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)壓縮蠕變試驗可以揭示復(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性質(zhì)的不穩(wěn)定性，宏觀壓縮實驗很難為優(yōu)化壓裂設(shè)計獲取精準、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，準確獲取并預(yù)測頁巖的宏觀蠕變行為一直是亟需解決的科學問題。
針對上述問題，中國科學院廣州地球化學研究所有機地球化學國家重點實驗室博士生王建豐在熊永強研究員和彭平安研究員的指導(dǎo)下，與挪威奧斯陸大學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質(zhì)顆粒上（微觀）和巖心（宏觀）樣品兩個尺度上分別進行了納米壓痕和單軸蠕變等一系列的蠕變測試（圖 1）。通過原位納米壓痕測試及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)獲得的頁巖各個單相組分的蠕變數(shù)據(jù)，對從頁巖基質(zhì)組分到頁巖全巖進行了蠕變參數(shù)(E 1, E 2, C)的升級預(yù)測。根據(jù)Mori-Tanaka模型結(jié)果，預(yù)測的E 2和C值與富黏土頁巖和富石英頁巖的單軸蠕變試驗結(jié)果比較一致（圖3）。但是，預(yù)測的彈性參數(shù)E 1幾乎是單軸蠕變試驗結(jié)果的2倍。這種差異主要是升級預(yù)測過程中并未考慮頁巖顆粒之間接觸處的相對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試能更加有效準確地預(yù)測頁巖的宏觀蠕變行為。
圖1 頁巖蠕變參數(shù)升級示意圖
圖2 有機質(zhì)的(a)位移-時間關(guān)系，(b)蠕變應(yīng)變率-時間關(guān)系，(c)應(yīng)力-時間關(guān)系，(d)應(yīng)力對數(shù)和蠕變應(yīng)變率對數(shù)變化曲線
圖3宏觀蠕變參數(shù)和升級蠕變參數(shù)之間的對比。（a）E 1或E值，(b) E 2值，(c)C值
上述實驗研究為根據(jù)頁巖微觀蠕變特征預(yù)測宏觀蠕變行為提供了新的方向，對精細刻畫和預(yù)測頁巖的宏觀蠕變行為及壓裂方案規(guī)劃設(shè)計具有重要的指導(dǎo)意義。研究成果近期發(fā)表在國際巖石力學頂級權(quán)威學術(shù)期刊《International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences》。研究得到了中國科學院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項A類（XDA14010102），國家自然科學基金項目（42272182、41802165和42002158），廣州市基礎(chǔ)和應(yīng)用基礎(chǔ)研究項目(批準號SL2023A04J00217)和有機地球化學國家重點實驗室自主課題（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）*, 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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