納米尺度下頁(yè)巖破裂特征探究與發(fā)展
◎? 陳相霖
得益于水力壓裂技術(shù)的廣泛應(yīng)用,，我國(guó)目前已在四川盆地及周緣地區(qū)實(shí)現(xiàn)了規(guī)模性商業(yè)化開(kāi)發(fā),，建成了涪陵,、威遠(yuǎn),、長(zhǎng)寧-昭通等多個(gè)大型超壓頁(yè)巖氣田,，2023年頁(yè)巖氣產(chǎn)量已達(dá)250萬(wàn)億立方米,。與此同時(shí),，頁(yè)巖的可壓性也成為學(xué)術(shù)界和工業(yè)界共同關(guān)注的焦點(diǎn),，其對(duì)最終的壓裂效果及開(kāi)發(fā)成效具有重要影響,。
頁(yè)巖可壓性評(píng)價(jià)的關(guān)鍵在于需要知道對(duì)頁(yè)巖施加多大的外力才能使其破裂,，因此首先要了解頁(yè)巖的硬度強(qiáng)弱。然而頁(yè)巖的硬度并不是一個(gè)單純的物理量,，它是由彈性,、塑性、形變強(qiáng)度和韌性等多個(gè)類型力學(xué)參數(shù)組合的一種綜合指標(biāo),。那么地質(zhì)學(xué)家是如何研究“頁(yè)巖究竟有多硬”“需要施加多大的外力才能使頁(yè)巖破裂”“頁(yè)巖破裂后形態(tài)上發(fā)生了哪些變化”等一系列問(wèn)題呢,？
以往研究中主要通過(guò)單軸應(yīng)變模擬實(shí)驗(yàn)、三軸壓縮模擬實(shí)驗(yàn)等方法獲取相關(guān)的頁(yè)巖宏觀力學(xué)參數(shù)以回答上述問(wèn)題,。近年來(lái),，隨著力學(xué)測(cè)試技術(shù)逐漸向精細(xì)化發(fā)展，頁(yè)巖力學(xué)研究的尺度越來(lái)越小,，納米壓痕技術(shù)開(kāi)始逐漸進(jìn)入了地質(zhì)學(xué)家的視野,，為頁(yè)巖微觀力學(xué)屬性的研究提供了全新的視角。
納米壓痕技術(shù)又被稱為深度敏感壓痕技術(shù),，可以在納米尺度上精確測(cè)量頁(yè)巖中不同礦物的力學(xué)性質(zhì),，通過(guò)控制上覆載荷變化，實(shí)時(shí)測(cè)量壓痕深度,，其位移分辨率可達(dá)到納米級(jí),。根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到載荷-位移曲線并對(duì)其進(jìn)行分析計(jì)算，即可獲得納米硬度和彈性模量參數(shù),，測(cè)試結(jié)果不僅有助于地質(zhì)學(xué)家更深入地研究頁(yè)巖微觀力學(xué)行為,，還能夠與其宏觀力學(xué)參數(shù)相關(guān)聯(lián)，從而更加全面地對(duì)頁(yè)巖力學(xué)特征進(jìn)行剖析,。當(dāng)頁(yè)巖所遭受的外力高于其自身所能承受的強(qiáng)度時(shí)就會(huì)發(fā)生形變,，為了更好地揭示頁(yè)巖的形變機(jī)理，還可以將納米壓痕技術(shù)與場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡,、CT掃描等技術(shù)設(shè)備相結(jié)合,，通過(guò)觀察,、刻畫(huà)納米尺度下頁(yè)巖變形前后的物理結(jié)構(gòu)、化學(xué)特征及力學(xué)性能差異,，重構(gòu)頁(yè)巖內(nèi)部裂隙三維空間,，查明頁(yè)巖表面及內(nèi)部的破裂特征，從而更加深入地了解頁(yè)巖的形變行為,，從微觀視角揭示其破裂形變機(jī)理,。
盡管納米壓痕技術(shù)已經(jīng)為地質(zhì)學(xué)家研究頁(yè)巖微觀力學(xué)性質(zhì)提供了豐富的數(shù)據(jù)資料，并與宏觀力學(xué)參數(shù)建立了聯(lián)系,，但由于該項(xiàng)技術(shù)在微觀力學(xué)研究中的運(yùn)用起步較晚,，與其他先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)技術(shù)手段結(jié)合程度還不夠，因此未來(lái)該項(xiàng)技術(shù)在擴(kuò)展應(yīng)用方面仍然具有較大的進(jìn)步空間,。
?。ㄗ髡邌挝唬褐袊?guó)地質(zhì)調(diào)查局油氣資源調(diào)查中心）
評(píng)論
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