非常规油气资源开发已成为国内油气勘探开发的热点，富有机质页岩层系是非常规油气资源攻关研究的重点层段^[1]。通过采用水平井和大规模体积压裂技术，中高成熟度页岩已经在我国多个盆地获得商业开发，中低成熟度页岩因缺少成熟技术尚未实现商业开发。中国石油勘探开发研究院通过攻关研究，认为页岩油地下原位转化技术(In-situ Con‐ version Process，ICP)可能是中低成熟度页岩规模开发的有效技术。页岩油地下原位转化是通过地下电加热方式将页岩中的重质油、沥青和各类有机质大规模转化为轻质油和天然气，并将焦炭和部分杂质等留在地下的技术^[2-4]。页岩油原位转化涉及地质、地球物理、地质工程等多个方面，岩石热膨胀系数的研究对于井眼保护、盖层完整性评估、井壁稳定性、岩石热应力估算以及热场构建具有重要意义^[5-7]。众多学者在对岩石的热膨胀系数研究中取得了丰硕的成果。苗社强等^[8]通过热膨胀系数测试表明玄武岩、辉长岩和二辉橄榄岩的热膨胀具有各向同性；刘海涛等^[9]认为由于沉积层理的存在，岩样的轴向和径向热膨胀表现出明显的各向异性；董付科等^[10]通过岩石力学试验认为富有机质油页岩中有机质热解对岩石的热变形具有显著影响；Gabova等^[11]通过实验分析显示富有机质页岩热膨胀系数随有机碳含量升高呈指数型增大；郤保平等^[12]通过对原位应力状态下花岗岩的热变形特征研究后，认为应力和温度对花岗岩热膨胀系数均具有较大影响。目前关于岩石热膨胀系数的研究较为局限，由于岩石热膨胀系数的影响因素众多，研究对象主要聚焦在花岗岩、砂岩、辉长岩和浅层油页岩等，实验测试环境很少是高温高压的，已发表的实验数据无法为富有机质岩石热膨胀系数研究提供有利依据。

优选鄂尔多斯盆地延长组长7段有代表性的岩心样品，开展不同岩石在不同温度下的热膨胀系数测试，以期探究不同有机质丰度时岩石热膨胀系数与温度之间的关系，为原位转化过程中热场模拟、井眼布置提供参考。

鄂尔多斯盆地是一个多旋回叠合的克拉通盆地，盆地内三叠系延长组是我国陆相地层中发育最全的三叠系地层剖面。盆地边缘变形较强，主体部位构造简单，根据盆地基岩埋深以及现今构造等基本条件，将盆地划分为6个二级构造单元：伊盟隆起、渭北隆起、晋西挠褶带、伊陕斜坡、天环坳陷以及西缘逆冲带(图 1a)。三叠系延长组形成了一套冲积扇及扇三角洲-河流-湖泊相陆源碎屑岩沉积体系，按照沉积旋回将延长组自下而上划分为10个油层组，分别代表湖盆形成、扩张、坳陷、萎缩和消亡的过程。其中长7沉积期是延长期湖盆发育的鼎盛时期，以半深湖—深湖相沉积为主，湖盆范围最广，地层厚度为80~120 m，岩性以深灰色、灰黑色泥岩、页岩为主，是最重要的烃源岩分布区^[13-15] (图 1b)。将延长组划分为1个长期旋回和5个中期旋回(SQ1—SQ5)，长7段属于中期旋回SQ3^[16]。自下而上可将长7划分为长7₃、长7₂、长7₁共3个沉积系列，其中长7₃亚段快速湖侵，湖水深度和范围急剧增大，深水面积可达55 000 km²，最大水深60 m，水生生物和浮游生物繁盛，富有机质页岩有机碳(TOC)含量高，平均TOC 值为13.75%，有机质类型以Ⅰ，Ⅱ₁型干酪根为主，氢指数较高，最高可达750 mg/g，有机质成熟度分布范围较大，R_o值为0.6%~1.2%，大多为0.7%~0.9%。

