页岩可压性评价的关键在于需要知道对页岩施加多大的外力才能使其破裂,因此首先要了解页岩的硬度强弱。然而页岩的硬度并不是一个单纯的物理量,它是由弹性、塑性、形变强度和韧性等多个类型力学参数组合的一种综合指标。那么地质学家是如何研究“页岩究竟有多硬”“需要施加多大的外力才能使页岩破裂”“页岩破裂后形态上发生了哪些变化”等一系列问题呢?

以往研究中主要通过单轴应变模拟实验、三轴压缩模拟实验等方法获取相关的页岩宏观力学参数以回答上述问题。近年来,随着力学测试技术逐渐向精细化发展,页岩力学研究的尺度越来越小,纳米压痕技术开始逐渐进入了地质学家的视野,为页岩微观力学属性的研究提供了全新的视角。

纳米压痕技术又被称为深度敏感压痕技术,可以在纳米尺度上精确测量页岩中不同矿物的力学性质,通过控制上覆载荷变化,实时测量压痕深度,其位移分辨率可达到纳米级。根据上述实验测量得到载荷-位移曲线并对其进行分析计算,即可获得纳米硬度和弹性模量参数,测试结果不仅有助于地质学家更深入地研究页岩微观力学行为,还能够与其宏观力学参数相关联,从而更加全面地对页岩力学特征进行剖析。当页岩所遭受的外力高于其自身所能承受的强度时就会发生形变,为了更好地揭示页岩的形变机理,还可以将纳米压痕技术与场发射扫描电镜、CT扫描等技术设备相结合,通过观察、刻画纳米尺度下页岩变形前后的物理结构、化学特征及力学性能差异,重构页岩内部裂隙三维空间,查明页岩表面及内部的破裂特征,从而更加深入地了解页岩的形变行为,从微观视角揭示其破裂形变机理。

尽管纳米压痕技术已经为地质学家研究页岩微观力学性质提供了丰富的数据资料,并与宏观力学参数建立了联系,但由于该项技术在微观力学研究中的运用起步较晚,与其他先进的实验技术手段结合程度还不够,因此未来该项技术在扩展应用方面仍然具有较大的进步空间。

(作者单位:中国地质调查局油气资源调查中心)