Effect of Diagenesis on Geomechanical Properties of Organic‐Rich Calcareous Shale: A Multiscale Investigation

纳米压痕 油页岩 干酪根 成岩作用 蠕动 钙质的 弹性模量 材料科学 复合材料 矿物学 胶结(地质) 地质学 古生物学 水泥 构造盆地 烃源岩
作者
T.S. Charlton,M. Goodarzi,Mohamed Rouainia,Andrew C. Aplin,Pablo Cubillas
出处
期刊:Journal Of Geophysical Research: Solid Earth [Wiley]
卷期号:126 (7) 被引量:38
标识
DOI:10.1029/2020jb021365
摘要

Abstract This study investigates the nano to core‐scale geomechanical properties of a maturity series of organic‐rich, calcareous shales buried to 100°C–180°C, with a focus on: (a) the mechanical properties of organic matter; (b) the elastic response and anisotropy of the shale composite at micro and core scale; and (c) the creep response. Atomic force microscopy was used to target kerogen at nanoscale resolution, and it was found that the elastic stiffness increased with thermal maturity from 5.8 GPa in an immature sample to 11.3 GPa in a mature sample. Nanoindentation testing of the shale matrix showed that diagenesis is a key factor in determining the bulk elasticity, with increasingly intense carbonate cementation at higher thermal maturities contributing to a stiffer response. A multiscale model was formulated to upscale the elastic properties from nanoscale solid clay minerals to a microcracked composite at core scale, with good predictions of the micro and core‐scale stiffness in comparison to indentation and triaxial results. A negative correlation was found between the creep modulus and clay/kerogen content, with greater creep displacement observed in nanoindentation tests in the immature clay‐ and kerogen‐rich sample compared to samples of higher thermal maturity.
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