图 1

Fig. 1

下载原图 图 1 鄂尔多斯盆地构造单元划分、研究区位置(a)及三叠系延长组岩性地层综合柱状图(b)(据文献[17]修改) Fig. 1 Tectonic units, location of the study area(a)and stratigraphic column of Triassic Yanchang Formation(b)in Ordos Basin

热膨胀系数测试采用DIL 402 SE型热膨胀仪，校正标样采用氧化铝棒，测量分辨率达2nm。测试原理为样品膨胀时，其压力传感器接收到样品膨胀的信号，推杆会在线性导轨的引导下向后移动，从而通过光学解码器实时、连续地测量相应的长度变化(图 2)。

图 2

Fig. 2

下载原图 图 2 热膨胀系数测量系统原理示意 Fig. 2 Schematic diagram of thermal expansion coefficient measurement system

热膨胀系数在测量过程中，仅与温度变化和样品形变有关，计算公式为

式中：α(T)为样品膨胀系数，与温度相关，℃^-1；L₀是样品初始长度，mm；dL(T)为样品在温度区间dT内的长度变化量，mm。

选取鄂尔多斯盆地长7页岩层段不同岩性、不同TOC含量的样品，分别在室温(RT)~75℃以及高温100~600℃下测量样品垂直层理和平行层理2个方向的热膨胀系数，升温速率为3.0℃/min，测试环境为惰性气体氩气(Ar)环境。为研究富有机质岩石热膨胀系数的各向异性，同时避免温度过高引起岩石结构和性质发生不可逆的变化，实验设计采用2个阶段的测量思路。首先测量RT~75℃下岩石热膨胀系数，再进行100~600℃时较宽温度区间的升温实验。

鄂尔多斯盆地三叠系延长组长7页岩层系岩石热膨胀系数测试结果显示，不同岩性热膨胀系数差异明显，RT下在垂直层理和平行层理方向，页岩热膨胀系数最高，分别为43.78×10^-6℃^-1和19.32× 10^-6℃^-1；泥质粉砂岩热膨胀系数最低，分别为1.63× 10^-6℃^-1和3.76×10^-6℃^-1(表 1)。

表 1(Table 1)

表 1 鄂尔多斯盆地三叠系长7岩石样品热膨胀系数及各向异性参数 Table 1 Thermal expansion coefficients and anisotropy parameters of rock samples from Triassic Chang 7 in Ordos Basin 样品编号 深度/m 岩性 TOC/% RT时热膨胀系数/(10-6℃-1) RT~75℃时各向异性因子K 100~600℃时热膨胀系数/(10-6℃-1) 均匀性系数β 垂直层理 平行层理 垂直层理 平行层理 垂直层理(β⊥） 水平层理(β∥) 6-30 1555.25 泥质粉砂岩 0.16 7.80 8.24 0.95 7.80~26.44 8.24~24.82 1.31 1.22 7-10 1560.25 灰黑色泥岩 2.32 9.79 10.94 0.89 7.33~18.81 9.95~18.75 1.02 0.72 10-39 1585.15 黑色页岩 18.60 30.13 15.43 1.95 -3.23~62.51 8.75~21.21 1.43 0.76 11-6 1588.41 炭质泥岩 5.00 8.48 9.27 0.91 8.48~24.91 9.27~18.42 1.13 0.73 11-21 1590.21 灰黑色泥岩 3.17 7.05 9.93 0.71 6.26~15.61 7.64~16.03 1.01 0.80 3-10 1235.57 粉砂质泥岩 2.36 4.17 6.61 0.63 4.17~12.48 6.6卜14.88 1.00 0.76 5-29 1376.21 泥质粉砂岩 1.05 1.63 3.76 0.43 1.63~19.65 3.76~17.03 1.68 1.43 8-1 1394.75 砂质页岩 6.01 15.22 19.32 0.79 1.07~24.37 0.09~26.23 1.37 1.52 7-11 1388.65 黑色页岩 13.07 26.18 15.77 1.66 -0.47~92.95 5.89~28.78 1.83 1.24 7-36 1391.93 黑色页岩 35.37 43.78 16.18 2.71 -26.24~113.36 7.55~21.98 1.99 0.94

