王建豐等-G4+SR:頁(yè)巖宏觀力學(xué)行為的微觀預(yù)測(cè)及生排烴過(guò)程中頁(yè)巖微觀力學(xué)性質(zhì)的演化
?頁(yè)巖力學(xué)性能的研究對(duì)頁(yè)巖油氣開發(fā)中壓裂改造設(shè)計(jì)以及開展甜點(diǎn)評(píng)價(jià)具有重要意義。傳統(tǒng)的單軸/三軸壓縮試驗(yàn)宏觀力學(xué)實(shí)驗(yàn)存在樣品需求量大、測(cè)試周期長(zhǎng)及樣品不可回收等問(wèn)題。且由于頁(yè)巖的易碎性和弱層理面導(dǎo)致取芯困難,很難為優(yōu)化壓裂設(shè)計(jì)提供力學(xué)參數(shù)的連續(xù)解釋剖面。因此,開發(fā)高效、簡(jiǎn)便且可靠的力學(xué)測(cè)試方法成為非常規(guī)油氣領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。近年來(lái),微觀力學(xué)測(cè)試在頁(yè)巖中的應(yīng)用受到了極大的關(guān)注,然而由于頁(yè)巖具有很強(qiáng)的非均質(zhì)性,通過(guò)微觀力學(xué)測(cè)試準(zhǔn)確獲取并預(yù)測(cè)頁(yè)巖的宏觀力學(xué)行為并不容易,已經(jīng)成為一個(gè)亟需解決的科學(xué)問(wèn)題。
?針對(duì)上述問(wèn)題,中國(guó)科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所博士后王建豐在熊永強(qiáng)研究員、劉大永副研究員和彭平安院士的指導(dǎo)下,選取四川盆地五峰組-龍馬溪組的頁(yè)巖樣品,借助三軸壓縮,微米壓痕和納米壓痕(圖1-2)測(cè)試,獲取了頁(yè)巖在宏觀和微觀上的楊氏模量。通過(guò)Mori-Tanaka(MT)、自洽(SC)和Voigt-Reuss-Hill(VRH)均勻化模型,將納米壓痕和巖石礦物學(xué)升級(jí)方法得到的楊氏模量與微米壓痕和三軸壓縮試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行了比較。結(jié)果表明,基于MT和SC模型的礦物學(xué)預(yù)測(cè)方法得到的模量值比基于MT模型的納米壓痕預(yù)測(cè)方法高,且均超過(guò)三軸壓縮試驗(yàn)值(圖3)。而基于VRH模型的納米壓痕方法與微米壓痕試驗(yàn)所得的模量相近,但略低于宏觀力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果,可作為無(wú)巖心條件下頁(yè)巖宏觀力學(xué)行為的有效預(yù)測(cè)手段。
此外,結(jié)合納米壓痕法與地球化學(xué)分析(礦物成分、有機(jī)質(zhì)含量、有機(jī)質(zhì)化學(xué)結(jié)構(gòu)和Rock-Eval熱解分析),評(píng)估了富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖在生排烴過(guò)程中的微觀力學(xué)性質(zhì)變化。研究表明,有機(jī)質(zhì)力學(xué)性質(zhì)隨成熟度演化可分為主要生油階段和凝析油氣生成階段。頁(yè)巖中有機(jī)質(zhì)的硬化與有機(jī)質(zhì)芳碳率的增加和芳香基團(tuán)的縮合有關(guān)。低成熟度時(shí),粘土基質(zhì)因液態(tài)烴生成而略變軟;但總體上,由于脫水、液態(tài)烴排出或裂解、粘土礦物轉(zhuǎn)化及有機(jī)質(zhì)的硬化,粘土基質(zhì)隨成熟度增加而變硬。頁(yè)巖的楊氏模量和硬度隨成熟度增加而增加,與有機(jī)質(zhì)和粘土基質(zhì)的硬化及更致密的微觀結(jié)構(gòu)發(fā)育密切相關(guān)(圖4)。

