王建豐等-IJCG:原子力顯微鏡和納米壓痕結(jié)合原位表征及測定頁巖中有機質(zhì)的力學性質(zhì)
頁巖中有機質(zhì)力學性能的精確測定對于頁巖儲層力學性能的預(yù)測和表征具有重要意義。由于有機質(zhì)顆粒在頁巖中一般以微米級且呈分散狀分布,準確評估其實際力學響應(yīng)具有一定的挑戰(zhàn)性。
近日,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后王建豐在熊永強研究員和彭平安研究員的指導(dǎo)下,與挪威奧斯陸大學Fran?ois Renard教授合作,選取四川盆地五峰組-龍馬溪組的頁巖樣品,提出了一種基于原子力顯微鏡(AFM)與光學顯微鏡結(jié)合的方法,用于定位頁巖中的有機質(zhì),并通過AFM來可視化和量化其楊氏模量(圖1和圖2)。通過對比分析原子力顯微鏡(AFM)與傳統(tǒng)納米壓痕技術(shù)在測定頁巖中有機質(zhì)力學性能方面的優(yōu)劣(圖1),表明原位納米壓痕和原位AFM測試相結(jié)合能更準確地表征頁巖中有機質(zhì)的力學性能。相同熱成熟度下,頁巖中筆石的楊氏模量和硬度略大于頁巖中固體瀝青的力學參數(shù)值。原位AFM和原位納米壓痕的結(jié)果均表明,隨著成熟度的增加,有機質(zhì)的力學參數(shù)也隨之增加(圖3)??傮w而言,兩種技術(shù)相結(jié)合的方法在頁巖有機質(zhì)力學性質(zhì)的精確表征顯示出巨大的潛力。
上述實驗提出了精確表征頁巖中有機質(zhì)力學性質(zhì)的方法,對于促進準確建立相應(yīng)巖石力學模型,預(yù)測頁巖的宏觀力學行為具有重要的實際意義。
研究成果近期發(fā)表在地學國際地學期刊《International Journal of Coal Geology》。研究得到了中國科學院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項A類(XDA14010102)的資助。
論文信息:Jianfeng Wang(王建豐); Dziadkowiec Joanna*; Yuke Liu(柳宇柯); Wenmin Jiang(蔣文敏); Yijun Zheng(鄭益軍); Yongqiang Xiong(熊永強)*; Ping’an Peng(彭平安)and Fran?ois Renard. Combining atomic force microscopy and nanoindentation helps characterizing in-situ mechanical properties of organic matter in shale. International Journal of Coal Geology. 281, 104406.
論文鏈接:https://doi.org/10.1016/j.coal.2023.104406

圖1 納米壓痕和原子力顯微鏡測試有機質(zhì)的實際曲線及其示意圖

圖2(a)AFM獲取的有機質(zhì)光學顯微鏡圖像,(b)~100×100 μm2和(c)10×10 μm2掃描區(qū)域粗糙度(Ra)的相應(yīng)變化;(d)對應(yīng)的楊氏模量的圖像;(e)對應(yīng)的粘附力圖像。

圖3 有機質(zhì)楊氏模量與成熟度(Ro)的關(guān)系圖。(a)原位納米壓痕測試的結(jié)果;(b)AFM方法測試的結(jié)果。

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