實(shí)例驗(yàn)證,地球物理測(cè)井技術(shù)已經(jīng)發(fā)展較為成熟,有著較高的可信度。
部分學(xué)者采用測(cè)井參數(shù)與導(dǎo)熱系數(shù)的相關(guān)性進(jìn)行公式擬合,但此方法具有明顯的地區(qū)局限性,此處主要介紹利用地球物理測(cè)井曲線(xiàn)對(duì)地層組成成份進(jìn)行分析,再依據(jù)各組分的導(dǎo)熱系數(shù)結(jié)合導(dǎo)熱模型,推測(cè)地層原位導(dǎo)熱系數(shù)的方法。針對(duì)砂泥巖剖面,泥質(zhì)含量以自然伽馬為主、孔隙度以聲波時(shí)差為主計(jì)算。
體積解釋模型為
Vsh+Vsand+Φ=1
(3)
式(3)中:Vsh為泥質(zhì)含量;Vsand為砂巖含量;Φ為孔隙度。
泥質(zhì)含量采用德萊賽公司在美國(guó)海灣地區(qū)的經(jīng)驗(yàn)公式,可表示為[46]
(4)
(5)
式中:SH為泥質(zhì)含量指數(shù);GR為自然伽馬的測(cè)井值;GRmin為純砂巖自然伽馬最小值;GRmax為純泥巖自然伽馬最大值;GCUR為希爾奇系數(shù)。
(6)
Δt=AC+ACER
(7)
ACER=0.236 4DEP-256
(8)
式中:Δt為地層聲波時(shí)差測(cè)井值;Δtma為巖石骨架聲波時(shí)差;Δtf為孔隙流體聲波時(shí)差;AC為地層聲波時(shí)差實(shí)測(cè)值;DEP為地層深度;ACER為地層壓實(shí)校正值。
巖石總體導(dǎo)熱系數(shù)的計(jì)算公式為
λs=λ1V1λ2V2…λnVn
(9)
式(9)中:λs為巖石總體導(dǎo)熱系數(shù);λ1,λ2,…,λn為巖石各組分導(dǎo)熱系數(shù);V1,V2,…,Vn為巖石各組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)。
王良書(shū)等[47]利用上述分析方法對(duì)東營(yíng)盆地的地層測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行了分析,并結(jié)合分散導(dǎo)熱計(jì)算模 型,計(jì)算出1 100~1 250 m的原位地層導(dǎo)熱系數(shù),但由于缺少實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),未能對(duì)預(yù)測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證;馬峰等[28]對(duì)松遼盆地松科2井進(jìn)行了分析,其是中國(guó)目前沉積盆地中探測(cè)深度最大的科學(xué)鉆探井,依據(jù)ECS元素俘獲測(cè)井準(zhǔn)確獲取巖石礦物垂向變化特征,從而計(jì)算出導(dǎo)熱系數(shù)與取芯巖樣數(shù)據(jù)對(duì)比驗(yàn)證了方法的準(zhǔn)確性;Merkle等[48]利用地球物理測(cè)井對(duì)圣安東尼奧附近地層的導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行了預(yù)測(cè);Fuchs等[49]利用測(cè)井資料對(duì)北德意志盆地巖石礦物組分進(jìn)行分析,從而對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行了預(yù)測(cè)。采用上述方法對(duì)關(guān)中盆地某地?zé)峋臏y(cè)井資料進(jìn)行了處理。圖7為2 000~2 250 m地層砂質(zhì)、泥質(zhì)、孔隙度三者的變化情況,依據(jù)式(9)計(jì)算導(dǎo)熱系數(shù)與取芯巖樣測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,驗(yàn)證了此方法的準(zhǔn)確性。
圖7 地層組成成份比例
