助力页岩气高效开采,纳米尺度下有机质的力学性质研究应获更多关注

助力页岩气高效开采,纳米尺度下有机质的力学性质研究应获更多关注

如何准确测定地层条件下页岩这种非均质地质材料的力学性质是近年来实现页岩气高效开采的难题之一。页岩内部组分的复杂性以及有机质的富集,使得越来越多的研究者关注纳米尺度下物质的力学性质研究。

王晓蕾等人于2020年《科技导报》第12期刊发了《页岩有机质纳米力学性质研究进展》一文,基于近年国内外关于页岩有机质纳米力学性质表征等方面所取得的研究进展,总结了目前常用的表征技术、力学性质主要特征及主控因素,并提出了“多尺度”“多技术”“多角度”“多学科”等工作设想与建议。

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页岩是一种由矿物颗粒(石英、长石、方解石)、黏土矿物聚集体和有机质等组成的天然多尺度非均质性复合体材料。由于页岩本身特低孔和特低渗的性质,决定了其必须实施水力压裂等相关措施才能实现页岩气的增产。

然而压裂参数的选取与调整很大程度上取决于页岩的力学性质,因此如何准确测定地层条件下页岩这种非均质地质材料的力学性质是近年来实现页岩气高效开采的难题之一。

而科学合理的测定页岩力学性质取决于对页岩有机组分和无机组分的认识。页岩内部组分的复杂性以及有机质的富集,使得越来越多的研究者关注纳米尺度下物质的力学性质研究


01、页岩有机质纳米力学性质的研究意义


相对无机矿物而言,页岩有机质在控制岩石的破裂方面具有不容忽视的作用,其主要原因为:

(1)在热成熟演化阶段中,岩石内部会产生缺陷或者具有不稳定性

(2)有机质的存在,与岩石较低的韧性或者较高的延展性高度相关

因此,将有机质作为一个独立的整体来研究其独特的力学性质,综合考虑其在岩石组分中所起的作用,对于搭建有效的微观-宏观尺度下的力学模 型,促进对页岩宏观尺度下的破裂机理的认识,具有极为关键的研究价值和现实意义。

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02、页岩有机质纳米力学性质的核心测试技术


纳米压痕法

纳米压痕法是目前测量有机质弹性模量(E)和硬度(H)等力学性质的理想技术。纳米压痕通过对测试对象施加载荷使其产生破坏而达到测试目的,该技术凭借操作简易、力学参数求解方便、性价比高等优势,应用领域和范围较广。

虽然该技术在一定程度上测定了有机质弹性模量的极限值,但存在分辨率低的问题,而且测定目前大多仅限于弹性模量和硬度,并不能全面体现测试对象的力学性质。

原子力显微镜法

原子力显微镜法(AFM)凭借非破坏性、高分辨率等优势,成为研究页岩中纳米级孔隙结构、干酪根等有机物、矿物及微裂缝的最佳选择。

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与纳米压痕法相比,AFM能对单个组分进行高精度、针对性的弹性模量测试,测试过程中探针的变形程度和受损程度非常小,而且能够提供出色的高分辨率弹性模量色谱图。而AFM法目前仍存在着技术上的缺陷:

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(1)AFM虽然也配备了光学显微镜,但在定位有机物等组分过程中所呈现的影像特征并不明显且识别度低,因此需要额外借助扫描电镜(SEM)对测试组分进行精准定位;

(2)由于页岩内部高度的非均质性,意味着组分之间的力学性能具有较大的差异,对AFM悬臂的要求也相应较高,需要针对不同组分选择合适模量的悬臂(不同悬臂所能测量的模量范围不同)。


03、页岩有机质纳米力学性质主要特征


弹性模量

关于有机质弹性模量的测试,国内外学者做了大量的研究工作,综合调研的测试结果分析。

一方面,干酪根的弹性模量大部分测试结果低于30GPa,而有文献记载的干酪根弹性模量值最高可达39GPa;另一方面,干酪根的弹性模量与其本身的成熟度存在着非常密切的联系。随着成熟度的增加,其弹性模量也呈现增加的趋势

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另外,沥青也成为一部分研究工作者重点分析测试的对象。干酪根热演化过程中所产生的沥青往往赋存在相邻的孔隙中,在AFM高分辨率成像中呈现为绿色的影像,这意味着弹性模量处于一个较低的水平。进一步的测试结果表明,随着成熟度的增加,其弹性模量也呈现增加的趋势。

硬度

有机质的硬度目前主要基于纳米压痕法测试获得,综合测试结果表明,有机质的硬度深受成熟度和温度的影响,其中干酪根和沥青对温度的敏感性有所差异。目前普遍认为,页岩这种行为特征强烈依赖于干酪根的含量和力学性质。


