微波作用下龙马溪页岩物理性质实验测试与分析

衣宏学，刘红岐，辛炯垄，张雨桐，邓 羽

（西南石油大学 地球科学与技术学院，四川成都 610500）

经过多年的勘探，探明我国页岩气的技术可采资源量达到了36×1012m3，稳居世界第一。近年来，国家出台了许多政策来推动页岩气产业的发展，未来页岩气将是我国的重中之重。但开采页岩气不仅会消耗大量水资源，还可能造成地下水污染。同时，页岩气储层具有渗透性差、吸附气含量大等特性，常规技术不易开采[1]。为了对页岩气有更多的了解，探索开采新方法，本次实验的目的为：了解页岩气的生成及吸附原理，了解微波化学，通过对比实验来了解微波作用下龙马溪页岩物理性质的变化，主要探究微波能否促进页岩气的解吸。若微波能成功运用于页岩气开采，将有助于提高页岩气产量，保护生态环境。

1 页岩基础性质测量实验

1.1 基础参数

使用直尺及游标卡尺等计量工具测量岩心的基础参数，岩心高度h，外径D，内孔径d，重量m等参数并及时记录测量数据。

1.2 物性参数

使用QKY-Ⅱ型气体孔隙度测定仪测定页岩岩心的孔隙度，SKY-Ⅱ型气体渗透率测定仪测定页岩岩心的渗透率，YDS-Ⅲ型岩心电阻声波联测仪测量页岩岩心的电阻率，获得页岩基础参数与物性参数，如图1所示。

图1 P2-V交会图

根据数据处理结果，可以发现使用标准样品钢圆盘的测量数据，来绘制P2-V交会图所拟合得到的公式，其拟合度为0.9947，拟合效果好。带进放入岩心后的平衡压力，计算得到岩心5的孔隙度约为0.4%，岩心6无法计算得到孔隙度值。但这并不是岩心的真实孔隙度，原因有二：①仪器所提供的压力较小，不足1MPa，氮气基本无法进入页岩的孔隙；②样品表面有许多钻取岩心时造成的划痕，有些还比较深，推测这些或大或小的划痕可能是造成此次实验岩心a显示有孔隙性的主要原因。

使用SKY-Ⅱ型气体渗透率测定仪来测量页岩岩心渗透率，将环压调至2MPa，测量压力提高至最大值0.6MPa处，使用最小量程（6～60mL/min）的流量计进行读数。等待1.5h左右后，发现小球基本没有变化，即无读数，可能无气流通过页岩岩心或通过的气流流量太小。推测原因：页岩的渗透性太差、孔隙结构复杂、测量压力较小等无法满足气体通过页岩缝隙的条件，导致流量计基本无任何变化，此为主要原因。或者实验仪器的精度较低，无法检测到气体流量。

使用YDS-Ⅲ型岩心电阻声波联测仪测得两块页岩岩心的电阻均为1 500Ω左右，根据公式ρ=R×S/L，可以计算得到其电阻率约为14Ω·m。

2 页岩粉末的解吸实验

此次实验使用的微波炉为格兰仕P7021TL-7型，输入与输出功率分别为1 180W和700W，微波的额定频率为2 450MHz。实验过程中选择中低火（40%功率输出）进行加热，温度约为55℃。由于没有实验设计出合适的方法来完成实验，所以并未使用电热鼓风干燥箱来进行实验。

2.1 寻找合适材料

通过将数种不同材质的物品放入微波炉，加热一段时间后观察物品的变化，发现黑色橡胶塞、小截输液管和黄色橡胶软管出现软化及烧焦现象。玻璃制品出现发烫现象，白色塞子加热10余分钟后仅出现略微的温度变化，由聚四氟乙烯制成的1mm导管基本无任何变化，PET材料制成的塑料瓶收集器亦只有些许温度变化，微波炉中的托盘经过加热后也出现温度上升现象。排除这些微波加热后会软化变形、烧焦的材料制品，选用剩下的进行实验。

2.2 样品的前期处理

页岩的孔渗性差，对岩心整体进行注气不方便，采用粉末状样品进行实验。使用密封式化验制样粉碎机对岩样进行粉碎处理，取出粉末状岩样后，重复粉碎大颗粒岩样。使用8 000目的细筛来筛选页岩粉末后，将粉末装入密封罐中，然后利用2XZ-4型片式真空泵将密封罐中的空气抽出，最后使用充气加压装置为页岩粉末充饱和甲烷气。

2.3 腔体内收集气体

将已充气且经过卸压的页岩粉末（每克含气量约为0.001g）放入烧杯中，进行加热后收集气体。开始时设想加热后混合气在腔体内呈均匀分布，因此只需要把收集器放在腔体内即可收集到气体，待一段时间后密封取出便可以进行检验。但是取出的混合气中页岩气含量太低，无法使用色谱仪及质谱仪检测。在经过加热的页岩粉末中，发现了一小团泥岩，推测是细筛上残留或者其他原因。

设想增加页岩粉末量，或者使用容量大的收集器来提高气体含量，但是此法需要打开炉门才能密闭收集器，这个过程中会溢出大量混合气，依旧无法收集到合适的混合气（满足检验要求）。

甲烷分子量仅为16，空气约为29，即空气比甲烷重。腔体内甲烷主要处于靠近上部分腔体的空间，采用向下排气法或者排水法收集气体才合理。设计了一个使用向下排气法收集气体的装置（图2），整个装置由两个集气瓶、一个玻璃容器、3个木塞和4根玻璃管组成。但是各个部分连接的弯状玻璃管无法找到，实验室中常用黄色橡胶软管连接玻璃管形成弯管，由于橡胶软管在微波炉中会发生烧焦软化现象，因此无法用于完成实验；若能定做出这种弯管，此装置用于定性分析微波能否促进页岩气的解吸也是适用的。

