助力頁巖氣高效開採，納米尺度下有機質的力學性質研究應獲更多關注

2020-09-14 科技導報

如何準確測定地層條件下頁巖這種非均質地質材料的力學性質是近年來實現頁巖氣高效開採的難題之一。頁巖內部組分的複雜性以及有機質的富集，使得越來越多的研究者關注納米尺度下物質的力學性質研究。

王曉蕾等人於2020年《科技導報》第12期刊發了《頁巖有機質納米力學性質研究進展》一文，基於近年國內外關於頁巖有機質納米力學性質表徵等方面所取得的研究進展，總結了目前常用的表徵技術、力學性質主要特徵及主控因素，並提出了「多尺度」「多技術」「多角度」「多學科」等工作設想與建議。

頁巖是一種由礦物顆粒（石英、長石、方解石）、黏土礦物聚集體和有機質等組成的天然多尺度非均質性複合體材料。由於頁巖本身特低孔和特低滲的性質，決定了其必須實施水力壓裂等相關措施才能實現頁巖氣的增產。

然而壓裂參數的選取與調整很大程度上取決於頁巖的力學性質，因此如何準確測定地層條件下頁巖這種非均質地質材料的力學性質是近年來實現頁巖氣高效開採的難題之一。

而科學合理的測定頁巖力學性質取決於對頁巖有機組分和無機組分的認識。頁巖內部組分的複雜性以及有機質的富集，使得越來越多的研究者關注納米尺度下物質的力學性質研究。


01、頁巖有機質納米力學性質的研究意義


相對無機礦物而言，頁巖有機質在控制巖石的破裂方面具有不容忽視的作用，其主要原因為：

（1）在熱成熟演化階段中，巖石內部會產生缺陷或者具有不穩定性；

（2）有機質的存在，與巖石較低的韌性或者較高的延展性高度相關。

因此，將有機質作為一個獨立的整體來研究其獨特的力學性質，綜合考慮其在巖石組分中所起的作用，對於搭建有效的微觀-宏觀尺度下的力學模 型，促進對頁巖宏觀尺度下的破裂機理的認識，具有極為關鍵的研究價值和現實意義。


02、頁巖有機質納米力學性質的核心測試技術


納米壓痕法

納米壓痕法是目前測量有機質彈性模量（E）和硬度（H）等力學性質的理想技術。納米壓痕通過對測試對象施加載荷使其產生破壞而達到測試目的，該技術憑藉操作簡易、力學參數求解方便、性價比高等優勢，應用領域和範圍較廣。

雖然該技術在一定程度上測定了有機質彈性模量的極限值，但存在解析度低的問題，而且測定目前大多僅限於彈性模量和硬度，並不能全面體現測試對象的力學性質。

原子力顯微鏡法

原子力顯微鏡法（AFM）憑藉非破壞性、高解析度等優勢，成為研究頁巖中納米級孔隙結構、乾酪根等有機物、礦物及微裂縫的最佳選擇。

與納米壓痕法相比，AFM能對單個組分進行高精度、針對性的彈性模量測試，測試過程中探針的變形程度和受損程度非常小，而且能夠提供出色的高解析度彈性模量色譜圖。而AFM法目前仍存在著技術上的缺陷：

（1）AFM雖然也配備了光學顯微鏡，但在定位有機物等組分過程中所呈現的影像特徵並不明顯且識別度低，因此需要額外藉助掃描電鏡（SEM）對測試組分進行精準定位；

（2）由於頁巖內部高度的非均質性，意味著組分之間的力學性能具有較大的差異，對AFM懸臂的要求也相應較高，需要針對不同組分選擇合適模量的懸臂（不同懸臂所能測量的模量範圍不同）。


03、頁巖有機質納米力學性質主要特徵


彈性模量

關於有機質彈性模量的測試，國內外學者做了大量的研究工作，綜合調研的測試結果分析。

一方面，乾酪根的彈性模量大部分測試結果低於30GPa，而有文獻記載的乾酪根彈性模量值最高可達39GPa；另一方面，乾酪根的彈性模量與其本身的成熟度存在著非常密切的聯繫。隨著成熟度的增加，其彈性模量也呈現增加的趨勢。

另外，瀝青也成為一部分研究工作者重點分析測試的對象。乾酪根熱演化過程中所產生的瀝青往往賦存在相鄰的孔隙中，在AFM高解析度成像中呈現為綠色的影像，這意味著彈性模量處於一個較低的水平。進一步的測試結果表明，隨著成熟度的增加，其彈性模量也呈現增加的趨勢。

硬度

有機質的硬度目前主要基於納米壓痕法測試獲得，綜合測試結果表明，有機質的硬度深受成熟度和溫度的影響，其中乾酪根和瀝青對溫度的敏感性有所差異。目前普遍認為，頁巖這種行為特徵強烈依賴於乾酪根的含量和力學性質。


