通过纳米压痕和高压 CO2 和水处理确定页岩的力学性能演变：纳米到微米级的实验研究

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该研究主要关注流体（水和CO2）与页岩相互作用的机理及其对页岩力学性质演变的影响，这对于页岩气开发和CO2封存都至关重要 (Liu et al., 2022)[1] (Liu et al., 2024)[2] . 为了解水和CO2暴露对页岩的潜在影响，研究选取了来自不同地层的三个页岩样品，分别用干燥超临界CO2、超临界CO2-水和纯水处理，处理时间长达30天 (Liu et al., 2022)[1] . 采用纳米压痕技术测量流体处理前后页岩的局部弹性模量和硬度 (Liu et al., 2022)[1] (Liu et al., 2021)[3] (Liu et al., 2021)[4] .

页岩力学性质的演变受多种因素影响，包括：

流体类型与压力
：超临界CO2和水对页岩的软化行为存在差异 (Cheng et al., 2024)[5] 。高压CO2可能导致页岩基质产生微裂缝，从而影响其渗透性 (Hui et al., 2019)[6] 。
矿物成分
：页岩的矿物成分对其力学性质有重要影响 (Kumar et al., 2012)[7] (Manjunath & Jha, 2019)[8] 。例如，石英、云母、绿泥石和高岭石等矿物在CO2-水-岩石相互作用后会发生力学性质的改变 (Liu et al., 2024)[2] 。
温度
：温度升高会影响页岩的纳米力学性能 (Wang et al., 2021)[9] ，进而影响其整体的力学行为。
时间
：页岩与CO2或水相互作用的时间越长，其力学性质的变化可能越大 (Liu et al., 2022)[1] (Liu et al., 2024)[2] 。

纳米压痕技术：

纳米压痕技术是一种用于确定材料在纳米尺度下力学性能的有效方法 (Liu et al., 2021)[3] (Liu et al., 2021)[4] 。该技术可以测量页岩的弹性模量和硬度等参数，从而量化局部页岩的力学特性 (Liu et al., 2022)[1] (Liu et al., 2021)[3] (Liu et al., 2021)[4] 。通过结合扫描电子显微镜（SEM）和能量色散X射线光谱（EDS）等技术，可以进一步分析页岩的矿物相分布，并将纳米力学性能与具体的矿物成分联系起来 (Liu et al., 2022)[10] 。

CO2封存的影响：

将CO2注入页岩气地层以提高采收率和封存CO2被认为是一项有前景的技术 (Cheng et al., 2024)[5] 。然而，CO2与页岩的相互作用可能导致页岩软化，这对于页岩气开发和CO2地质封存的工程决策至关重要 (Cheng et al., 2024)[5] (Yang et al., 2023)[11] 。研究表明，在CO2-水-岩石相互作用下，页岩会发生跨尺度的力学软化 (Liu et al., 2024)[2] 。

纳米力学表征的重要性：

对页岩进行纳米力学表征对于理解页岩的多尺度行为至关重要 (Liu et al., 2022)[10] 。页岩是由多种矿物、有机质和纳米级孔隙组成的复杂混合物 (Bobko & Ulm, 2008)[12] (Veytskin et al., 2017)[13] (Du et al., 2023)[14] 。通过纳米压痕技术，可以研究这些组分的局部力学性质，从而更好地理解页岩的整体力学行为 (Xiang et al., 2017)[15] (Sobhbidari & Hu, 2021)[16] (Luo et al., 2020)[17] 。