# 中文标题 层状页岩多尺度力学非均质性与渐进破坏机制研究

《Journal of Marine Science and Engineering》：Multiscale Mechanical Heterogeneity and Progressive Failure Mechanisms of Laminated Shale

　　

# 摘要翻译

层理诱导的非均质性与定向破坏使海上及陆上页岩储层井壁稳定性评价与储层改造中的力学参数选择复杂化。研究人员整合了纳米压痕（Nanoindentation）、定向压缩（Directional Compression）、连续划痕测试（Continuous Scratch Testing）、测井解释（Well-log Interpretation）以及加载后计算机断层扫描（Computed Tomography, CT），以考察局部刚度、试件尺度承载与空间非均质性。在层状灰质页岩（limy shale）样品中，基质（matrix）与层理（lamina）的杨氏模量（Young's Modulus, E）值分别为36.90–39.17 GPa和4.23–18.80 GPa。页岩单轴抗压强度（Uniaxial Compressive Strength, UCS）介于39.01至220.18 MPa之间。阶段性应力降与峰后持续承载同主裂缝、相交分支裂缝以及近平行裂缝面共存。层状与层积灰质页岩岩心的平均机械比能（Mechanical Specific Energy, MSE）值分别为205.05 MPa与315.86 MPa，极差均值比（range-to-mean ratio）分别约为135%与74%。层状岩心兼具较低的平均切割阻力与较大的相对波动。测井解释的UCS在采样层段附近介于143.87至144.65 MPa之间，而在更宽的深度窗口内存在显著强度过渡。基质-层理刚度差异与界面约束共同控制定向变形与载荷分配。应力-应变（Stress–Strain）、声发射（Acoustic Emission, AE）与CT观测支持如下解释：局部裂缝依次萌生，通过剩余材料与压缩裂缝接触重新分配载荷，从而使突发的应力降与持续的峰后变形得以共存。切割阻力紧密排列的波动与测井解释UCS较平缓的波动相共存，这与测量覆盖范围及经验转换关系的使用差异相符。因此，定向UCS与连续MSE表征了力学非均质性互补的两个方面：试件强度与切割阻力的空间变化。这些发现支持为非常规页岩储层的井壁稳定性评价与水力压裂（hydraulic stimulation）设计选择方向依赖的力学参数。

# 论文解读

## 一、研究背景与问题提出

非常规储层在全球油气开发与生产中扮演着日益重要的角色，其复杂的地质结构与显著的非均质性对高效资源回收构成重大挑战。层状页岩与泥岩含有层理构造，广泛分布于全球海上及陆上含油气盆地，例如北海Johan Sverdrup油田的Draupne页岩与巴伦支海Hammerfest盆地Hekkingen组。矿物差异与层理排列影响定向变形与承载，因此评估井壁稳定性、储层改造及盖层完整性需要将局部材料性质与完整岩石的力学响应相联系。已有研究在矿物组分、层理几何与岩心尺度弹性之间建立了升尺度联系，但局部刚度非均质性、定向承载与渐进峰后变形之间的关联，仍需同时考虑材料差异与界面约束；同时，岩心测量与测井解释中层理相关非均质性的不同表达，也需要在对应深度上进行比较。上述问题构成了开展本研究的直接动因。

## 二、研究内容、结论与意义

研究人员以中国柴达木盆地页岩储层为研究对象，结合纳米压痕、定向压缩、连续划痕测试与深度匹配的测井解释，将局部刚度差异与定向载荷分配联系起来，并解释分阶段峰后变形。研究得出以下主要结论：微尺度上，基质与层理之间及同类区域内部均存在显著刚度差异；中尺度上，层理方向与界面约束共同控制整体变形与峰值承载，且较高的峰前储能分数可与渐进峰后变形共存；岩心尺度上，层状灰质页岩较层积灰质页岩平均切割阻力更低但相对波动更大；跨尺度上，岩心内紧密排列的切割阻力波动与采样深度附近较平缓的测井UCS变化共存。这些发现为非常规页岩储层井壁稳定性评价与水力压裂设计中方向相关力学参数的优选提供了依据。

## 三、关键方法

样本来自中国柴达木盆地页岩储层，按矿物组成与结构分类为砂岩、层积灰质页岩、层状灰质页岩、层积黏土质页岩与层状黏土质页岩。研究人员采用的关键技术方法包括：基于Oliver–Pharr接触关系的仪器化纳米压痕，由压痕载荷-位移曲线计算弹性模量E与硬度H；采用GCTS RTR2000闭环伺服系统的单轴与三轴压缩（位移控制0.005 mm·min^?1，圆柱试件直径25 mm、高50 mm），结合声发射（Acoustic Emission, AE）监测与加载后CT扫描表征裂缝形态；采用TerraTek?系统的连续划痕测试（5 mm宽切削刃，切深0.5 mm，速度2 mm·s^?1，采样密度10点·mm^?1），由切向力求得机械比能MSE；测井解释通过动态-静态模量转换（系数0.7）与经验关系UCS=4.242E_sta估算地层UCS。

