非均质性是天然岩石的固有特性，均质性是相对的，非均质性是绝对的。非常规储层页岩作为一种典型的细粒沉积岩，因其组分的多样性而表现出显著的非均质特征。深入理解非均质性对页岩力学响应特征及其破坏行为的影响，对于地球科学和能源科学等多个领域的研究发展有重要意义，例如非常规油气藏的勘探开发、二氧化碳捕集与封存(CCS)以及放射性核废料处理等。然而，目前针对岩石非均质性定量表征的研究大多集中在储层空间变异或孔隙结构的几何刻画上，缺乏专门刻画岩石力学响应特征和损伤机理的非均质性研究。
我室赵峦啸教授课题组博士生闫顶点从岩石内部微观混乱程度的角度出发，聚焦岩石内部矿物组成及其微观弹性力学性质的差异，提出了用于定量表征非常规储层页岩非均质性的评价指数。在此基础上，结合北美海相和中国湖相页岩室内实验数据及数字岩心仿真，揭示了非均质性对岩石力学响应特征和破坏行为的影响机理。相关成果近日以“Heterogeneity indexes of unconventional reservoir shales: Quantitatively characterizing mechanical properties and failure behaviors”为题发表在国际著名岩石力学学术期刊《International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences》上。
图1. 非均质指数示意图:(a):非均质指数较小的储层页岩;(b):轻度非均质页岩;(c):成分较均匀的强非均质储层页岩
实验结果表明，非均质性指数对储层页岩的力学响应和损伤特性有着显著的影响。在围压一定的条件下，随着非均质性指数的增加，岩石的极限强度和静态杨氏模量总体呈现下降趋势。此外，结合离散元方法和数字岩心技术，构建了符合真实岩石特征的数字岩心，并开展了相应的模拟试验。模拟结果在一定程度上验证了实验结论，揭示了岩石内部不同组分接触时更易产生应力集中效应的微观损伤机理，这对于理解非均质页岩力学响应特征和破坏行为具有重要意义。
图2. 实验数据分析非均质指数与储层页岩极限强度的关系
该项研究所提出的岩石非均质性指标为理解岩石的力学特性和破坏行为提供了重要途径，有助于更深入理解非常规页岩储层可压裂性的物理机理，并为可压裂性评价模型构建提供物理支撑。
文章的第一作者为我室博士生闫顶点，通讯作者为赵峦啸教授。该研究得到国家自然科学基金(42174134、41874124、12002351)、中国科学院青年创新项目(2021286)、上海市启明星计划项目(21QA1409200)以及中央高校基本科研业务费专项资金的资助。
全文链接：https://doi.org/10.1016/j.ijrmms.2023.105577