高演化阶段页岩有机质纳米孔隙、化学结构与力学性能研究

发布时间：2020-09-29 09:15

　　 固体沥青作为高演化阶段页岩中重要的有机质形式之一,其不仅是页岩气重要的生烃母质,也是有机质纳米孔隙的重要贡献者;其化学结构与微观力学性能(包括弹性模量、硬度和蠕变特征等)都会影响页岩的宏观破碎、开裂等物理行为。通过对广东茂名地区低熟油页岩进行高温高压热模拟实验并结合低压N_2和低压CO_2吸附实验,研究了排烃过程和压力对高演化阶段页岩有机质纳米孔隙发育的影响;对比研究了纳米压痕仪和原子力显微镜在表征四川盆地龙马溪组页岩样品表面微观力学性能方面结果的异同;通过对可溶有机质进行高温高压封闭黄金管模拟实验得到固体沥青样品,并分别利用固体~(13)C核磁共振等技术与原子力显微镜探讨了其化学结构对力学性能的控制作用;通过使用纳米压痕仪获得压痕测试条件对高成熟度天然固体沥青样品力学性能和蠕变特征的表征结果的影响,得出结论:(1)页岩生油阶段的排烃过程可影响其在生气阶段有机质纳米孔隙的发育。生油窗时期占页岩60%TOC的沥青在生气阶段可以贡献52%-72%的纳米孔隙(孔径10 nm)。(2)页岩中微孔和小介孔(孔径10 nm)在高演化阶段具有分别对应于湿气和干气阶段的两阶段式演化规律:对于未发生排烃过程的页岩来说,孔隙发育在湿气阶段较为迅速,在干气阶段较为缓慢;经历了排烃过程的页岩孔隙发育在湿气阶段呈缓慢增长趋势,在干气阶段呈微弱降低趋势。页岩的中大介孔和宏孔(孔径10nm)在高演化阶段随成熟度增加演化趋势较为平坦。(3)高压可以微弱地促进页岩中微孔和小介孔(孔径10 nm)的发育,但对中大介孔和宏孔(孔径10 nm)的发育无影响。(4)通过使用纳米压痕仪和原子力显微镜获得的页岩微观力学性能测试结果具有一致性。(5)固体沥青的化学结构和力学性能在高演化阶段均表现出两阶段式演化规律:在湿气阶段,化学结构参数变化明显,碳氢原子比和芳碳率迅速增加,杨氏模量值低且结构均质性程度高;进入干气阶段后,化学结构变化缓慢,碳氢原子比和芳碳率基本保持不变,杨氏模量值逐渐增大且结构非均质性程度增强。在整个热演化过程中,杨氏模量值与化学结构参数之间存在良好的正相关性,说明有机质表面微观力学性能受控于其内部化学结构。(6)有机质的微观力学性能可影响其在生气阶段生成并保留纳米孔隙的能力,即随着成熟度的增加,有机质杨氏模量增大,整体从粘弹态演变为玻璃态,产生的气态烃无法保留形成孔隙,内部生成的纳米孔隙不断坍塌、合并,最终消失。(7)固体沥青的硬度随压痕深度和压入速率增加而逐渐降低;蠕变应变速率敏感指数仅表现出微弱的压痕深度和压入速率敏感性。
【学位单位】：中国科学院大学(中国科学院广州地球化学研究所)
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：P618.13
【部分图文】：

演化阶段页岩有机质纳米孔隙、化学结构与力学性能研程会导致高演化阶段页岩残留有机质中的纳al. 2016; Liu et al. 2017)。由此，探讨有机质步揭示有机质纳米孔隙发育规律本质具有钻井稳定性、优化水裂法设计、获取岩石物的页岩气甜点提供重要理论依据(Chen et a 2016)。

图 1.2 加载曲线出现多个平台Figure 1.2 Plateaus during loading period (Trtik et al. 2能各向异性成过程中，受到造岩矿物类型、沉降取向、沉降现出特有的层理构造。受层理面影响，页岩地层性和横观各向同性的特点。宏观单轴和三轴压缩学性能（弹性模量）要小于平行层理方向的力学4; 衡帅 2015)。图 1.3 为平行、垂直层理方向页

图 1.2 加载曲线出现多个平台Figure 1.2 Plateaus during loading period (Trtik et al. 2009)学性能各向异性其形成过程中，受到造岩矿物类型、沉降取向、沉降环境力学，表现出特有的层理构造。受层理面影响，页岩地层的力学性向异性和横观各向同性的特点。宏观单轴和三轴压缩试验证明的力学性能（弹性模量）要小于平行层理方向的力学性能(王 2014; 衡帅 2015)。图 1.3 为平行、垂直层理方向页岩岩心取

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本文编号：2829526