## 四、研究结果

**3.1 微尺度局部性质差异**

通过纳米压痕对不同矿物区域、基质与层理进行微尺度力学表征。砂岩中石英位点与基质位点的E相近（47.51与45.71 GPa）；层积灰质页岩基质模量为34.86–48.76 GPa、层理为11.23–17.27 GPa；层状灰质页岩基质模量为36.90–39.17 GPa，层理模量仅4.23–18.80 GPa；层状黏土质页岩基质模量为39.75与42.43 GPa，高于层积黏土质页岩，层理模量（2.82–9.00 GPa）则更低。上述结果表明，相似矿物含量仍可对应不同的局部刚度分布，层状结构的非均质性尤为突出。

**3.2 中尺度力学性质与峰后变形**

12件单轴压缩试件的UCS介于39.01–220.18 MPa。砂岩在242.37 MPa左右达到峰值后应力快速下降；页岩曲线则呈现应力降、再次承载与后续下降的分阶段软化特征，较低峰值可与持续的峰后承载共存。围压由10 MPa增至30 MPa时，四类页岩峰值应力均提高，层积试件的增幅（黏土质119.60 MPa、灰质112.20 MPa）高于层状试件（73.01与67.08 MPa）；Mohr–Coulomb拟合显示层积试件的内摩擦角（黏土质45.5°、灰质44.2°）高于层状试件（34.7°与32.7°）。

**3.3 层理结构与力学性质连续空间变化**

连续划痕测试表明，层积灰质岩心MSE为218.51–452.30 MPa（均值315.86 MPa），层状灰质岩心为99.03–375.96 MPa（均值205.05 MPa），极差均值比分别约为74%与135%。层状岩心平均切割阻力更低但相对波动更大，且局部存在高阻力区；灰度与MSE在部分区间同向变化、在另一些区间反向变化，层理结构与切割响应的对应关系随位置变化。

**3.4 岩心局部变化与地层力学剖面**

深度匹配对比显示，层积灰质页岩采样深度附近测井UCS为142.95–146.24 MPa，层状灰质页岩为143.87–144.65 MPa，二者范围重叠；而周围地层存在显著强度过渡（如层积页岩在4218.5–4220.6 m内先降后升，低值与高值之差达26.32 MPa）。岩心内紧密排列的MSE波动与测井强度平缓变化共存。

## 五、讨论

**4.1 刚度对比、界面约束与定向承载**

纳米压痕H与E满足经验关系H=0.0205E?0.0725（R2=0.83）。串联（Reuss型柔度平均）与并联（刚度平均）关系表明，刚度差异与变形约束共同决定储能与载荷分配。垂直加载时载荷穿越不同刚度区域，平行加载时高模量区承担更多载荷。压缩弹性参数E为28.6–52.9 GPa（垂直加载）与23.0–45.2 GPa（平行加载），两方向重叠明显，说明整体弹性参数与峰值强度对结构具有不同的敏感性。

**4.2 峰前能量存储与分阶段峰后承载**

能量法脆性指数（Brittle Index, BI）在垂直加载下为0.84–1.00、平行加载下为0.53–0.99；塑性系数（Plasticity Coefficient, PI）垂直加载为0.16–1.29、平行加载为0.14–1.67。AE时间历史显示层积页岩在约300 s后活动显著增强，层状页岩在整个加载过程中呈间歇性活动；两者均出现部分应力恢复（分别约4与13 MPa），声发射活动与再次承压共存。CT揭示层状页岩发育多条相交裂缝与近平行裂缝面，层积页岩以主裂缝及局部分支为主。据此，研究人员提出渐进破坏机制：局部裂缝依次萌生并释放弹性能量、转移载荷，剩余完整材料与保持压缩接触的裂缝面维持载荷传递路径，从而使突发应力降与持续峰后变形共存。

**4.3 通过加载机制与测量覆盖范围的跨尺度联系**

深度匹配对比显示，四件压缩试件（层积区间195.95与220.14 MPa、层状区间98.68与59.74 MPa）与对应测井估计值（143.57、145.22、143.87与144.11 MPa）之间的Pearson相关系数为0.407，平均绝对误差为64.22 MPa；区间差异符号相反，说明相近的测井估计值压缩了岩心测量保留的强度对比。厘米级划痕测量区分相邻材料区域，米级测井测量综合多个层理响应，测量尺度与垂向分辨率的差异是二者变化形态不同的原因。

## 六、结论翻译

研究人员指出，微尺度力学非均质性同时存在于相邻材料区域之间与同类区域内部，基质-层理刚度对比是主要表现，跨尺度评价需保留矿物组成、层理位置与结构排列信息。层理方向与界面约束共同控制整体变形与峰值承载，围压可提高峰值承载，整体弹性参数与峰值强度对结构具有不同敏感性。较高的峰前弹性储能分数可与渐进峰后变形共存，分阶段应力降、持续承载与多重裂缝面共同支持局部破坏与载荷传递之间的机制联系，因此脆性-塑性评价需联合考虑峰前能量分配与峰后承载演化。平均MSE及其空间波动分别表征岩心尺度切割阻力的平均水平与局部非均质性。非常规页岩储层的力学参数选择需联合考虑定向强度、层理连续性与各测量所表征的岩石体积：定向UCS表征峰值抗压强度，连续MSE识别切割阻力的局部变化，测井UCS描述地层尺度强度变化，三者的结合可支撑井壁稳定性评价与水力压裂设计。