利用地球物理測(cè)井分析礦物組分預(yù)測(cè)導(dǎo)熱系數(shù)的方法具有獲取數(shù)據(jù)方便、資料連續(xù)等優(yōu)點(diǎn),但其精度相對(duì)較低,適用于深度較深且地層巖性以砂、泥巖為主的鉆孔,對(duì)大范圍地層導(dǎo)熱系數(shù)的分析較為快速;此方法對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行預(yù)測(cè)時(shí)忽略了溫度和壓力的影響,需要后續(xù)進(jìn)行一定的修正。
原位熱響應(yīng)測(cè)試法是一種廣泛應(yīng)用于獲取地?zé)徙@孔內(nèi)巖土體導(dǎo)熱特性的方法[50],熱響應(yīng)測(cè)試的方法可確定巖土導(dǎo)熱系數(shù)和熱阻[51],隨后受到眾多學(xué)者的關(guān)注,發(fā)展成為重要的技術(shù)手段,主要可分為:一是利用地埋換熱管進(jìn)水、回水的水溫變化,通過(guò)線(xiàn)、柱熱源模型推算整個(gè)地層的平均導(dǎo)熱系數(shù)[52-53],目前大多數(shù)地源熱泵項(xiàng)目采用的是此方法,具有獲取數(shù)據(jù)方便的優(yōu)點(diǎn),但計(jì)算出的導(dǎo)熱系數(shù)為平均值,無(wú)法獲取不同層位的熱物性參數(shù),不夠精確;二是獲取鉆孔在測(cè)試過(guò)程種任意深度的溫度變化,通過(guò)計(jì)算模型推求任意深度的地層導(dǎo)熱系數(shù)[54],此方法較為精確,但對(duì)測(cè)試設(shè)備要求等較高,所需數(shù)據(jù)較多,目前普遍通過(guò)光纖監(jiān)測(cè)獲取任意深度處巖土體的溫度,計(jì)算相應(yīng)深度巖土體的導(dǎo)熱系數(shù)[55]。
基于拉曼散射光的分布式溫度傳感技術(shù)具有高靈敏度、抗干擾強(qiáng)、分布式等優(yōu)點(diǎn)廣泛用于環(huán)境溫度測(cè)試的各個(gè)領(lǐng)域[56-57]。1990年,Sharma等[58]首次將光纖應(yīng)用于地?zé)峋?,測(cè)得了全井段地層溫度的實(shí)時(shí)變化情況,驗(yàn)證了光纖在此領(lǐng)域的應(yīng)用前景廣闊。
熱響應(yīng)測(cè)試時(shí)加熱鉆孔,采用線(xiàn)熱源模型,地層溫度升高與導(dǎo)熱系數(shù)的關(guān)系滿(mǎn)足:
(10)
式(10)中:T0為初始溫度,℃;T為地層測(cè)試溫度, ℃;q′為單位長(zhǎng)度熱源加熱功率,W/m;t0為與熱源尺寸、熱源與介質(zhì)接觸面有關(guān)的時(shí)間系數(shù),s;t為加熱時(shí)間,s;d為常數(shù)。
又因?yàn)榫€(xiàn)熱源尺寸效應(yīng)很小,即t0?t,所以ln(t+t0)≈lnt,因此可求得導(dǎo)熱系數(shù)λ為
(11)
式(11)中:t1、t2為不同時(shí)刻;T(t1)和T(t2)分別為t1、t2時(shí)刻的地層測(cè)試溫度。
通過(guò)式(11)選取不同時(shí)刻地層的溫度,可計(jì)算出地層的導(dǎo)熱系數(shù)。
海那爾·別克吐?tīng)栠d等[59]利用分布式溫度傳感技術(shù)對(duì)4種常見(jiàn)土的導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行測(cè)試,并分析了滲流對(duì)其的影響。肖衡林等[60]基于分布式光纖傳感技術(shù),分析了巖土體含水量對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)的影響。周眾欽等[61]采用分布式熱響應(yīng)試驗(yàn)和主動(dòng)加熱光纖的熱響應(yīng)試驗(yàn)兩種不同方法對(duì)常州市金壇地區(qū)不同深度地層的導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行了預(yù)測(cè),比較了兩種方法的優(yōu)缺點(diǎn),發(fā)現(xiàn)后者具有耗時(shí)更短耗能更低的優(yōu)勢(shì)。朱秉森等[62]利用北京順義某在建工程光纖實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)巖土層導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行了預(yù)測(cè),分析了巖土體溫度在垂向上的分布。
