頁岩流變的納米效應及其賦氣機理研究

《頁岩流變的納米效應及其賦氣機理研究》是依託中國科學院大學，由琚宜文擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：頁岩流變的納米效應及其賦氣機理研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：琚宜文
• 依託單位：中國科學院大學

項目摘要

位於地殼淺層次沉積岩層中的頁岩是廣泛分布的軟弱岩石，在層間剪下作用下易發生順層滑動而形成不同類型和不同強度的變形或流變，且與長英質岩石或煤岩差異較大。我國大多數盆地中的頁岩即使僅經歷較弱的層間剪下，也會產生流變；頁岩流變後具有顯著的納米效應：既產生納米顆粒，又產生納米孔隙；而頁岩的納米孔隙結構是頁岩氣的重要賦存空間。本項研究基於多學科交叉的研究思路，結合先進的實驗和測試方法，以天然條件下頁岩流變宏微觀觀測為基礎，並與不同溫壓變形實驗的流變特徵進行對比，以闡明頁岩在順層剪下作用下所形成的流變行為與機制；深入研究頁岩流變的礦物與有機質結構及其孔隙結構的納米效應，探討頁岩流變的納米孔隙結構演化過程；在此基礎上，建立流變後頁岩的納米結構模型，進而揭示其賦氣機理與制約因素。這些研究可豐富和發展對地殼中岩石流變和多相介質流動的理論與認識，並為解決不同構造變形區頁岩氣勘探開發重要地質問題提供科學依據。

結題摘要

本次研究以四川盆地、鄂爾多斯盆地和閩西南地區為研究對象，以天然條件下頁岩流變宏微觀觀測為基礎，並與不同溫壓變形實驗的流變特徵進行對比，闡明了頁岩在順層剪下作用下所形成的流變行為與機制。深入研究了頁岩流變的礦物與有機質結構及其孔隙結構的納米效應；建立了流變後頁岩的納米結構模型，揭示了流變頁岩的賦氣機理與制約因素。獲得主要成果和認識如下： （1）頁岩層受到構造應力作用容易發生流變，主要流變類型有韌性流變、脆性流變和脆韌性流變。頁岩流變在巨觀上產生了不同的流變構造，包括裂隙、褶皺、頁岩揉皺等；微觀上發現頁岩結構從脆性流變：微裂隙、碎裂流動至韌性流變：顯微褶皺以及S-C組構轉變，黃鐵礦晶體以及有機質孔隙呈定向排列。通過氣體吸附實驗等研究表明，頁岩韌性流變增加了微-納米孔隙所占的比例以及孔隙比表面積。 （2）不同溫壓條件下的頁岩變形實驗表明：在溫度T<90℃、圍壓P＜60MPa時為脆性變形階段，主要以破裂變形為主；脆韌性過渡階段（90℃200℃，P>110MPa）的頁岩出現整體的體積膨脹，產生了顯著的流變現象。 （3）頁岩力學特性主要包括強度與變形兩個方面。通過頁岩直接剪下試驗，建立了抗剪強度表達式；在剪下力作用下，頁岩沿先存剪下裂隙的方向破裂，同時產生次一級裂隙並形成裂隙網路；通過剪下流變試驗，提出了頁岩流變的粘-彈-粘彈性元件模型。 （4）流變後的頁岩具有如下特徵：① 頁岩層間產生多組裂隙；② 微-納米孔隙顯著增多；③ 連通性增強；④ 賦氣狀態由游離氣轉化為吸附氣。另一方面，與弱變形相比，較強變形程度的頁岩樣品微納米孔隙發育，構造變形作用顯著增加了頁岩的賦氣性。 這些研究可豐富和發展對地殼中岩石流變和多相介質流動的理論與認識，並為解決不同構造變形區頁岩氣勘探開發重要地質問題提供科學依據。