近日，国际著名岩石力学学术期刊《International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences》以“Quantifying the effects of laminae on mechanical and damage characteristic of unconventional reservoir shale: Numerical investigation on digital rock models”为题，在线发表了我院博士生闫顶点与指导教师赵峦啸及合作者的成果。该研究基于数字岩石力学模拟方法，定量揭示了纹层类型、数量、厚度等物理属性对非常规储层页岩力学响应与损伤演化特征的控制作用，为理解页岩储层的结构-力学耦合机制及层状岩石可压裂性评价提供了新思路和新方法。
在非常规页岩储层中，纹层对岩石力学行为具有重要影响。然而，现有研究多聚焦于纹层倾角的作用，对纹层类型、数量、厚度等其他物理属性的定量影响关注较少，制约了储层评价与开发策略的精确性。受限于页岩显著的非均质性，实验条件下难以实现单一变量的隔离与精确控制，这为深入探究上述问题带来了挑战。该研究提出了一种基于页岩高分辨率CT扫描的精细数字岩石建模方法，通过阈值分割与网格化处理，在离散元颗粒流框架下，真实重构了层状页岩的微观组构特征，实现了对不同纹层属性(如类型、数量和厚度)的独立解耦。结合实验结果标定的各类纹层微观接触力学参数，检验了模型准确反映层状页岩宏观力学响应的有效性。在此基础上，系统构建了多种不同纹层属性组合的数字页岩，定量分析了这些纹层属性对岩石力学性能与破坏特征的影响(图1)。同时，该研究还进一步对比研究了“软纹层(粘土)”与“硬纹层(硅质)”的力学差异，并揭示了其背后的物理机理。
图1.聚焦不同纹层属性的数字页岩构建及力学模拟流程
研究结果显示，粘土质软纹层数量和厚度的增加均会导致页岩强度与杨氏模量显著下降。其中，纹层数量增加可使强度降低约15%、模量降低约35%；厚度增加则使强度下降约35%、模量减半。同时，纹层数量和厚度的增加均会显著提高页岩的泊松比。发育硬纹层(富硅质)页岩的力学参数随纹层数量或厚度增加呈现与软纹层相反的变化趋势，但其整体强度和刚度仍小于不含纹层的页岩。
图2.不同纹层类型页岩的(a)应力-应变曲线、(b)极限强度、(c)静态杨氏模量和(d)静态泊松比的变化。(b)中显示了每种纹层类型对应的数字纹层页岩模型。五角星标记和虚线背景表示不含纹层的页岩的力学性质。
纹层属性变化对岩石损伤破坏过程中的微裂纹演化具有显著影响，并使岩石破坏模式更加复杂。其中，纹层数量和厚度的增加均会加剧微裂纹扩展，软纹层的作用尤为突出，易诱发剪切滑移与剪切破坏。对软纹层(粘土)、硬纹层(硅质)、岩石基质及其界面处的内部应力分析表明，层状页岩力学性能的差异主要源于各结构单元之间的应力不匹配。应力差异越大，力学反差越明显，局部变形与破坏的复杂性也随之增强。
图3.不同纹层类型页岩破坏过程中的微裂缝分布特征
该研究的模拟结果与实验数据高度吻合，表明数字页岩建模方法不仅能够定量揭示岩石力学性质与纹层属性之间的关系，还能从微观力学视角为相关机理研究提供重要支撑。这一方法为深入认识层状岩石的力学响应和破坏行为、揭示纹层控制下的破坏演化规律提供了新途径，并为非常规储层的精细表征和工程应用奠定了基础。
文章的第一作者为我院博士生闫顶点，通讯作者为赵峦啸教授，合作者包括中国石油勘探开发研究院卢明辉高级工程师、中油测井张永浩高级工程师、我院陈敏研究员以及我校土木工程学院张丰收教授。该研究得到国家自然科学基金资助。
全文链接：https://doi.org/10.1016/j.ijrmms.2025.106218