通過(guò)光纖監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)導(dǎo)熱系數(shù)的方法有精度高、地層適應(yīng)性廣的優(yōu)點(diǎn),憑借光纖分布式的特點(diǎn),可以獲得任意深度處地層溫度,從而進(jìn)行預(yù)測(cè);但由于其設(shè)備安裝較為困難、測(cè)試時(shí)間長(zhǎng),一般適用于深度較淺的地層;光線(xiàn)監(jiān)測(cè)能夠?qū)崟r(shí)反映地下小范圍的溫度變化,且考慮了溫度、壓力的影響,可以直接反映地層的實(shí)際導(dǎo)熱系數(shù)。
詳細(xì)介紹了多種影響因素對(duì)巖石導(dǎo)熱系數(shù)的影響規(guī)律;探討了預(yù)測(cè)巖石導(dǎo)熱系數(shù)的兩種主要方法的優(yōu)缺點(diǎn)和適用性,并分析了目前亟需解決的問(wèn)題,得出以下結(jié)論。
(1)巖土體的導(dǎo)熱系數(shù)受多種因素共同作用影響,對(duì)于巖性來(lái)說(shuō),沉積巖大于巖漿巖,砂巖大于泥巖;孔隙度與導(dǎo)熱系數(shù)呈負(fù)相關(guān),但隨地區(qū)、巖性的不同差異較大;巖石密度與導(dǎo)熱系數(shù)呈正相關(guān)關(guān)系;溫度較低時(shí),巖石導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度升高而較快降低,當(dāng)溫度大于150 ℃時(shí),溫度對(duì)砂巖導(dǎo)熱特性的影響效果逐漸減弱,但玻璃質(zhì)的熱導(dǎo)率隨溫度的升高而增大。
(2)依據(jù)測(cè)井資料分析礦物組分對(duì)巖石導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行預(yù)測(cè)具有獲取數(shù)據(jù)方便、資料連續(xù)等優(yōu)點(diǎn),但其精度相對(duì)較低,適用于對(duì)深度較深、大范圍的地層的巖石導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行快速分析;但其未考慮溫度、壓力的影響,還需后續(xù)進(jìn)行修正。
(3)光纖測(cè)溫基于拉曼散射光的分布式溫度傳感技術(shù)具有高靈敏度、抗干擾強(qiáng)、分布式等優(yōu)點(diǎn),可監(jiān)測(cè)鉆孔溫度的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)變化,依據(jù)線(xiàn)、柱等熱源模型可計(jì)算出任意深度的導(dǎo)熱系數(shù),但由于其設(shè)備安裝較為困難、測(cè)試時(shí)間長(zhǎng),一般適用于淺部地層。
(4)目前針對(duì)巖石導(dǎo)熱系數(shù)的影響因素做了大量的研究,成果較為豐富;但想要通過(guò)連續(xù)取芯獲取深部巖石導(dǎo)熱系數(shù)幾乎不可能,只能通過(guò)上述方法對(duì)巖石導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行預(yù)測(cè),然而目前地球物理測(cè)井預(yù)測(cè)在準(zhǔn)確性上還有一定的不足,受區(qū)域差異性限制較大;依據(jù)巖性、孔隙、組分等因素建立更加準(zhǔn)確的導(dǎo)熱系數(shù)計(jì)算模型是今后重要的研究方向;光纖監(jiān)測(cè)雖然準(zhǔn)確性較高,但受設(shè)備限制如何將其應(yīng)用到深部地層也是急需解決的難題。