下载CSV 表 1 鄂尔多斯盆地三叠系长7岩石样品热膨胀系数及各向异性参数 Table 1 Thermal expansion coefficients and anisotropy parameters of rock samples from Triassic Chang 7 in Ordos Basin

实验结果显示，在第1个测量阶段(RT~75℃)，垂直层理和平行层理2个方向上，页岩样品热膨胀系数随温度升高略有增大，泥质粉砂岩、粉砂质泥岩和泥岩样品在2个方向上的热膨胀系数随温度变化不明显(图 3)。

图 3

Fig. 3

下载原图 图 3 鄂尔多斯盆地三叠系长7岩石样品在室温~75℃时热膨胀系数随温度变化规律 Fig. 3 Change of thermal expansion coefficients of rock samples from Triassic Chang 7 at room temperature to 75℃ in Ordos Basin

岩石热膨胀系数的差异是由于不同成岩矿物在晶界处应力积累量不同造成的^[18-19]。成岩矿物的线性膨胀系数本身具有各向异性和岩性差异性，因此不同岩性样品热膨胀系数差异明显。热膨胀系数较大的矿物，其含量对岩石整体形变影响较大；岩石结构、孔隙度、微裂缝以及孔隙流体性质差异也是影响岩石热膨胀系数大小的因素。实验结果显示，室温下热膨胀系数从低到高依次是泥质粉砂岩、泥岩和页岩(图 4)，其中页岩样品热膨胀系数是其他沉积岩的3~20倍。尽管各类岩石热膨胀系数呈现出一定规律，但相同岩性样品之间热膨胀系数差异明显。同为页岩在室温环境中，在垂直层理和平行层理方向上，7-11样品热膨胀系数分别为26.18×10-⁶℃^-1和15.77×10^-6℃^-1；7-36样品热膨胀系数分别为43.78×10^-6℃^-1和16.18×10^-6℃^-1。根据X射线衍射实验分析(表 2)，7-11和7-36样品石英质量分数分别为25% 和24%；长石质量分数分别为34% 和40%；黏土矿物质量分数分别25% 和20%；黏土矿物中伊利石质量分数分别为36% 和37%；伊蒙混层矿物质量分数分别为55% 和56%；TOC值分别为13.07% 和35.37%。在相同岩性样品之间，矿物类型和含量接近时，其热膨胀系数存在差异的主要原因是TOC含量不同。

图 4

Fig. 4

下载原图 图 4 鄂尔多斯盆地三叠系长7岩石样品在室温下的热膨胀系数 Fig. 4 Thermal expansion coefficients of rock samples from Triassic Chang 7 at room temperature in Ordos Basin

表 2(Table 2)

表 2 鄂尔多斯盆地三叠系长7实验样品X射线衍射分析测试结果 Table 2 X-ray diffraction analysis of experimental samples from Triassic Chang 7 in Ordos Basin  % 样品编号 矿物质量分数 黏土矿物相对质量分数 石英 钾长石 斜长石 方解石 黄铁矿 黏土矿物 伊利石 高岭石 绿泥石 伊蒙混层 6-30 54.1 6.8 15.4 5.1 0 11.4 24 0 7 69 7-10 40.8 1.2 2.8 0 0 51.6 5 0 0 95 10-39 30.9 6.0 3.3 4.2 42.0 10.0 17 0 6 77 11-6 35.7 4.8 12.9 3.4 9.7 25.2 14 0 39 47 11-21 34.3 1.0 4.4 0 0 60.3 5 0 1 94 5-29 35.0 6.0 16.0 1.0 1.0 31.0 44 4 10 42 8-1 37.0 13.0 26.0 4.0 2.0 12.0 42 5 13 40 7-11 25.0 17.0 17.0 0.0 16.0 25.0 36 0 9 55 7-36 24.0 14.0 26.0 0.0 15.0 20.0 37 2 5 56 3-10 35.2 1.6 9.7 1.5 0 48.2 — — — —