04、影響頁巖有機質納米力學性質的主要因素


成熟度

Okiongbo等在對Kimmerdge頁巖的研究中發現，頁巖乾酪根由低成熟度到高成熟度演化過程中，密度上升，而且隨著熱演化的進行，芳香化合物內部分子結構發生物理重新取向和排列，在一定程度上減少了整體的缺陷，增強了穩定性。

Li等在對廣東茂名油柑窩組頁巖瀝青的研究表明，固體瀝青的演化表現為2個階段：溼氣階段中（1.85%< Ro<2.64%），C/H比和芳碳化合物含量增加，平均楊氏模量升高；當成熟度到達幹氣階段後（2.46%<Ro<4.59%），瀝青內部分子結構變化程度變小，但總體硬度增加，主要受結構冷凝作用的影響，而且楊氏模量迅速升高。

頁巖氣能夠被「幽禁」在頁巖層內，很大程度取決於有機質生烴與排烴過程中所產生的孔隙。高成熟度下的乾酪根內部發育大量的多種孔徑孔隙，這些孔隙往往被後期生成的水、瀝青、油或氣體所充填，不僅孔隙具有削弱乾酪根整體彈性模量的能力，而且內部的充填物其本身就具有較低的彈性模量值。

Eliyahu等認為在成熟演化過程中，由於有機質內部的冷凝作用，使得有機質內部出現結構上的差異硬化；Curtis等認為有機質在成熟演化過程中，會產生部分次生有機質對原生有機質體進行包裹。有學者針對這一現象進行了假設，認為有機質內可能發生了相變，或者乾酪根內有軟質瀝青包裹體。關於此類結論和推斷目前有待進一步證實，但在一定程度上豐富了人們對乾酪根熱演化理論的認識。

溫度

地層條件下的有機質深受地層溫度的影響。Emmanuel等模擬不同地層條件下的溫度對乾酪根和瀝青一起進行加熱試驗，表明瀝青隨溫度的升高，力學性質呈現非均質性變化，同時也在一定程度上證實了有機質本身也是一種非均質性材料。

進一步分析結果表明，如果已知儲層溫度，則可在一定程度上對標準溫度下乾酪根所測量的力學性質進行校準。同時，乾酪根和瀝青對溫度的敏感性在一定條件下也可作為其鑑別這兩者額外的參考指標。

05、中國頁巖有機質納米力學性質表徵的建議

如何科學合理地表徵頁巖有機質納米力學性質，建立微觀與宏觀的多種高效的、適用於複雜地質條件下的巖石力學物理模型，對於促進中國頁巖氣的高效開採意義重大，同時也是目前亟待解決的現實問題。對此提出以下設想與建議。

多尺度聯合表徵與加強數值模型的建立

有機質原位力學性質的表徵技術，為我們提供了直接探測納米尺度下組分的物理力學性質機會，由此，有必要發展多尺度結構模型的思想。通過各種微觀機械模型組合的建立，推進分析宏觀尺度下頁巖複雜的力學性能。

對有機質進行「多尺度」的聯合表徵，需要深化有機質納米力學變化規律、影響因素、應變-應變機理等方面的認識，搭建相對有效的與巖石物理宏觀-微觀多尺度力學相關的數值模型，對於鑽井、地震勘探、壓裂等許多工作的成功與高效實施至關重要。

多技術聯合投入與加強核心技術的創新

為了達到預期的實驗測試效果，往往需要藉助額外的實驗設備和儀器進行前期樣品的分析和處理，整個實驗測試是一個「多技術」聯合投入使用的過程，而且其複雜程度決定了對儀器的耐受性、適用性等方面的要求越來越高。

加強核心技術的創新，逐漸形成多功能一體化測試系統，完善測試儀器之間功能的銜接性與可調性，提高加熱與冷卻、掃描與定位等功能的精度，增強測試體系的智能自動化，減少外界環境或人為所帶來的不確定因素。

多角度聯合分析與加強各向異性的研究

對有機質進行「多角度」的聯合表徵，加強沉積地質學、巖石力學、巖石物理與地球物理學等相關學科的基礎理論研究，深化有機質納米力學變化規律、影響因素、應變-應變機理等方面的認識，搭建相對有效的巖石物理宏觀-微觀各向異性力學模型，對於鑽井、地震勘探、壓裂等許多工作的成功與高效實施至關重要。

多學科聯合攻關與加強相關領域的合作

加強沉積地質學、巖石力學、巖石物理與地球物理學等相關學科的基礎理論研究，特別是充分運用頁巖有機地球化學和地質力學等多學科相關理論與技術聯合攻克表徵納米力學性質過程中存在的問題，加強不同學科領域之間的合作，對於建立強大的地質模型以獲取非常規資源和提高油氣生產效率，具有一定指導實踐的意義。


本文作者：王曉蕾，司樹傑，阿竇

作者簡介：王曉蕾，博士，研究方向為煤礦安全與煤層氣及頁巖氣地質。

本文發表於《科技導報》第12期，歡迎訂閱查看。

內容為【科技導報】公眾號原創，歡迎轉載

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