近日，中国科学院广州地球化学研究所有机地球化学国家重点实验室博士生王建丰在导师熊永强研究员指导下，研究揭示了干酪根力学性质随热成熟度的演化特征。相关研究发表于Marine and Petroleum Geology。
干酪根是页岩基质的重要组成部分，对于富有机质页岩来说，其相对高的含量一定程度上也影响着页岩的宏观力学特征。在整个页岩热演化过程中，由于有机质自身化学组构改变等，可能会导致页岩宏观力学性质的变化。
因此，准确理解干酪根在热成熟过程中的纳米力学行为对建立相应岩石力学模型来提高地震数据解释精度、优化页岩井壁稳定性和水力压裂设计、开展甜点评价以及进行钻井工程设计等都具有重要意义。前人对于干酪根的力学性能随热成熟度的演化特征一直存在一定的争议，也缺乏干酪根在整个油气生成阶段力学性质的演化特征的研究。
针对上述问题，研究人员选取下马岭组页岩干酪根为研究对象，开展封闭体系黄金管热模拟实验，利用激光拉曼光谱仪、固体13C核磁共振技术和纳米压痕仪，探究热演化过程中干酪根表面力学性能演化规律及影响因素。研究表明：干酪根表面力学性质（杨氏模量和硬度）随热成熟度EasyRo（0.73-4.45%）增大而增大，主要表现为两段式的演化规律。
在热降解生油阶段-湿气阶段（EasyRo在0.73%-2.50%）力学参数值增长量较小；杨氏模量从3.44±0.29GPa上升到5.56±0.30GPa，硬度从0.18±0.01 GPa上升到0.42±0.03GPa。干气阶段（EasyRo在2.50%-4.45%），其力学性能参数值增长量较大，上升更快；杨氏模量从5.56±0.3GPa迅速上升到9.71±1.0GPa，硬度从0.42±0.03GPa上升到1.47±0.31GPa，干气阶段的力学参数值标准差相对较大，主要与其表面结构各向异性程度较高有关。
干酪根力学性能随成熟度的演化趋势主要受控于其内部化学结构的变化。表现在：在整个热成熟演化阶段，其杨氏模量、硬度与峰位差（RBS）、芳碳率（fa）和桥头碳占比（faB）都存在较好的线性正相关性（R2＞0.71），表明干酪根中芳香结构的不断缩合是导致其力学性能增强的主要因素。
该研究通过实验揭示了干酪根力学性质随热成熟度的演化特征，对于建立相应岩石力学模型，精细刻画和预测不同成熟度页岩的力学性能具有重要的理论意义与应用潜力。
上述研究得到了中国科学院战略性先导科技专项A类、国家自然科学基金项目和有机地球化学国家重点实验室自主课题的资助。
相关论文信息：https://doi.org/10.1016/j.marpetgeo.2022.105906
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