油页岩性能检测及其结果分析

油页岩性能检测及其结果分析

朱文鉴1王镇泉2

（1.北京探矿工程研究所，北京，100083；2.中国石油大学（北京），北京，102249）

摘要：本文介绍了吉林扶余矿区和辽宁野马套海矿区的油页岩物理特性和力学特性的检测结果，结合油页岩的物理力学特性数据，作者分析了在油页岩矿区进行钻探施工采用PDC钻头的适应性和泥浆体系的优选结果。为油页岩矿区进行地质勘探施工的钻头选型和泥浆体系优选提供一定的参考。

关键词：油页岩、适应性、试验分析

油页岩是一种高灰分(>40%)的固体可燃有机矿产，低温干馏可获得类似天然石油。它由无机物和有机物组成，常见的无机物有石英、粘土、长石碎屑物、碳酸盐等，有时还含有铜、钴、镍、钛、钒等化合物。含油率＞３.５％，有机质含量较高，主要为腐泥质、腐殖质或混合型，其发热量一般大于4186.8kJ/kg，仅次于煤的发热量。油页岩是一种重要的能源，又属非常规油气资源，在提供动力燃料和热电等方面发挥着较大的作用。

我国油页岩资源丰富，居世界第4位。我国油页岩主要分布在20个省和自治区、47个盆地，共有80个含矿区。全国油页岩资源为7199.37亿T，如果将油页岩折算成页岩油，全国页岩油资源为476.44亿T，如果扣除油页岩开发和干馏过程中的损失，全国页岩油可回收资源为119.79亿T。随着我国经济社会高速的发展，能源需求日益增大，油气资源又相对缺乏，急切需要寻找和开发可替代能源，因此开发利用油页岩是重要的可行的发展之路。

1 油页岩力学特性测试

解决油页岩地层的钻探工程问题是加快油页岩勘探开发进程的必要条件。为解决油页岩钻探中存在的技术问题，采集了吉林和辽宁省油页岩矿区的油页岩（见表1、图1），进行了油页岩的物理化学性质、力学性能等指标严格测试。为油页岩钻井液优选、破岩工具研制、钻进规程优化、油页岩开采等提供基础数据。

图1 野外采集的油页岩样品

1.1 压入硬度、塑性系数测试

岩石硬度是岩石抵抗其他物体刻划或压入其表面的能力，其衡量单位是Pa（帕）或者MPa （兆帕）。测量岩石硬度的方法有：静压入法、冲击回弹法、研磨法。石油工业主要是利用静压入的方法测量岩石硬度。

进行压入实验时，如果不需要取得变形曲线，则可不断均匀加压，在20-40s的时间内岩石表面即发生破碎。如果欲获取详细的变形曲线，则在岩石弹性变形区和塑性变形区间，载荷应分次逐渐地增加。岩石从弹性变形至破坏过程中载荷与侵深关系的曲线如图2。

压入硬度为：

式中：H v为岩石硬度，Mpa；P为岩石发生破碎时的压力，N；S为压头的底面积，m2。岩石破碎前所消耗的总能量与弹性变形所消耗能量之比称为岩石的塑性系数，用Kn表示。

按塑性系数的大小将岩石弹塑性分为6级：Kn＝1 称为脆性岩石；1﹤Kn﹤6 称为塑脆性岩石；Kn≧6 称为塑性岩石。

图2 测量岩石压入硬度过程中载荷与侵深关系的曲线

按照上述岩石压入硬度、塑性系数测定方法，对油页岩岩芯进行了测试，将每组岩心所测得的实验数据进行整理，为减小实验人为因素所造成的误差，剔除各组中的最大值与最小值，将其他数据分别进行平均值计算，得出四种油页岩岩样的压入硬度值与塑性系数见表2和图3。

图3 压入硬度、塑性系数检测部分样品

1.2油页岩PDC钻头可钻性测试

岩石可钻性是表示钻进过程中岩石破碎的难易程度。它是决定钻进效率的基本因素，一般而言，可钻性级值越大表明地层越难钻。考虑到油页岩为塑脆性岩石，仅对油页岩做了PDC 钻头可钻性试验。

本可钻性测试在KZX-2型岩石可钻性测定仪（如图4所示）上进行测量，该岩石可钻性测定仪由主机和辅机两部分组成，机电一体化程度较高，实现了在准恒压自动加压加载条件下，由微机控制自动完成测定实验、数据采集和处理的工作过程。对油页岩岩芯进行了PDC钻头可钻性测试，全部岩样的测试结果见附表1。四种油页岩岩样的PDC钻头可钻性值见表3和图5。

图4 岩石可钻性测定仪

图5 岩石PDC可钻性检测部分样品

2 油页岩物理化学特性测试

2.1油页岩含油量、含水率的测定

将试样装于铝甑中，在隔绝空气条件下以一定的升温速度加热到520℃，并保持一定时间(20min)。干馏后测定所得油、水、半焦和干馏副产物的收率。测定使用的仪器、设备如图6、7。

图6 铝甑图7 电炉

干馏产物的分析基收率按下列公式计算: (1)

(2)

(3)

(4)

K=c/m×100.................. (5)

式中：T f—分析基页岩油收率，%(m/m)；T—干基页岩油收率，%(m/m)；m—分析试样质量，g；

a—冷凝物质量，g；b—干馏总水分质量，g；W f z—分析基干馏总水分收率，%(m/m)；W f—分析试样表面水分含量，%(m/m)；W f RT—分析基热解水收率，%(m/m)；K—分析基油页岩半焦收率，%(m/m)；c—油页岩半焦质量，g。

用质量的百分数报告试样的含油率。结果取重复测定两个结果的算术平均值。

将干馏冷凝物与无水溶剂混合，进行蒸馏测定其水分含量，从而计算得出该油页岩试样含油率。本方法仅适用于测定油页岩试样低温干馏得到的冷凝物中的水含量。

试样干馏总水分质量百分含量按式(6)计算:

(6)

式中：V—受器内冷凝物中水的体积，ml；m1—试样的质量，g。

以质量百分数报告试样的含水率，结果取两位小数。油页岩含油率及含水率测量结果见表4。

2.2 油页岩气体渗透率测定

所谓岩石的绝对渗透率就是在均质流体和多孔介质不发生任何物理化学作用，且完全饱和岩石孔隙空间时，均质流体在多孔介质中的渗透率。考虑到储油岩的孔道较气体分子大，而吸附在颗粒表面上的一层气体较薄，因此，用气体（空气或氮气）测定的岩石渗透率。

在实验室中用气体测定岩石的渗透率时，使用如下的计算式：

式中：A——岩样的横截面积，平方厘米；L——岩样长度，厘米；μg——气体粘度，厘泊；p1——气体通过岩样前的压力，0.1兆帕；p2——气体通过岩样后的压力，0.1兆帕；——气体的平均流量，即厘米3/秒；P0=大气压力，0.1兆帕；Q0——在大气压力下测定的气体流量，厘米3/秒。

上面所求得的是指实验室条件下的数值，为了统一起见，要换算成标准温度、压力下的平均流量，此时可按下式计算：

式中T0——实验室测定岩样时的温度。

岩心气体渗透率测量结果见表5。