下载CSV 表 2 鄂尔多斯盆地三叠系长7实验样品X射线衍射分析测试结果 Table 2 X-ray diffraction analysis of experimental samples from Triassic Chang 7 in Ordos Basin

相比于主要成岩矿物的热膨胀系数，有机质的热膨胀系数更大。沥青的热膨胀系数是200×10^-6℃^-1，而干酪根的热膨胀系数是115×10^-6℃^-1，均远大于成岩矿物的热膨胀系数(16~50)×10^-6℃^-1[20-22]。在富有机质岩石热膨胀特性研究中，主要造岩矿物和黏土矿物含量对富有机质页岩热膨胀系数的影响要小于有机质对其的影响。在75℃以下，分析岩石热膨胀系数与TOC含量之间的关系，结果显示不论是垂直层理还是平行层理方向，岩石热膨胀系数均随TOC含量升高而增大(图 5)。

图 5

Fig. 5

下载原图 图 5 鄂尔多斯盆地三叠系长7岩石样品热膨胀系数与TOC含量之间的关系 Fig. 5 Relationship between thermal expansion coefficients and TOC of rock samples from Triassic Chang 7 in Ordos Basin

矿物成分相近的岩石，TOC值越大，岩石热膨胀系数越大；不同岩性样品，TOC值越大，热膨胀系数也越大。实验结果表明TOC含量是影响岩石热膨胀系数的重要因素之一。该认识对页岩油原位转化技术的研究具有重要启示，即在优选原位转化“甜点区”时，理论上高TOC含量的页岩在地下原位加热过程中可以生成更充足的油气^[23]，但应充分考虑TOC值对岩石热膨胀性的影响，高TOC含量使岩石热膨胀系数更大，不仅会增加井壁垮塌风险，也影响加热器寿命和井眼稳定性。

实验结果显示，鄂尔多斯盆地三叠系长7富有机质段岩石热膨胀系数具有明显的各向异性，在相同条件下，垂直层理方向热膨胀系数是平行层理方向的1~3倍，该结论与西西伯利亚盆地Bazhenov和Abalak地层页岩以及中国辽宁抚顺油页岩热膨胀系数各向异性特征相同^{[11, 24]}。温度为RT~75℃时，计算不同岩性样品热膨胀系数各向异性因子K (K =垂直层理方向热膨胀系数/平行层理方向热膨胀系数)，其中页岩样品7-36热膨胀系数各向异性因子为2.71，泥岩样品7-10和泥质粉砂岩样品6-30热膨胀系数各向异性因子分别为0.89和0.95(参见表 1)。统计分析不同岩石类型样品K值，发现页岩样品K值均大于1，表现出较强的各向异性；泥质粉砂岩和泥岩样品热膨系数各向异性因子略小于1，在垂直层理和平行层理2个方向上，岩石热膨胀系数表现出微小差异(图 6)。

图 6

Fig. 6

下载原图 图 6 鄂尔多斯盆地三叠系长7岩石样品热膨胀系数各向异性特征 Fig. 6 Anisotropy factors of thermal expansion coefficients of rock samples from Triassic Chang 7 in Ordos Basin

