油页岩原位开采过程中,油页岩在高温流体作用下内在孔隙结构及渗透特征的演化,对其原位有效加热和热解油气的高效产出,具有决定性作用,因此对油页岩孔隙结构和渗透特征随温度的演化规律的研究,具有重要的理论意义和工程应用价值。本文选取抚顺东露天矿油页岩和新疆吉木萨尔油页岩为研究对象,首先通过X射线衍射(XRD)、热重-红外-质谱(TG-FTIR-MS)、低温氮吸附(LTNA)、高压压汞(MIP)、低场核磁共振(NMR)等手段,对油页岩的物性特征、细观全尺度孔隙结构特征及连通性的演化进行了研究,然后利用自主研制的高温三轴渗透实验台对油页岩的宏观渗透特性随温度及孔隙压力的变化规律进行了研究,最后结合前面的结论和前人建立的油页岩原位开采热-流-固(THM)耦合数学模型,对油页岩原位热解过程中的温度传播规律、岩体变形规律及渗透率分布规律进行了分析研究。主要研究内容与结论如下:(1)通过对油页岩无机矿物的温度响应、有机质的热解特征以及气体产物生成规律的研究表明:油页岩XRD衍射峰在500°C之前变化微弱,500°C开始抚顺油页岩主要表现为石英相变及粘土矿物脱水分解,新疆油页岩主要表现为石英相变及碳酸盐类矿物分解。油页岩热重曲线体现出三阶段的失重特征,抚顺油页岩有机质热解阶段为350-523°C,热解与中间产物的二次反应在同一温度区间完成;新疆油页岩有机质热解阶段为390-527°C,阶段内出现了两个明显的失重峰,各阶段的失重起止温度主要与油页岩组成有关。油页岩热解气体产物主要包含H₂、H₂O、CH₄、CO₂以及轻质烃C_nH_m,以有机质热解阶段析出为主;因干酪根变质程度不同及结构差异,新疆油页岩第三阶段(560-690°C)H₂、CO₂及烃类气体的产生说明尚有部分有机质在该阶段发生降解反应。油页岩热解反应特征及产物的析出特征与其组成及含量密切相关,具有区域性特征。(2)联合LTNA与MIP对微观孔隙结构的分析表明:300°C前孔隙结构参数变化不大,主要为油页岩内部孔隙水脱除,无机矿物在热应力作用下微调整所引起。300-650°C区间阶段孔容、比表面积、平均孔径及孔隙度大幅增长,该温度区间内350-550°C主要由有机质热解、油气产物形成的孔隙压以及无机矿物热破裂所引起,该阶段对孔隙结构的影响最大;而550-650°C温度段主要由碳酸盐矿物分解、矿物骨架破裂与坍塌所引起。其中抚顺油页岩以过渡孔、中孔增长为主,孔隙形态500°C开始由圆筒形孔转变为狭缝形孔;新疆油页岩则以中孔、大孔增长为主,增速随温度升高不同步,且LTNA结果显示新疆油页岩比表面积400°C后出现大幅降低,孔隙形态在低温段和高温段为圆筒形孔,300-400°C时为狭缝形孔。常温下油页岩孔隙度极低,升温到650°C时,抚顺油页岩孔隙度增长了12.4倍,新疆油页增长了15.6倍。孔隙结构分形与表面分形结果显示,抚顺、新疆油页岩分别在300°C和400°C出现了分形维数突变,说明该阶段油页岩内部结构调整剧烈。上述结果表明温度作用使油页岩孔隙结构与形态发生根本性改变,因矿物组成、变质程度的差异,孔隙结构演化存在区域性差异。(3)在孔隙结构演化分析的基础上,通过NMR分析了随温度变化油页岩孔裂隙连通性演化规律。温度>300°C时同级别孔隙连通性增强,不同级别孔径间的连通性能明显提高。温度对可动流体孔隙度的影响大于束缚流体孔隙度,可动流体孔隙度对总孔隙度的增加起主要促进作用,并因此使渗透率得到改善。基于核磁渗透率模型所得渗透率与温度关系符合PP模型。(4)油页岩渗透率对温度与孔隙压响应的分析表明:模拟原位注热开采条件下200°C开始油页岩渗透率随温度升高呈规律性变化:200-350°C渗透率变化较小,其中抚顺油页岩存在温度阈值(350°C);350-550°C温度区间,渗透率大幅增长;550-650°C温度段渗透率增速趋缓。渗透率随孔隙压力的增加总体上呈现先快速降低,后缓速降低的趋势;孔隙压力低于2.5MPa时对渗透率的抑制作用明显,高于2.5MPa时渗透率对其不敏感。油页岩渗透率是温度与孔隙压力的二元函数。(5)基于实测参数,通过THM耦合数值模拟,计算了原位注热开采条件下油页岩储层的温度场、位移场及渗流场分布规律。结果表明:储层压裂裂缝可使温度沿裂缝快速传播,有利于油页岩开采;以550°C作为油页岩热解完毕判定标准,71.2m范围内抚顺油页岩完全热解需要1000天,新疆油页岩需要720天;因热膨胀性能差异,注热开采过程中抚顺油页岩储层产生下沉,而新疆油页岩则发生膨胀变形;渗流场的分布特征显示注热开采工艺有利于油气产物的析出而不利于载热流体的热量传输,应采取措施改善油页岩渗透性。