页岩的蠕变行为控制着沉积岩断层泥的稳定性、上地壳的地震变形，以及非常规页岩气开采过程中的压裂改造效果和钻井井壁稳定性，是表征岩石变形的重要参数。常规压缩蠕变试验可以揭示复杂地质条件下页岩的宏观蠕变特性，但是由于页岩的物理化学性质的不稳定性，宏观压缩实验很难为优化压裂设计获取精准、连续剖面解释的蠕变参数。另一方面，由于页岩具有多尺度多组分的结构特征，准确获取并预测页岩的宏观蠕变行为一直是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有机地球化学国家重点实验室博士生王建丰在熊永强研究员和彭平安研究员的指导下，与挪威奥斯陆大学Luca Menegon教授和François Renard教授合作，选取四川盆地五峰组-龙马溪组富含黏土和石英的页岩样品，在岩屑样品的矿物或有机质颗粒上（微观）和岩心（宏观）样品两个尺度上分别进行了纳米压痕和单轴蠕变等一系列的蠕变测试（图 1）。通过原位纳米压痕测试及Burgers模型等拟合获取了页岩基质各单相组分（石英、长石、方解石、白云石，黏土基质和有机质）的蠕变参数，包括蠕变位移(Δh)，压痕蠕变率(CIT)，蠕变应变速率敏感指数(m)（图2），接触蠕变模量(C)，和粘弹性参数(E1、E2、η1和η2)等。根据获得的页岩各个单相组分的蠕变数据，对从页岩基质组分到页岩全岩进行了蠕变参数(E1, E2, C)的升级预测。根据Mori-Tanaka模型结果，预测的E2和C值与富黏土页岩和富石英页岩的单轴蠕变试验结果比较一致（图3）。但是，预测的弹性参数E1几乎是单轴蠕变试验结果的2倍。这种差异主要是升级预测过程中并未考虑页岩颗粒之间接触处的相对较低的弹性刚度造成的。因此，后续的研究将继续考虑页岩微观结构的复杂性，使得微观纳米压痕蠕变测试能更加有效准确地预测页岩的宏观蠕变行为。
图1 页岩蠕变参数升级示意图
图2 有机质的(a)位移-时间关系，(b)蠕变应变率-时间关系，(c)应力-时间关系，(d)应力对数和蠕变应变率对数变化曲线
图3宏观蠕变参数和升级蠕变参数之间的对比。（a）E1或E值，(b) E2值，(c)C值
上述实验研究为根据页岩微观蠕变特征预测宏观蠕变行为提供了新的方向，对精细刻画和预测页岩的宏观蠕变行为及压裂方案规划设计具有重要的指导意义。研究成果近期发表在国际岩石力学顶级权威学术期刊《International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences》。研究得到了中国科学院战略性先导科技专项A类（XDA14010102），国家自然科学基金项目（42272182、41802165和42002158），广州市基础和应用基础研究项目(批准号SL2023A04J00217)和有机地球化学国家重点实验室自主课题（SKLOG202012）的共同资助。
论文信息：Jianfeng Wang（王建丰）; Yuke Liu*（柳宇柯）; Chao Yang（杨超）; Yangcheng Zheng（郑仰成）； Wenmin Jiang（蒋文敏）; Luca Menegon；François Renard; Ping’an Peng（彭平安）, and Yongqiang Xiong（熊永强）*, 2023. Upscaling the creep behavior of clay-rich and quartz-rich shales from nanoindentation measurements: Application to the Wufeng-Longmaxi shale, China. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 171:105580.
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