页岩力学性能的研究对页岩油气开发中压裂改造设计以及开展甜点评价具有重要意义。传统的单轴/三轴压缩试验宏观力学实验存在样品需求量大、测试周期长及样品不可回收等问题。且由于页岩的易碎性和弱层理面导致取芯困难，很难为优化压裂设计提供力学参数的连续解释剖面。因此，开发高效、简便且可靠的力学测试方法成为非常规油气领域的研究热点。近年来，微观力学测试在页岩中的应用受到了极大的关注，然而由于页岩具有很强的非均质性，通过微观力学测试准确获取并预测页岩的宏观力学行为并不容易，已经成为一个亟需解决的科学问题。

 针对上述问题，中国科学院广州地球化学研究所博士后王建丰在熊永强研究员、刘大永副研究员和彭平安院士的指导下，选取四川盆地五峰组-龙马溪组的页岩样品，借助三轴压缩，微米压痕和纳米压痕（图1-2）测试，获取了页岩在宏观和微观上的杨氏模量。通过Mori-Tanaka（MT）、自洽（SC）和Voigt-Reuss-Hill（VRH）均匀化模型，将纳米压痕和岩石矿物学升级方法得到的杨氏模量与微米压痕和三轴压缩试验的结果进行了比较。结果表明，基于MT和SC模型的矿物学预测方法得到的模量值比基于MT模型的纳米压痕预测方法高，且均超过三轴压缩试验值（图3）。而基于VRH模型的纳米压痕方法与微米压痕试验所得的模量相近，但略低于宏观力学试验结果，可作为无岩心条件下页岩宏观力学行为的有效预测手段。

此外，结合纳米压痕法与地球化学分析（矿物成分、有机质含量、有机质化学结构和Rock-Eval热解分析），评估了富有机质页岩在生排烃过程中的微观力学性质变化。研究表明，有机质力学性质随成熟度演化可分为主要生油阶段和凝析油气生成阶段。页岩中有机质的硬化与有机质芳碳率的增加和芳香基团的缩合有关。低成熟度时，粘土基质因液态烃生成而略变软；但总体上，由于脱水、液态烃排出或裂解、粘土矿物转化及有机质的硬化，粘土基质随成熟度增加而变硬。页岩的杨氏模量和硬度随成熟度增加而增加，与有机质和粘土基质的硬化及更致密的微观结构发育密切相关（图4）。

图1 页岩和泥灰岩上网格纳米压痕的扫描电子显微镜-X射线能谱仪（SEM-EDS）图。Qtz：石英；Fs：长石；Kfs：钾长石；Ab：钠长石；Cly：粘土矿物；Cal：方解石；Dol：白云石；Py：黄铁矿；Ap：磷灰石；OM：有机质；Uc：未识别。

图2 网格纳米压痕（P=4.8 mN）和微米压痕（P =400 mN）示意图，P =4.8 mN压痕点在单矿物或矿物界面上和P =400 mN压痕点位于页岩多相复合体上

图3 预测的模量与静态杨氏模量的结果（a）和相对误差的比较（b）

图4  E_CM与E_OM（a）、H_CM与H_OM（b）的关系；E_BS和E_OM（c）、H_BS和H_OM（d）、E_BS和E_CM（e）以及H_BS和H_CM（f）。有机质杨氏模量（E_OM）、粘土基质杨氏模量（E_CM）和页岩杨氏模量（E_BS）；有机质硬度（H_OM）、粘土基质硬度（H_CM）和页岩硬度（H_BS）

 上述实验探究对于预测页岩的宏观力学行为以及为页岩油地下原位转化的工程应用具有重要的理论意义。研究成果发表在地学领域国际重要期刊《Geomechanics and Geophysics for Geo-Energy and Geo-Resources》和综合期刊《Scientific Reports》上。研究得到了国家资助博士后研究人员计划（C档）（GZC20241735），中国博士后科学基金面上资助（2024M763277），国家自然科学基金项目（42272182和42002158），广州市基础和应用基础研究项目(批准号2023A04J0208)和甘肃省油气资源研究重点实验室开放基金（SZDKFJJ2023009）等共同资助。

论文信息：

Jianfeng Wang（王建丰）, Chao Yang*（杨超）, Yan Guo (郭炎), Yuke Liu（柳宇柯）, Wenmin Jiang（蒋文敏）, Yadan Luo（罗亚丹）；Yuandong Wu (吴远东), Yongqiang Xiong（熊永强）, and Ping’an Peng（彭平安）. Examining the reliability of current micro-and nano-indentation-based rock mechanical upscaling schemes: A comprehensive comparison with uniaxial/triaxial macroscopic mechanical testing. Geomechanics and Geophysics for Geo-Energy and Geo-Resources, 2025 11, 2-29. DOI: 10.1007/s40948-025-00941-7.

论文链接：https://link.springer.com/article/10.1007/s40948-025-00941-7

Jianfeng Wang（王建丰）, Dayong Liu*（刘大永）, Jianfei Shi（施健飞）, Chao Yang（杨超）, Yuke Liu（柳宇柯）, Guozhi Wang（王国志）, Huijuan Guo（郭慧娟）, Peng Liu（刘鹏）, Yongqiang Xiong*（熊永强）, and Ping’an Peng（彭平安）. Evolution of mechanical properties of organic-rich shale during thermal maturation. Scientific Reports, 2024, 14, 24327. DOI: 10.1038/s41598-024-75035-7.

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41598-024-75035-7