頁巖的蠕變行為控制著沉積巖斷層泥的穩(wěn)定性、上地殼的地震變形，以及非常規(guī)頁巖氣開采過程中的壓裂改造效果和鉆井井壁穩(wěn)定性，是表征巖石變形的重要參數(shù)。常規(guī)壓縮蠕變?cè)囼?yàn)可以揭示復(fù)雜地質(zhì)條件下頁巖的宏觀蠕變特性，但是由于頁巖的物理化學(xué)性質(zhì)的不穩(wěn)定性，宏觀壓縮實(shí)驗(yàn)很難為優(yōu)化壓裂設(shè)計(jì)獲取精準(zhǔn)、連續(xù)剖面解釋的蠕變參數(shù)。另一方面，由于頁巖具有多尺度多組分的結(jié)構(gòu)特征，準(zhǔn)確獲取并預(yù)測(cè)頁巖的宏觀蠕變行為一直是亟需解決的科學(xué)問題。
針對(duì)上述問題，中國科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所有機(jī)地球化學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室博士生王建豐在熊永強(qiáng)研究員和彭平安研究員的指導(dǎo)下，與挪威奧斯陸大學(xué)Luca Menegon教授和Fran？ois Renard教授合作，選取四川盆地五峰組-龍馬溪組富含黏土和石英的頁巖樣品，在巖屑樣品的礦物或有機(jī)質(zhì)顆粒上（微觀）和巖心（宏觀）樣品兩個(gè)尺度上分別進(jìn)行了納米壓痕和單軸蠕變等一系列的蠕變測(cè)試（圖 1）。通過原位納米壓痕測(cè)試及Burgers模型等擬合獲取了頁巖基質(zhì)各單相組分（石英、長石、方解石、白云石，黏土基質(zhì)和有機(jī)質(zhì)）的蠕變參數(shù)，包括蠕變位移( h)，壓痕蠕變率(C IT)，蠕變應(yīng)變速率敏感指數(shù)(m)（圖2），接觸蠕變模量(C)，和粘彈性參數(shù)(E 1、E 2、 1和 2)等。根據(jù)獲得的頁巖各個(gè)單相組分的蠕變數(shù)據(jù)，對(duì)從頁巖基質(zhì)組分到頁巖全巖進(jìn)行了蠕變參數(shù)(E 1, E 2, C)的升級(jí)預(yù)測(cè)。根據(jù)Mori-Tanaka模型結(jié)果，預(yù)測(cè)的E 2和C值與富黏土頁巖和富石英頁巖的單軸蠕變?cè)囼?yàn)結(jié)果比較一致（圖3）。但是，預(yù)測(cè)的彈性參數(shù)E 1幾乎是單軸蠕變?cè)囼?yàn)結(jié)果的2倍。這種差異主要是升級(jí)預(yù)測(cè)過程中并未考慮頁巖顆粒之間接觸處的相對(duì)較低的彈性剛度造成的。因此，后續(xù)的研究將繼續(xù)考慮頁巖微觀結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，使得微觀納米壓痕蠕變測(cè)試能更加有效準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)頁巖的宏觀蠕變行為。
圖1 頁巖蠕變參數(shù)升級(jí)示意圖
圖2 有機(jī)質(zhì)的(a)位移-時(shí)間關(guān)系，(b)蠕變應(yīng)變率-時(shí)間關(guān)系，(c)應(yīng)力-時(shí)間關(guān)系，(d)應(yīng)力對(duì)數(shù)和蠕變應(yīng)變率對(duì)數(shù)變化曲線
圖3宏觀蠕變參數(shù)和升級(jí)蠕變參數(shù)之間的對(duì)比。（a）E 1或E值，(b) E 2值，(c)C值
上述實(shí)驗(yàn)研究為根據(jù)頁巖微觀蠕變特征預(yù)測(cè)宏觀蠕變行為提供了新的方向，對(duì)精細(xì)刻畫和預(yù)測(cè)頁巖的宏觀蠕變行為及壓裂方案規(guī)劃設(shè)計(jì)具有重要的指導(dǎo)意義。研究成果近期發(fā)表在國際巖石力學(xué)頂級(jí)權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences》。研究得到了中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)A類（XDA14010102），國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（42272182、41802165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)SL2023A04J00217)和有機(jī)地球化學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自主課題（SKLOG202012）的共同資助。
論文信息：Jianfeng Wang（王建豐）; Yuke Liu*（柳宇柯）; Chao Yang（楊超）; Yangcheng Zheng（鄭仰成）； Wenmin Jiang（蔣文敏）; Luca Menegon；Fran？ois Renard; Ping’an Peng（彭平安）, and Yongqiang Xiong（熊永強(qiáng)）*, 2023. Upscaling the creep behavior of clay-rich and quartz-rich shales from nanoindentation measurements: Application to the Wufeng-Longmaxi shale, China. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 171:105580.
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