04、影响页岩有机质纳米力学性质的主要因素


成熟度

Okiongbo等在对Kimmerdge页岩的研究中发现,页岩干酪根由低成熟度到高成熟度演化过程中,密度上升,而且随着热演化的进行,芳香化合物内部分子结构发生物理重新取向和排列,在一定程度上减少了整体的缺陷,增强了稳定性

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Li等在对广东茂名油柑窝组页岩沥青的研究表明,固体沥青的演化表现为2个阶段:湿气阶段中(1.85%< Ro<2.64%),C/H比和芳碳化合物含量增加,平均杨氏模量升高;当成熟度到达干气阶段后(2.46%<Ro<4.59%),沥青内部分子结构变化程度变小,但总体硬度增加,主要受结构冷凝作用的影响,而且杨氏模量迅速升高。

页岩气能够被“幽禁”在页岩层内,很大程度取决于有机质生烃与排烃过程中所产生的孔隙。高成熟度下的干酪根内部发育大量的多种孔径孔隙,这些孔隙往往被后期生成的水、沥青、油或气体所充填,不仅孔隙具有削弱干酪根整体弹性模量的能力,而且内部的充填物其本身就具有较低的弹性模量值。

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Eliyahu等认为在成熟演化过程中,由于有机质内部的冷凝作用,使得有机质内部出现结构上的差异硬化;Curtis等认为有机质在成熟演化过程中,会产生部分次生有机质对原生有机质体进行包裹。有学者针对这一现象进行了假设,认为有机质内可能发生了相变,或者干酪根内有软质沥青包裹体。关于此类结论和推断目前有待进一步证实,但在一定程度上丰富了人们对干酪根热演化理论的认识。

温度

地层条件下的有机质深受地层温度的影响。Emmanuel等模拟不同地层条件下的温度对干酪根和沥青一起进行加热试验,表明沥青随温度的升高,力学性质呈现非均质性变化,同时也在一定程度上证实了有机质本身也是一种非均质性材料。

进一步分析结果表明,如果已知储层温度,则可在一定程度上对标准温度下干酪根所测量的力学性质进行校准。同时,干酪根和沥青对温度的敏感性在一定条件下也可作为其鉴别这两者额外的参考指标。

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05、中国页岩有机质纳米力学性质表征的建议

如何科学合理地表征页岩有机质纳米力学性质,创建微观与宏观的多种高效的、适用于复杂地质条件下的岩石力学物理模型,对于促进中国页岩气的高效开采意义重大,同时也是目前亟待解决的现实问题。对此提出以下设想与建议。

多尺度联合表征与加强数值模型的创建

有机质原位力学性质的表征技术,为我们提供了直接探测纳米尺度下组分的物理力学性质机会,由此,有必要发展多尺度结构模型的思想。通过各种微观机械模型组合的创建,推进分析宏观尺度下页岩复杂的力学性能。

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对有机质进行“多尺度”的联合表征,需要深化有机质纳米力学变化规律、影响因素、应变-应变机理等方面的认识,搭建相对有效的与岩石物理宏观-微观多尺度力学相关的数值模型,对于钻井、地震勘探、压裂等许多工作的成功与高效实施至关重要。

多技术联合投入与加强核心技术的创新

为了达到预期的实验测试效果,往往需要借助额外的实验设备和仪器进行前期样品的分析和处理,整个实验测试是一个“多技术”联合投入使用的过程,而且其复杂程度决定了对仪器的耐受性、适用性等方面的要求越来越高。

加强核心技术的创新,逐渐形成多功能一体化测试系统,完善测试仪器之间功能的衔接性与可调性,提高加热与冷却、扫描与定位等功能的精度,增强测试体系的智能自动化,减少外界环境或人为所带来的不确定因素。

多角度联合分析与加强各向异性的研究

对有机质进行“多角度”的联合表征,加强沉积地质学、岩石力学、岩石物理与地球物理学等相关学科的基础理论研究,深化有机质纳米力学变化规律、影响因素、应变-应变机理等方面的认识,搭建相对有效的岩石物理宏观-微观各向异性力学模型,对于钻井、地震勘探、压裂等许多工作的成功与高效实施至关重要。

多学科联合攻关与加强相关领域的合作

加强沉积地质学、岩石力学、岩石物理与地球物理学等相关学科的基础理论研究,特别是充分运用页岩有机地球化学和地质力学等多学科相关理论与技术联合攻克表征纳米力学性质过程中存在的问题,加强不同学科领域之间的合作,对于创建强大的地质模型以获取非常规资源和提高油气生产效率,具有一定指导实践的意义。


本文作者:王晓蕾,司树杰,阿窦

作者简介:王晓蕾,博士,研究方向为煤矿安全与煤层气及页岩气地质。

本文发表于《科技导报》第12期,欢迎订阅查看。

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