干酪根是頁巖基質(zhì)的重要組成部分，對于富有機質(zhì)頁巖來說，其相對高的含量一定程度上也影響著頁巖的宏觀力學特征。在整個頁巖熱演化過程中，由于有機質(zhì)自身化學組構改變等，可能會導致頁巖宏觀力學性質(zhì)的變化。因此，準確理解干酪根在熱成熟過程中的納米力學行為對建立相應巖石力學模型來提高地震數(shù)據(jù)解釋精度、優(yōu)化頁巖井壁穩(wěn)定性和水力壓裂設計、開展甜點評價以及進行鉆井工程設計等都具有重要意義。前人對于干酪根的力學性能隨熱成熟度的演化特征一直存在一定的爭議（Zargari et al., 2016; Khatibi et al., 2018），也缺乏干酪根在整個油氣生成階段力學性質(zhì)的演化特征的研究。
針對上述問題，中國科學院廣州地球化學研究所有機地球化學國家重點實驗室博士生王建豐在導師熊永強研究員指導下，選取下馬嶺組頁巖干酪根為研究對象，開展封閉體系黃金管熱模擬實驗，利用激光拉曼光譜儀、固體13C核磁共振技術和納米壓痕儀，探究熱演化過程中干酪根表面力學性能演化規(guī)律及影響因素，主要得到以下認識：
干酪根表面力學性質(zhì)（楊氏模量和硬度）隨熱成熟度EasyRo（0.73-4.45%）增大而增大，主要表現(xiàn)為兩段式的演化規(guī)律。在熱降解生油階段-濕氣階段（EasyRo在0.73%-2.50%）力學參數(shù)值增長量較小；楊氏模量從3.44±0.29GPa上升到5.56±0.30GPa，硬度從0.18±0.01 GPa上升到0.42±0.03GPa。干氣階段（EasyRo在2.50%-4.45%），其力學性能參數(shù)值增長量較大，上升更快；楊氏模量從5.56±0.3GPa迅速上升到9.71±1.0GPa，硬度從0.42±0.03GPa上升到1.47±0.31GPa（圖1），干氣階段的力學參數(shù)值標準差相對較大，主要與其表面結構各向異性程度較高有關。
圖1 干酪根硬度隨EasyRo（%）的變化(a)、楊氏模量隨EasyRo（%）的變化(b)。
干酪根力學性能隨成熟度的演化趨勢主要受控于其內(nèi)部化學結構的變化。表現(xiàn)在：在生油階段-濕氣階段和干氣階段，其楊氏模量、硬度與峰位差（RBS）、芳碳率（fa）和橋頭碳占比（faB）都存在較好的線性正相關性（R2＞0.71）（圖2），表明干酪根中芳香結構的不斷縮合是導致其力學性能增強的主要因素。
圖2 干酪根的力學性能與峰位差（RBS）、芳碳率（fa）和橋頭碳占比（faB）的關系
上述研究通過實驗揭示了干酪根力學性質(zhì)隨熱成熟度的演化特征，對于建立相應巖石力學模型，精細刻畫和預測不同成熟度頁巖的力學性能具有重要的理論意義與應用潛力。研究成果近期發(fā)表在國際期刊《Marine and Petroleum Geology》。本研究得到了中國科學院戰(zhàn)略性先導科技專項A類（XDA14010102），國家自然科學基金項目（41902129、41802165和42002158）和有機地球化學國家重點實驗室自主課題（SKLOG202012）的資助。
論文信息：Jianfeng Wang（王建豐）; Yuke Liu（柳宇柯）; Chao Yang（楊超）; Wenmin Jiang*（蔣文敏）; Yun Li*（李蕓）; Yongqiang Xiong（熊永強）, Ping’an Peng（彭平安）; Evolution of mechanical properties of kerogen with thermal maturity. Marine and Petroleum Geology, 145: 105906.
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