近日，湖南科技大学罗亚飞副教授等撰写的题为“Experimental and Numerical Study on the Mechanical Evolution of Shizhu Shale under Water-rock Interaction”的论文在GeoStorage-《地质储存》(英文刊)在线发表，论文通过室内试验与数值模拟的方法，揭示了返排液浸泡下石柱页岩的矿物组分变化以及力学强度演化特征。研究成果可为页岩气开采及页岩地层储能等提供理论指导。欢迎下载、阅读、转发和引用！

全文网址： https://gs.yandypress.com/index.php/3080-8812/article/view/141/154

引用格式：   Li B, Zhu YJ, Li YZ, et al. 2026. Experimental and Numerical Study on the Mechanical Evolution of Shizhu Shale under Water-rock Interaction. GeoStorage, 2(1), 78-97.   https://doi.org/10.46690/gs.2026.01.06.

一、研究背景

地下油气储库是保障能源安全、实现调峰保供和应急储备的重要工程形式。在注采循环、停井及周期性作业过程中，储层岩石与产出水、地层水或返排液长期接触，易引发矿物溶解/沉淀、黏土膨胀、孔裂隙重构及颗粒间胶结弱化等一系列水-岩作用过程，进而影响储层及盖层的密封完整性、注采性能与长期运行安全。因此，揭示页岩在真实储层流体环境中的力学演化规律，对于地下油气储库稳定性评价与风险控制具有重要意义。该研究以重庆石柱页岩为对象，围绕“矿物演化—结构重构—力学响应”这一主线，系统分析了水-岩作用下页岩力学性能的时变特征及其内在机理。 

二、核心内容

为尽可能贴近地下储库实际流体环境，研究采用现场采集的产出水作为浸泡介质，将石柱页岩试样分为未浸泡、浸泡1天、3天、7天、15天和30天六组，随后开展X射线衍射（XRD）矿物分析、巴西劈裂试验和三轴压缩试验，并结合有限-离散元方法（FDEM）建立考虑矿物组分演化的数值模型。研究一方面通过室内试验获取不同浸泡阶段的矿物组成、强度变化和破坏形态，另一方面通过数值模拟进一步验证矿物演化对裂纹扩展路径、破坏复杂度及宏观强度变化的控制作用，从而实现试验结果与机理分析的相互印证。

图1 综合实验方案

 研究表明，石柱页岩在产出水浸泡过程中，矿物组成和力学性质均表现出显著的时变演化特征。矿物分析显示，石英作为刚性骨架矿物，表现出较强化学稳定性；白云石和方解石等碳酸盐矿物变化最为显著，呈现动态溶解—沉淀过程；伊利石等黏土矿物虽变化幅度较小，受矿物相对含量的变化，页岩力学性质呈现非单调变化。

图2 页岩随不同浸泡时间矿物组分含量的变化

图3 不同浸泡时间下巴西劈裂应力-应变曲线与破坏形态

图4 不同浸泡时间下三轴压缩应力-应变曲线

图5 页岩裂纹形态及分形复杂度演化特征

图6 基于 FDEM 的页岩矿物-裂缝演化机制示意图

      在宏观力学响应方面，石柱页岩并未表现为单一的持续弱化，而是呈现出明显的阶段性演化。巴西劈裂强度总体表现为“轻微下降—恢复—再轻微下降”的波动趋势。三轴压缩强度则可分为三个阶段：0–3天为强化阶段，7–15天为退化阶段，15–30天为再稳定阶段。其峰值抗压强度由初始的346.54MPa 升高至3天时的402.99MPa，随后在7天显著下降至164.27MPa，至30天时稳定在174.22MPa。造成这种现象的本质原因是矿物溶解、孔隙重构、局部沉淀填充和结构再平衡共同作用的结果，这表明水-岩作用下页岩力学性质的演化并不是简单意义上的“浸泡越久、强度越低”。

      随着浸泡时间增加，页岩破坏模式也持续演化。巴西劈裂试样由较单一的平直主裂缝，逐渐转变为更粗糙、分叉更多的裂纹形态。三轴压缩试样则由相对集中的裂缝模式演化为更复杂的网状裂隙系统。分形分析进一步表明，三轴压缩试样裂纹分形维数由1.33增至1.44，其中主要矿物变化以碳酸盐矿物溶解与黏土矿物为主，说明碳酸盐矿物溶解与黏土矿物作用共同促进了裂纹网络扩展及复杂化。 数值模拟结果与室内试验在应力-应变曲线、峰值强度和破坏形态上具有较好一致性，说明所建立的FDEM模型能够较好表征矿物相对含量变化作用下页岩从连续变形到裂纹扩展再到最终破坏的全过程。研究进一步指出，页岩的宏观力学行为并非由单一矿物控制，而是由硬质矿物与软质矿物之间的动态平衡共同决定：白云石和石英等硬质矿物主要提供骨架支撑和承载能力，伊利石和方解石等相对软弱矿物则更易诱发界面弱化、局部应力集中和裂纹偏转扩展。正是这种“硬矿物支撑—软矿物弱化”的动态平衡关系，决定了页岩在水-岩作用下表现出的强化、退化与再稳定的阶段性力学演化特征。

       展望：本研究从矿物变化出发，贯通了页岩微观结构重构与宏观力学响应之间的联系，为地下油气储库围岩完整性评价、储层稳定性分析及水-岩作用风险防控提供了新的理论依据，也为后续地下储气库、页岩气开发及相关非常规储层工程中的参数优化与长期安全评估提供了参考。

三、作者简介

通讯作者：罗亚飞，湖南科技大学资源环境与安全工程学院副教授、硕士生导师。主要从事非均质煤岩体孔裂隙结构多尺度表征、反演建模及多物理场多相流耦合机制方面的研究。近年来，主持国家自然科学基金青年基金项目1项、湖南省自然科学基金青年基金项目等省部级项目3项，校企合作低渗煤层增透方面的科技攻关项目6项，作为研究骨干参与了国家自然科学基金重点项目“煤层气及煤系气合采基础研究”以及山西省科技厅重点研发计划“特厚煤层坚硬顶板多场耦合致灾机理及协同控制技术”。在国内外权威期刊上以第一作者/通讯作者发表SCI/EI/CSCD检索论文18篇，授权发明、实用新型专利及软件著权16件。入选湖南科技大学“湘江学者”计划，兼任《矿产保护与利用》、《当代化工》、《城市管理与科技》等期刊青年编委，国家基金委通讯评审专家，教育部学位中心评审专家。