岩土力学 ›› 2025, Vol. 46 ›› Issue (12): 3757-3772.doi: 10.16285/j.rsm.2024.1602CSTR: 32223.14.j.rsm.2024.1602

• 基础理论与实验研究 • 上一篇    下一篇

高温蒸汽作用下催化剂对油页岩孔隙结构及力学特性演化规律研究

张枭1,李利萍1,唐巨鹏1, 2, 3,余泓浩1,赵亚茹1   

  1. 1. 辽宁工程技术大学 力学与工程学院,辽宁 阜新 123000;2. 沈阳大学 环境学院,辽宁 沈阳 110044; 3. 辽宁工程技术大学 新能源研究中心,辽宁 阜新 123000
  • 收稿日期:2024-12-27 接受日期:2025-03-06 出版日期:2025-12-11 发布日期:2025-12-13
  • 通讯作者: 李利萍,女,1983年生,博士,教授,主要从事深部岩体力学特性方面的研究。E-mail: liliping@lntu.edu.cn
  • 作者简介:张枭,男,1999年生,博士研究生,主要从事新能源开发与利用方面的研究。E-mail: 18342852006@163.com
  • 基金资助:
    国家自然科学基金面上项目(No.52374122);内蒙古科技重大专项(No.2021ZD0034-2);辽宁省兴辽英才计划项目(No.XLYC1902106)。

Evolution law of porous structure and mechanical properties of oil shale under catalyst action of high-temperature steam

ZHANG Xiao1, LI Li-ping1, TANG Ju-peng1, 2, 3, YU Hong-hao1, ZHAO Ya-ru1   

  1. 1. School of Mechanics and Engineering, Liaoning Technical University, Fuxin, Liaoning 123000, China; 2. School of Environmental Science, Shenyang University, Shenyang, Liaoning 110044, China; 3. New Energy Research Center, Liaoning Technical University, Fuxin, Liaoning 123000, China
  • Received:2024-12-27 Accepted:2025-03-06 Online:2025-12-11 Published:2025-12-13
  • Supported by:
    This work was supported by the General Program of National Natural Science Foundation of China (52374122), the Inner Mongolia Science and Technology Major Project (2021ZD0034-2) and the Liaoning Xingliao Talent Program Project (XLYC1902106).

摘要: 高温蒸汽作用下催化剂是提高油页岩热解效率及改善渗流通道的有效途径,是油页岩原位注热开采实现工业化的前提。采用试验研究方法,以山东龙口油页岩为研究对象,采用自主搭建的油页岩热解试验系统对经过催化剂浸泡后的油页岩开展高温蒸汽热解试验、低温氮气吸附试验、单轴压缩试验,综合分析了微观孔隙结构参数以及油页岩损伤程度随催化剂浓度变化规律,得到了吸附量、比表面积、孔体积、力学参数等随催化剂浓度的变化规律。主要结论如下:(1)MnSO4、CrCl3溶液浸泡后的油页岩相较于未浸泡催化剂的油页岩质量损失率均有大幅度增加,最大增加幅度分别为6.9%、4.7%。(2)随催化剂浓度升高,油页岩内部孔隙发育主要以小介孔(2~10 nm)为主,Barret-Joyner-Halenda(BJH)孔体积、比表面积均增大;由于小介孔大量发育,平均孔径呈现先增大后减小的趋势;分形维数减小。(3)经过催化热解的油页岩弹性模量均有不同程度的衰减,且随着催化剂浓度增加,衰减程度加剧,弹性模量最大衰减为2.43、3.35 GPa,两者峰值弹性能均小于0.12 MJ/m3。催化剂浓度越高,油页岩热解程度越高,油页岩的吸能、储能及释能性质减弱,而耗能性质增强。

关键词: 油页岩, 催化剂, 孔隙结构, 损伤劣化

Abstract: The use of catalysts under high-temperature steam conditions enhances oil shale pyrolysis efficiency and increases the permeability of flow channels, serving as a prerequisite for the industrialization of in-situ thermal extraction of oil shale. An experimental approach was used to investigate how catalysts affect microscopic pore-structure parameters and the extent of damage to oil shale during high-temperature steam pyrolysis. We independently constructed the oil shale pyrolysis experimental system, and results show that adsorption capacity, specific surface area, pore volume, and mechanical properties vary with catalyst concentration. The main conclusions are as follows: (1) The mass loss rate of oil shale treated with MnSO4 and CrCl3 solutions increases significantly relative to untreated shale, by up to 6.9% and 4.7%, respectively. As catalyst concentration increases, oil shale pores become predominantly small mesoporous (2−10 nm); the Barrett–Joyner–Halenda (BJH) pore volume and specific surface area increase. Owing to the predominance of small mesopores, the average pore size initially increases and then decreases. The fractal dimension decreases. (3) Catalytic pyrolysis reduces the elastic modulus of oil shale to varying degrees, with greater deterioration at higher catalyst concentrations. The maximum decreases in elastic modulus are 2.43 GPa and 3.35 GPa, respectively, and the corresponding peak energy-storage densities are below 0.12 MJ/m3. Higher catalyst concentrations lead to more extensive pyrolysis, with weaker energy absorption, storage, and release, and greater energy consumption

Key words: oil shale, catalyst, pore structure, damage deterioration

中图分类号: TU452
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