固體瀝青作為高演化階段頁巖中重要的有機(jī)質(zhì)形式之一,其不僅是頁巖氣重要的生烴母質(zhì),也是有機(jī)質(zhì)納米孔隙的重要貢獻(xiàn)者;其化學(xué)結(jié)構(gòu)與微觀力學(xué)性能(包括彈性模量、硬度和蠕變特征等)都會影響頁巖的宏觀破碎、開裂等物理行為。通過對廣東茂名地區(qū)低熟油頁巖進(jìn)行高溫高壓熱模擬實驗并結(jié)合低壓N_2和低壓CO_2吸附實驗,研究了排烴過程和壓力對高演化階段頁巖有機(jī)質(zhì)納米孔隙發(fā)育的影響;對比研究了納米壓痕儀和原子力顯微鏡在表征四川盆地龍馬溪組頁巖樣品表面微觀力學(xué)性能方面結(jié)果的異同;通過對可溶有機(jī)質(zhì)進(jìn)行高溫高壓封閉黃金管模擬實驗得到固體瀝青樣品,并分別利用固體~(13)C核磁共振等技術(shù)與原子力顯微鏡探討了其化學(xué)結(jié)構(gòu)對力學(xué)性能的控制作用;通過使用納米壓痕儀獲得壓痕測試條件對高成熟度天然固體瀝青樣品力學(xué)性能和蠕變特征的表征結(jié)果的影響,得出結(jié)論:(1)頁巖生油階段的排烴過程可影響其在生氣階段有機(jī)質(zhì)納米孔隙的發(fā)育。生油窗時期占頁巖60%TOC的瀝青在生氣階段可以貢獻(xiàn)52%-72%的納米孔隙(孔徑10 nm)。(2)頁巖中微孔和小介孔(孔徑10 nm)在高演化階段具有分別對應(yīng)于濕氣和干氣階段的兩階段式演化規(guī)律:對于未發(fā)生排烴過程的頁巖來說,孔隙發(fā)育在濕氣階段較為迅速,在干氣階段較為緩慢;經(jīng)歷了排烴過程的頁巖孔隙發(fā)育在濕氣階段呈緩慢增長趨勢,在干氣階段呈微弱降低趨勢。頁巖的中大介孔和宏孔(孔徑10nm)在高演化階段隨成熟度增加演化趨勢較為平坦。(3)高壓可以微弱地促進(jìn)頁巖中微孔和小介孔(孔徑10 nm)的發(fā)育,但對中大介孔和宏孔(孔徑10 nm)的發(fā)育無影響。(4)通過使用納米壓痕儀和原子力顯微鏡獲得的頁巖微觀力學(xué)性能測試結(jié)果具有一致性。(5)固體瀝青的化學(xué)結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能在高演化階段均表現(xiàn)出兩階段式演化規(guī)律:在濕氣階段,化學(xué)結(jié)構(gòu)參數(shù)變化明顯,碳?xì)湓颖群头继悸恃杆僭黾?楊氏模量值低且結(jié)構(gòu)均質(zhì)性程度高;進(jìn)入干氣階段后,化學(xué)結(jié)構(gòu)變化緩慢,碳?xì)湓颖群头继悸驶颈３植蛔?楊氏模量值逐漸增大且結(jié)構(gòu)非均質(zhì)性程度增強(qiáng)。在整個熱演化過程中,楊氏模量值與化學(xué)結(jié)構(gòu)參數(shù)之間存在良好的正相關(guān)性,說明有機(jī)質(zhì)表面微觀力學(xué)性能受控于其內(nèi)部化學(xué)結(jié)構(gòu)。(6)有機(jī)質(zhì)的微觀力學(xué)性能可影響其在生氣階段生成并保留納米孔隙的能力,即隨著成熟度的增加,有機(jī)質(zhì)楊氏模量增大,整體從粘彈態(tài)演變?yōu)椴ＡB(tài),產(chǎn)生的氣態(tài)烴無法保留形成孔隙,內(nèi)部生成的納米孔隙不斷坍塌、合并,最終消失。(7)固體瀝青的硬度隨壓痕深度和壓入速率增加而逐漸降低;蠕變應(yīng)變速率敏感指數(shù)僅表現(xiàn)出微弱的壓痕深度和壓入速率敏感性。
【學(xué)位單位】：中國科學(xué)院大學(xué)(中國科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：P618.13
【部分圖文】：

演化階段頁巖有機(jī)質(zhì)納米孔隙、化學(xué)結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能研程會導(dǎo)致高演化階段頁巖殘留有機(jī)質(zhì)中的納al. 2016; Liu et al. 2017)。由此，探討有機(jī)質(zhì)步揭示有機(jī)質(zhì)納米孔隙發(fā)育規(guī)律本質(zhì)具有鉆井穩(wěn)定性、優(yōu)化水裂法設(shè)計、獲取巖石物的頁巖氣甜點提供重要理論依據(jù)(Chen et a 2016)。

圖 1.2 加載曲線出現(xiàn)多個平臺Figure 1.2 Plateaus during loading period (Trtik et al. 2能各向異性成過程中，受到造巖礦物類型、沉降取向、沉降現(xiàn)出特有的層理構(gòu)造。受層理面影響，頁巖地層性和橫觀各向同性的特點。宏觀單軸和三軸壓縮學(xué)性能（彈性模量）要小于平行層理方向的力學(xué)4; 衡帥 2015)。圖 1.3 為平行、垂直層理方向頁

圖 1.2 加載曲線出現(xiàn)多個平臺Figure 1.2 Plateaus during loading period (Trtik et al. 2009)學(xué)性能各向異性其形成過程中，受到造巖礦物類型、沉降取向、沉降環(huán)境力學(xué)，表現(xiàn)出特有的層理構(gòu)造。受層理面影響，頁巖地層的力學(xué)性向異性和橫觀各向同性的特點。宏觀單軸和三軸壓縮試驗證明的力學(xué)性能（彈性模量）要小于平行層理方向的力學(xué)性能(王 2014; 衡帥 2015)。圖 1.3 為平行、垂直層理方向頁巖巖心取

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本文編號：2829526