在全温度范围内计算实验样品的均匀性系数β，用于反映岩石样品热膨胀系数的均匀程度，β=[α(T)_最大-α(T)_最小]/α(T)_平均。泥质粉砂岩样品6-30和5-29在垂直层理方向(β_⊥)和平行层理方向(β_∥) 的均匀性系数差值为0.09~0.25；泥岩样品7-10，11-6，11-21和3-10的β_⊥和β_∥的差值为0.21~0.40；页岩样品10-39，8-1，7-11和7-36的β_⊥和β_∥的差值为0.15~1.05。这一实验结果显示在垂直层理和平行层理2个方向上，不同岩性的岩石热膨胀系数均匀性差异明显，页岩差值最大，泥岩次之，泥质粉砂岩最小，说明页岩样品热膨胀系数均匀性最低，各向异性特征最显著，泥岩样品次之，泥质粉砂岩样品热膨胀系数均匀性最高，各向异性较弱。

通过岩石薄片镜下观察显示，富有机质页岩样品在垂直层理方向“草莓状”黄铁矿发育，有机质纹层呈黑色条带状连续分布(图 7a)，在平行层理方向有机质杂乱分布(图 7b)；泥质粉砂岩样品TOC含量较低，垂直层理方向未见明显的有机质条带，以砂质纹层和黏土状纹层为主(图 7c)，平行层理方向有机质呈点状分散分布(图 7d)。在岩石热膨胀过程中，有机质对热膨胀系数的贡献远大于成岩矿物，因此在垂直层理方向，页岩热膨胀系数大于平行层理方向。在砂泥岩纹层中，有机质对岩石热膨胀系数的贡献减少，各向异性特征相对减弱。富有机质岩石热膨胀系数各向异性特征研究对于页岩油原位转化在工程建设上具有重要指导意义，在井径设计时，充分考虑岩石热膨胀特性，可以有效避免由于热膨胀系数各向异性所造成的井径误差。

图 7

Fig. 7

下载原图 图 7 鄂尔多斯盆地三叠系长7岩石样品在不同方向上镜下特征 （a）矿物沥青基质条带和薄层页岩条带相间排列，可见分散碎屑石英和粒状黄铁矿，垂直理方向，样品7-11，1388.65 m，单偏光；（b）可见少量藻团，平行层理方向，样品7-11，1 388.65 m，单偏光；（c）分散石英碎屑，沥青基质和黏土矿物填充，垂直层理方向，样品5-29，1376.21 m，单偏光；（d）分散状有机质分布，平行层理方向，样品5-29，1376.21 m，单偏光 Fig. 7 Microscopic features of rock samples from Triassic Chang 7 along different directions in Ordos Basin

页岩样品在加热过程中存在有机质生烃的现象，随温度升高，会生成大量油气。Gabova等^[11]在实验分析后认为TOC含量在干酪根开始分解前对岩石的热膨胀性能几乎没有影响。页岩样品非均质性较强，综合表现为矿物成分、TOC含量、黏土矿物含量的不均匀性，这种不均匀性造成岩石热膨胀系数的差异。充分考虑各种因素的影响，将本次岩石热膨胀系数实验温度上限设置为600℃，并根据TOC含量大小对不同岩石进行分类讨论。结果显示，TOC <5%的岩石样品，在RT~75℃温度条件下，岩石热膨胀系数变化微弱(参见图 3)，在100~ 600℃时，随温度升高，岩石热膨胀系数在垂直层理和平行层理2个方向上均呈“近指数型”增大(图 8)。

图 8

Fig. 8

下载原图 图 8 鄂尔多斯盆地三叠系长7岩石样品（TOC<5%）在不同方向上热膨胀系数随温度变化的规律 Fig. 8 Thermal expansion coefficients changing with temperature of rock samples from Triassic Chang 7 along different directions in Ordos Basin(TOC<5%)