图2 向下排气法装置

若采用排水法收集则需要在腔体内放置一个装水的容器，在加热情况下水蒸气会充满腔体且此收集法需要以手或者其他夹持装置固定收集器，而实验室中的夹持器基本都是铁质器件，金属类物品放入微波炉中会产生电火花，危险系数高，这种方法亦被淘汰。也设想过使用某种软性材料做成盒子状，上部有可开闭的气体出口，待加热完毕后从出口处收集气体即可，但是加热时混合气体会膨胀，盒子容易发生爆炸，安全系数低，舍去这个方法。

2.4 腔体外收集气体

在腔体外收集混合气的方法为使用一根导管将气体导出腔体后，利用排水法收集。起初尝试用易于找到的输液管充当导管，在实验过程中主要发现了两大问题，分别是：①管子较粗时，炉门无法完全关闭，微波炉不能正常进行加热；②输液管为PVC（聚氯乙烯）材料制成，受热会变形且有烧焦现象产生。因此需要寻找新的导管，一段时间后，发现微波炉炉壁的上方有一个小孔，并且找到一种基本不受温度影响的导管，由聚四氟乙烯材料制成的1mm细管，按照原始方案将导管从炉腔传出，两端分别与放样品的容器与气体收集器连接，而后进行实验。

但在实验过程中，又发现了一个极其严重的问题，微波炉的加热方式为间歇性加热，加热5s左右的时间内有气泡产生，但是5s后微波炉会停止加热，此时无气泡产生且有倒吸现象发生。实验后的腔体内，明显可见装有样品的容器已经由于倒吸，导致整个瓶身全部覆盖着一层页岩粉末。而且加热15s左右后，容器内的空气基本已经排干净，会有部分页岩粉末经由导管中被“吹出”。同时也发现在导管与白色塞子的连接处有烧焦膨胀现象，连接处涂有胶水堵塞缝隙，胶水也不耐高温。

查阅文献后得知，页岩吸附气快速解吸的时间一般为8～24h[2]，尽管在微波作用下速度会提高，也不可能短短数秒完成解吸，因此需要重新设计出一个微波发生器来完成实验。而且页岩储层的温度一般处于60～90℃，未来实验时需要改变加热温度，使加热时的样品温度接近实际储层的温度范围。

2.5 理论设计图

根据实验中出现的各类问题，并结合页岩吸附气的影响因素，设计了一个缺点比较少的装置（图3），理论上此装置获取的数据能够证明在微波作用下可以提高页岩气的解吸速度。

图3 微波加热实验装置

其中，1为量筒，精度尽量高；2是传输气体的导管，最好附带气体流量监测计；3为盛满水的容器；4为托架和夹持器，用于放置盛水容器和固定量筒；5为页岩岩心，从现场取心并进行密封的岩心为最佳样品；6为放置页岩的腔体（带旋转功能），里面有支撑结构固定岩心；7为加热仪器，主要由微波发生器、温度和压力控制仪组成；此仪器应具有温度及压力可控，微波频率可以调节，微波发射及作用方式可选，可持续产生微波的特性。

此装置可以测量不同初始温度及压力，不同微波频率下的页岩气解吸速度。若条件允许最好设计出高精度气体检测仪与收集装置相连接。

3 页岩的加热对比实验

通过将4块干的页岩岩心两两分别放入微波炉与电热恒温鼓风干燥箱进行加热，等待一段时间后观察页岩表面变化。等待合适的时间后，将岩心浸入水中，饱和较长时间后，再次将岩心放入两种仪器中进行加热，等待一段时间后观察页岩表面变化。

实验前选取的4块岩心表面几乎无任何肉眼可见的微裂缝。页岩岩心无论是否浸水，在经过烘箱加热后都没有任何特殊的变化。经过加热实验后，可以发现干岩心经过微波作用后几乎无任何变化；而经过水浸泡的页岩在接受微波加热后有明显的裂缝产生。

有研究者曾经对饱和了原油的岩心进行切片加工，然后使用微波辐射与恒温烘箱两种方式对薄片进行对比实验。进行加热后，发现恒温烘箱加热后的切片没有变化，而微波加热后的切片出现十余条裂缝且原来不明显的晶间缝也有了明显的变宽现象，使用微波对岩心进行加热处理可以促进裂缝的发育。储集层中一般会存在大量的孔隙，其中含有以地层水和油气为主的流体，不同物质对微波的吸收能力有着千差万别的不同，比如石英对微波能的吸收能力还不及水的十分之一。由此可见，微波作用于不同物质时其温度变化差距很大，不同组分的热膨胀系数也大不相同，造成岩心发生了不均匀热膨胀现象，在此过程中会产生很大的热应力，导致岩心会出现很多裂缝。此次实验在微波作用下，饱和部分水的页岩产生了少许裂缝，这一实验结果是符合实际的。

4 结论

1）龙马溪页岩孔隙度和渗透率很低，属于特致密的岩石，且脆性很大。这些特性导致了实验过程中的诸多不便。

2）甲烷与干酪根之间的吸附力主要为色散力（范德华力的一种）。微波具有热效应和非热效应，理论上当微波作用于页岩时能够促进页岩气的解吸；但是由于实验条件的限制，没有获得可靠的数据可以进行佐证。需要对整个实验进行进一步的完善，设计合适的实验仪器和实验步骤，才可能得到可信的实验结果来证明这一想法。

3）饱和部分水的页岩经过微波加热后会产生少许裂缝，而经过烘箱加热的页岩无明显变化。原因是微波作用下页岩不同组分的温度变化差距十分大，岩心会发生不均匀的热膨胀和冷收缩现象，在此过程中会产生很大的热应力，导致岩心出现很多微裂缝。