基于微观和宏观尺度测量的薄层状岩石的地质力学性质
引言
非常规天然气资源因其储量大、碳排放低而具有重要意义。中国在临兴—神府气田等煤系地层中拥有大量此类资源。然而，煤系地层渗透率低且非均质性强，难以开采。由于原地应力状态复杂等原因，多层水力压裂存在问题。地质力学测试是研究岩石的常用方法，但宏观测试存在局限性。纳米压痕技术可以测量小样品的力学性能。本文聚焦于临兴—神府气田井下薄互层砂岩—泥岩岩芯，研究其力学性能。
薄互层岩石的地球力学性质研究涉及微观和宏观尺度的测量，对于预测裂缝形态和设计水力压裂方案至关重要 (Unknown, 2023)[1] 。这类岩石的非均质性源于不同尺度矿物成分的差异，了解这些差异如何影响岩石的力学响应至关重要 (Yang et al., 2023)[2] (LAN et al., 2022)[3] 。微观尺度分析
微观尺度分析着重于识别和量化薄互层岩石中不同矿物组分的力学性质 (Yang et al., 2023)[2] 。扫描电子显微镜（SEM）和能量色散光谱（EDS）技术常被用于研究砂岩层和泥岩层之间的机械差异 (Unknown, 2023)[1] (Yang et al., 2023)[2] 。纳米压痕技术可用于量化各矿物的力学响应，例如杨氏模量 (Tang et al., 2023)[4] 。这些微观尺度的测量有助于理解岩石在纳米到微米尺度上的变形行为，并预测宏观尺度的力学行为 (Ngoma & Kolawole, 2023)[5] 。宏观尺度分析
宏观尺度分析侧重于确定岩石的整体力学性质，例如抗压强度和杨氏模量 (Goral et al., 2020)[6] 。传统岩石力学测试方法，如单轴压缩试验，可用于测量这些性质 (Goral et al., 2020)[6] 。然而，由于薄互层岩石的非均质性，从宏观尺度样品中校准力学性质可能存在局限性 (Yu et al., 2021)[7] 。因此，结合微观和宏观尺度的信息对于全面了解岩石的力学行为至关重要 (Ngoma & Kolawole, 2023)[5] (Gattinoni et al., 2016)[8] 。多尺度建模
为了桥接微观和宏观尺度之间的差距，多尺度建模方法被广泛应用 (Liang et al., 2021)[9] (Cao et al., 2021)[10] (Ahmadi et al., 2024)[11] (Rafiee et al., 2024)[12] (Hwang et al., 2023)[13] 。这些模型考虑了岩石的微观结构特征，如晶粒尺寸分布和矿物组成，以预测其宏观力学性质 (Liang et al., 2021)[9] 。例如，基于聚集体的晶粒模型（ABGM）可以结合微观尺度的信息来计算宏观尺度的杨氏模量 (Tang et al., 2023)[4] 。材料与方法
从临兴—神府气田太原组采集了层状岩芯样本。制备样本用于网格纳米压痕试验、X射线衍射分析和常规三轴压缩试验。对砂岩和泥岩样本进行了网格纳米压痕试验。采用高分辨率扫描电子显微镜-能谱（SEM-EDS）技术进行矿物分析。通过施加不同围压进行常规三轴压缩试验，以研究层状岩芯样本的整体力学性质和破坏模式。
结果与分析
X射线衍射（XRD）和能谱分析（EDS）显示了砂岩和泥岩层中的主要矿物成分。扫描电子显微镜-能谱分析（SEM-EDS）显示了这些层中不同的矿物分布。纳米压痕测试表明，杨氏模量和硬度随压痕深度的增加而降低。砂岩层的力学性能高于泥岩层。矿物在单一和混合模式下表现出不同的力学响应。不同矿物的压痕和裂纹模式各不相同。研究了不同围压下层状岩石的整体力学性能和破坏模式，围压会影响岩石的强度和变形。
讨论与启示
准确测量岩石的地质力学和矿物学性质对于水力压裂来说具有挑战性。微观和宏观尺度的测量被用于研究力学性质。矿物成分等是层状岩石力学差异的根本原因。在多层水力压裂中，层间的力学差异会影响裂缝扩展和支撑剂充填。脆性矿物对于评估岩石脆性很重要，但也应考虑其他因素。层状岩心岩石沿泥质夹层的破坏使水力压裂过程中的裂缝形态变得复杂。
结论
该研究使用网格纳米压痕和扫描电子显微镜-能谱（SEM-EDS）技术，研究了砂岩和泥岩层之间的力学差异。对矿物的力学响应和压痕进行了量化。矿物在不同层中表现出不同的变形和开裂模式。统计纳米压痕数据显示各层之间的杨氏模量和硬度存在差异。围压影响层状岩芯的整体力学性能和破坏模式。