当岩石样品的TOC≥ 5%时，由于干酪根热降解生烃以及岩石加热过程中微裂缝的产生，随温度升高，岩石热膨胀系数呈“四段式”复杂变化。阶段一：200℃以下，在垂直层理和平行层理方向，热膨胀系数随温度升高缓慢升高，这与加热过程中页岩中残留烃类和水分散失有关；阶段二：200~400℃升温过程中，由于黏土矿物对温度敏感性较强，温度升高导致黏土矿物脱水，层间距减小，岩石热膨胀系数出现缓慢下降趋势；阶段三：400~500℃升温过程中，由于干酪根热降解生成大量油气并瞬时释放，同时大量微裂缝生成，岩石热膨胀系数迅速增大随后减小^[25-27]；阶段四：500℃以上，页岩进一步开裂，部分页岩样品热膨胀系数升高，出现“翘尾”现象，由于温度过高，TOC含量较高的页岩样品(10-39，7-36)由于烧结或膨胀错位等原因，热膨胀系数出现负值(图 9)。

图 9

Fig. 9

下载原图 图 9 鄂尔多斯盆地长7页岩层系岩石样品（TOC≥5%）热膨胀系数随温度变化规律 Fig. 9 Thermal expansion coefficients changing with temperature of rock samples from Triassic Chang 7 in Ordos Basin(TOC≥5%)

根据实验数据，分析加热过程中页岩热膨胀系数与密度曲线的变化规律发现，在阶段一中，由于页岩中残留烃类和水分散失，密度曲线出现下降趋势；在阶段二中，由于黏土矿物脱水，密度曲线继续下降；在阶段三中，由于存在干酪根热降解生烃和释放的过程，密度曲线快速下降后又迅速回升；在随后的阶段四中密度曲线逐渐趋于稳定(图 10)。

图 10

Fig. 10

下载原图 图 10 鄂尔多斯盆地长7页岩样品7-11垂直层理方向热膨胀系数与密度随温度变化曲线 Fig. 10 Thermal expansion coefficients and density changing with temperature of rock sample 7-11 from Triassic Chang 7 along vertical directions in Ordos Basin

影响富有机质岩石热膨胀系数的不仅有岩石成分、结构、裂缝发育程度、温度等因素，孔隙流体类型以及地层压力也是重要的影响因素。本次分析测试的长7富有机质段岩石样品埋藏较深，孔隙度均值小于3%，样品采集后密闭保存，故可忽略孔隙流体的影响。由于实验分析测试是在室内完成，并且加热后岩石热膨胀特性不可逆转，因此未能观测到压力、温度同时升高时，富有机质页岩热膨胀系数的变化特征。不同学者针对压力与岩石热膨胀系数之间关系的研究大多数聚焦于常温下花岗岩、碳酸盐岩以及砂岩样品^{[17, 28-30]}，实验研究表明，在相同温度下，岩石热膨胀系数随压力升高而减小，在岩石热膨胀产生裂缝的过程中，只要压力大于岩石热开裂和其他非弹性效应所需的最小值时，围压影响便很小^[31]。

不同学者在测量岩石热膨胀过程中使用的测试仪器有所不同，这些仪器均不能同时满足地下实际温压条件，无法获取实际工业需求的岩石热膨胀系数。因此，对于页岩油原位转化工程而言，需要继续探索开发满足三轴应力测试条件的实验仪器，将测试条件从实验室环境向地下实际条件发展，最终实现实验参数向工程参数转化的目标。

(1) 鄂尔多斯盆地三叠系长7富有机质段不同岩性热膨胀系数差异明显。岩石热膨胀系数随TOC含量升高而增大，室温下热膨胀系数由低到高依次是泥质粉砂岩、泥岩和页岩。由于岩石的热膨胀性能会影响到井眼稳定性、盖层封堵完整性等工程问题，因此该项研究可为原位转化“甜点”层段优选提供依据。

(2) 岩石热膨胀系数对温度敏感性较强。随温度升高，TOC<5%的岩石热膨胀系数“近指数型”增大；TOC≥5%的岩石，由于受干酪根热降解以及微裂缝产生的影响，热膨胀系数随温度升高表现出“四段式”变化特征。

(3) 鄂尔多斯盆地三叠长7段岩石热膨胀系数存在明显的各向异性，其中富有机质页岩热膨胀系数各向异性最强，垂直方向是水平方向1~3倍，这与有机质的膨胀系数较大有。