干酪根是頁巖基質(zhì)的重要組成部分，對于富有機(jī)質(zhì)頁巖來說，其相對高的含量一定程度上也影響著頁巖的宏觀力學(xué)特征。在整個(gè)頁巖熱演化過程中，由于有機(jī)質(zhì)自身化學(xué)組構(gòu)改變等，可能會(huì)導(dǎo)致頁巖宏觀力學(xué)性質(zhì)的變化。因此，準(zhǔn)確理解干酪根在熱成熟過程中的納米力學(xué)行為對建立相應(yīng)巖石力學(xué)模型來提高地震數(shù)據(jù)解釋精度、優(yōu)化頁巖井壁穩(wěn)定性和水力壓裂設(shè)計(jì)、開展甜點(diǎn)評(píng)價(jià)以及進(jìn)行鉆井工程設(shè)計(jì)等都具有重要意義。前人對于干酪根的力學(xué)性能隨熱成熟度的演化特征一直存在一定的爭議（Zargari et al., 2016; Khatibi et al., 2018），也缺乏干酪根在整個(gè)油氣生成階段力學(xué)性質(zhì)的演化特征的研究。
針對上述問題，中國科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所有機(jī)地球化學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室博士生王建豐在導(dǎo)師熊永強(qiáng)研究員指導(dǎo)下，選取下馬嶺組頁巖干酪根為研究對象，開展封閉體系黃金管熱模擬實(shí)驗(yàn)，利用激光拉曼光譜儀、固體13C核磁共振技術(shù)和納米壓痕儀，探究熱演化過程中干酪根表面力學(xué)性能演化規(guī)律及影響因素，主要得到以下認(rèn)識(shí)：
干酪根表面力學(xué)性質(zhì)（楊氏模量和硬度）隨熱成熟度EasyRo（0.73-4.45%）增大而增大，主要表現(xiàn)為兩段式的演化規(guī)律。在熱降解生油階段-濕氣階段（EasyRo在0.73%-2.50%）力學(xué)參數(shù)值增長量較小；楊氏模量從3.44±0.29GPa上升到5.56±0.30GPa，硬度從0.18±0.01 GPa上升到0.42±0.03GPa。干氣階段（EasyRo在2.50%-4.45%），其力學(xué)性能參數(shù)值增長量較大，上升更快；楊氏模量從5.56±0.3GPa迅速上升到9.71±1.0GPa，硬度從0.42±0.03GPa上升到1.47±0.31GPa（圖1），干氣階段的力學(xué)參數(shù)值標(biāo)準(zhǔn)差相對較大，主要與其表面結(jié)構(gòu)各向異性程度較高有關(guān)。
圖1 干酪根硬度隨EasyRo（%）的變化(a)、楊氏模量隨EasyRo（%）的變化(b)。
干酪根力學(xué)性能隨成熟度的演化趨勢主要受控于其內(nèi)部化學(xué)結(jié)構(gòu)的變化。表現(xiàn)在：在生油階段-濕氣階段和干氣階段，其楊氏模量、硬度與峰位差（RBS）、芳碳率（fa）和橋頭碳占比（faB）都存在較好的線性正相關(guān)性（R2＞0.71）（圖2），表明干酪根中芳香結(jié)構(gòu)的不斷縮合是導(dǎo)致其力學(xué)性能增強(qiáng)的主要因素。
圖2 干酪根的力學(xué)性能與峰位差（RBS）、芳碳率（fa）和橋頭碳占比（faB）的關(guān)系
上述研究通過實(shí)驗(yàn)揭示了干酪根力學(xué)性質(zhì)隨熱成熟度的演化特征，對于建立相應(yīng)巖石力學(xué)模型，精細(xì)刻畫和預(yù)測不同成熟度頁巖的力學(xué)性能具有重要的理論意義與應(yīng)用潛力。研究成果近期發(fā)表在國際期刊《Marine and Petroleum Geology》。本研究得到了中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)A類（XDA14010102），國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41902129、41802165和42002158）和有機(jī)地球化學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自主課題（SKLOG202012）的資助。
論文信息：Jianfeng Wang（王建豐）; Yuke Liu（柳宇柯）; Chao Yang（楊超）; Wenmin Jiang*（蔣文敏）; Yun Li*（李蕓）; Yongqiang Xiong（熊永強(qiáng)）, Ping’an Peng（彭平安）; Evolution of mechanical properties of kerogen with thermal maturity. Marine and Petroleum Geology, 145: 105906.
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