圖1 頁(yè)巖和泥灰?guī)r上網(wǎng)格納米壓痕的掃描電子顯微鏡-X射線能譜儀(SEM-EDS)圖。Qtz:石英;Fs:長(zhǎng)石;Kfs:鉀長(zhǎng)石;Ab:鈉長(zhǎng)石;Cly:粘土礦物;Cal:方解石;Dol:白云石;Py:黃鐵礦;Ap:磷灰石;OM:有機(jī)質(zhì);Uc:未識(shí)別。

圖2 網(wǎng)格納米壓痕(P=4.8 mN)和微米壓痕(P?=400 mN)示意圖,P?=4.8 mN壓痕點(diǎn)在單礦物或礦物界面上和P?=400 mN壓痕點(diǎn)位于頁(yè)巖多相復(fù)合體上

圖3?預(yù)測(cè)的模量與靜態(tài)楊氏模量的結(jié)果(a)和相對(duì)誤差的比較(b)

圖4? ECM與EOM(a)、HCM與HOM(b)的關(guān)系;EBS和EOM(c)、HBS和HOM(d)、EBS和ECM(e)以及HBS和HCM(f)。有機(jī)質(zhì)楊氏模量(EOM)、粘土基質(zhì)楊氏模量(ECM)和頁(yè)巖楊氏模量(EBS);有機(jī)質(zhì)硬度(HOM)、粘土基質(zhì)硬度(HCM)和頁(yè)巖硬度(HBS)
?上述實(shí)驗(yàn)探究對(duì)于預(yù)測(cè)頁(yè)巖的宏觀力學(xué)行為以及為頁(yè)巖油地下原位轉(zhuǎn)化的工程應(yīng)用具有重要的理論意義。研究成果發(fā)表在地學(xué)領(lǐng)域國(guó)際重要期刊《Geomechanics and Geophysics for Geo-Energy and Geo-Resources》和綜合期刊《Scientific Reports》上。研究得到了國(guó)家資助博士后研究人員計(jì)劃(C檔)(GZC20241735),中國(guó)博士后科學(xué)基金面上資助(2024M763277),國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(42272182和42002158),廣州市基礎(chǔ)和應(yīng)用基礎(chǔ)研究項(xiàng)目(批準(zhǔn)號(hào)2023A04J0208)和甘肅省油氣資源研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金(SZDKFJJ2023009)等共同資助。
論文信息:
Jianfeng Wang(王建豐), Chao Yang*(楊超), Yan Guo (郭炎), Yuke Liu(柳宇柯), Wenmin Jiang(蔣文敏), Yadan Luo(羅亞丹);Yuandong Wu (吳遠(yuǎn)東), Yongqiang Xiong(熊永強(qiáng)), and Ping’an Peng(彭平安). Examining the reliability of current micro-and nano-indentation-based rock mechanical upscaling schemes: A comprehensive comparison with uniaxial/triaxial macroscopic mechanical testing. Geomechanics and Geophysics for Geo-Energy and Geo-Resources, 2025 11, 2-29. DOI: 10.1007/s40948-025-00941-7.
論文鏈接:https://link.springer.com/article/10.1007/s40948-025-00941-7
Jianfeng Wang(王建豐), Dayong Liu*(劉大永), Jianfei Shi(施健飛), Chao Yang(楊超), Yuke Liu(柳宇柯), Guozhi Wang(王國(guó)志), Huijuan Guo(郭慧娟), Peng Liu(劉鵬), Yongqiang Xiong*(熊永強(qiáng)), and Ping’an Peng(彭平安).?Evolution of mechanical properties of organic-rich shale during thermal maturation. Scientific Reports, 2024, 14, 24327. DOI: 10.1038/s41598-024-75035-7.
論文鏈接:https://www.nature.com/articles/s41598-024-75035-7

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