流体-岩石相互作用对页岩抗弯强度和断裂形态的影响

《Geoenergy Science and Engineering》：Influence of Fluid–Rock Interactions on Flexural Strength and Fracture Morphology of Shale Rocks

　　萨玛·A·马古布（Samah A. Mahgoub）| 萨拉·阿贝迪（Sara Abedi）
德克萨斯A&M大学土木与环境工程系，美国德克萨斯州大学城，邮编77843

**摘要**
本研究探讨了二氧化碳（CO2）与盐水相互作用对具有不同矿物成分的页岩岩石的弯曲响应和断裂表面粗糙度所产生的化学和机械耦合效应。选取了三种地层——鹰福特（Eagle Ford，富含碳酸盐）、二叠纪（Permian，富含石英-长石-粘土）和曼科斯（Mancos，混合矿物组成的）——在100°C和12.4 MPa的压力下暴露于饱和CO2的盐水中，持续时间最长为四周。随后通过三点弯曲试验和激光轮廓测量技术（laser profilometry）来量化弯曲强度、刚度及断裂形态的变化。结果表明，CO2与盐水的相互作用会在岩石近表面形成一层反应层，其范围和影响程度受矿物成分的影响。在富含碳酸盐的鹰福特页岩中，碳酸盐的溶解和重新沉淀形成了一个自限反应前沿，仅导致弯曲性能的轻微下降；而在富含硅酸盐和粘土的二叠纪及曼科斯页岩中，由于长石溶解、粘土膨胀以及应力诱导的石英腐蚀作用，弯曲强度和刚度显著降低。实验还观察到尺寸效应，即表观强度与反应层厚度与试样深度的比率有关，较大比率下的反应层对整体性能的影响更为显著。定量表面分析显示，反应区出现了系统性的平滑现象——某些物理参数减少了9–23%，而其他参数基本保持不变——这反映了反应引起的微观结构和机械性质均质化，从而减少了裂纹的偏转和分支。这些发现揭示了特定矿物与CO2反应如何局部改变断裂形态和拉伸行为，而不会导致整体性能的严重退化。这些结果为评估暴露于反应环境中的页岩地层的长期机械完整性和地质结构稳定性提供了机制基础，对评估其在地质结构稳定性、CO2储层盖层以及可持续地下能源系统中的应用中的耐久性具有重要意义。

**引言**
页岩地层在多种能源和地质环境应用中发挥着关键作用，包括非常规油气生产、CO2封存以及新兴的地下能源系统（如增强型地热系统），同时也关系到地质结构的稳定性。由于页岩的广泛分布和复杂的孔隙结构，它们既是重要的资源，也是地下作业中的关键障碍。特别是页岩与富含CO2的流体之间的相互作用会显著改变其 transport 性和机械性能，进而影响地质结构稳定性、储层性能、密封效果及长期储存安全性。因此，理解这些化学-机械耦合过程对于在反应性地下环境中进行可靠预测和风险评估至关重要。

页岩是一种细粒状、成分不均匀的岩石，由不同比例的粘土、石英、碳酸盐、长石和有机质组成。它们的地球化学反应性和机械响应强烈依赖于其矿物组成。当暴露于富含CO2的盐水中时，如方解石和白云石等碳酸盐矿物会通过酸碱反应迅速溶解（CO2(aq) + H2O → H2CO3; H2CO3 + CaCO3 → Ca2+ + 2HCO3-），释放出阳离子和碳酸氢根离子。随后，随着pH值升高，碳酸盐可能重新沉淀，形成局部降低渗透性的反应层，进而抑制进一步反应。相比之下，硅酸盐和铝硅酸盐矿物（如石英、长石和粘土）虽然反应较慢，但会产生重要的机械变化：长石可溶解形成高岭石和伊利石-蒙脱石混合物；而反应性粘土则通过层间阳离子交换和水合作用发生膨胀或重构。这些反应不仅改变了矿物成分，还影响了微观结构完整性：溶解作用削弱了颗粒间连接并增加了孔隙连通性，而沉淀作用可能导致孔隙堵塞或产生局部应力场。通常被认为机械性质稳定的石英在反应和应力条件下也可能发生应力腐蚀（stress corrosion cracking, SCC），导致Si–O–Si键断裂并扩展裂纹。

实验室实验表明，CO2引起的改变会导致弹性模量、无约束压缩强度和断裂韧性的下降，这些变化通常发生在反应层附近。对于富含碳酸盐的页岩，由于形成了惰性保护层，机械退化得以缓解或部分限制；而富含硅酸盐和粘土的页岩则由于长石溶解、粘土膨胀和微裂纹聚合而表现出更明显的劣化。化学-机械耦合还体现在断裂形态的变化上：反应引起的软化作用降低了各相间的刚度差异，使得应变场更加均匀，断裂表面更加平滑。然而，这种从粗糙、异质断裂形态向平滑、化学改性界面的转变在微观尺度上的机制尚不详，相关研究较少。

以往关于CO2与页岩反应性的研究主要集中在宏观尺度上的力学测试（如三轴压缩或声波速度监测）或矿物溶解-沉淀的地球化学建模上，较少将断裂尺度上的力学测试与微观表面形态表征相结合。因此，微观反应、界面退化与断裂粗糙度演化之间的机制联系仍不明确。理解这一关系对于预测渗透率演变至关重要，因为断裂开口、曲折度和粗糙度直接影响到流体流动路径和机械密封能力。此外，量化反应引起的机械均质化对反应性传输和地质力学模拟中的本构模型也有重要影响。

**材料与方法**
本研究重点研究了三种具有不同矿物成分的页岩——鹰福特、二叠纪和曼科斯——在二氧化碳盐水作用下的弯曲响应和断裂表面粗糙度。通过三点弯曲试验（不含缺口）评估了它们的弯曲行为和变形特性，并使用激光扫描轮廓测量技术在模拟储层条件的情况下量化暴露前后表面粗糙度的变化。

**结论**
本研究考察了二氧化碳盐水相互作用对具有不同矿物成分的页岩岩石的弯曲强度、刚度和断裂表面粗糙度的影响。结果表明，表面附近的化学反应显著改变了岩石的断裂行为和形态。在所有测试的地层中，CO2与盐水的相互作用均导致近表面形成一层高度反应层，其范围和影响程度受矿物成分控制。富含碳酸盐的鹰福特页岩中，溶解的CO2生成碳酸，促使方解石溶解（CO2(aq) + H2O → H2CO3; H2CO3 + CaCO3 → Ca2+ + 2HCO3-），随后可能通过碳酸盐的重新沉淀形成自限性改性层。

**作者貢献声明**
萨玛·A·马古布（Samah A. Mahgoub）负责原文撰写、初步研究及正式数据分析；
萨拉·阿贝迪（Sara Abedi）负责审阅编辑、项目监督、资金申请、数据管理及概念构思。

**利益冲突声明**
作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益冲突或个人关系。

**致谢**
作者感谢美国国家科学基金会（NSF）在项目编号2045242项下的部分资金支持，这有助于项目的顺利完成。同时感谢材料表征设施（Materials Characterization Facility, MCF）的工作人员，以及德克萨斯A&M大学小尺度力学行为实验室（Small-Scale Mechanical Behavior Laboratory）的乔治·M·法尔（George M. Pharr）博士提供的设备支持。此外，也感谢叶豪（Hao Ye）在实验过程中提供的协助。