1. 引言
油气资源在全球一次能源消费中的关键地位与日俱增。近年来，页岩油气的快速发展，更是在全球油气供应增长中扮演了主导角色[1]。页岩油气作为资源潜力巨大且具备开发可行性的非常规资源，是21世纪重要的战略接替能源[2]。页岩油气资源的成功开发是全球能源领域的一场革命，其经济效益的实现高度依赖于水平井钻井与水力压裂技术。这些技术的核心地质力学基础在于对页岩储层力学响应的深刻理解，即岩石在外部应力作用下所表现出的变形、强度及破坏行为。页岩作为一种典型的沉积岩，其强烈的层状结构和组分导向性导致了显著的力学各向异性。这种各向异性的核心体现即为垂直层理方向与平行层理方向力学性质的差异，它直接控制了水力裂缝的扩展路径、井筒的稳定性以及储层的可压裂性。然而，不同成因的页岩，如海相页岩、陆相页岩和油页岩，由于其沉积环境、矿物组成和微观结构特征上存在显著差异，导致其表现出截然不同的力学响应。
目前，尽管针对单一类型页岩的力学特性研究已取得一定成果，但缺乏一个系统的框架来对比与阐释这三类页岩在力学性质上的差异性。因此，本文分析海相、陆相及油页岩在矿物组成与微观结构方面的本质差异，并基于单轴压缩、三轴压缩和巴西劈裂试验，系统阐明三类页岩在荷载垂直层理和平行层理方向上的力学响应规律。研究结果为页岩储层的安全高效开发提供了重要的理论依据与实践指导。
2. 矿物组成与微观结构特征
2.1. 矿物组成差异性分析
海相页岩通常形成于深海、半深海、浅海等海洋环境，脆性矿物含量高。王迎港等人[3]对四川盆地龙马溪组海相页岩的矿物组成进行研究，研究发现海相页岩中包含48.5%的石英、19.4%的长石、8.7%的方解石及19.8%的黏土矿物。郭春礼等人[4]对修武盆地下寒武统荷塘组海相页岩的矿物组成进行研究，发现其脆性矿物的含量占据绝对主导地位，其具体数值分布区间为58.3%~66.5%，平均值达到了62.61%。
陆相页岩形成于湖泊、河流、沼泽等陆地环境，黏土矿物含量高。王迎港等人[3]也研究发现鄂尔多斯盆地延长组陆相页岩黏土矿物占比最高，达45.3%。石英和长石次之，分别为32.8%和15.6%。左如斯等人[5]发现川西坳陷须家河组陆相页岩呈现出高黏土矿物的组成特征，辅以石英和长石等组成的硅质矿物，碳酸盐岩含量甚微。
油页岩形成深湖、沼泽等闭塞、缺氧水体环境。油页岩是一种富含有机质的沉积岩，作为一类矿物基质含量丰富的腐泥煤，它属于低热值固态化石燃料，常见浅灰至深褐色。其有机质以不溶于溶剂的高分子聚合物——“油母”为主，沥青含量甚少。而无机矿物质(如石英、云母、碳酸盐岩等)含量更高，约占50%~85% [6]。Wang D. M.等人[7]对抚顺、桦甸、龙口与长春油页岩的对比研究揭示，其矿物含量存在显著地域性差异。Zhang等人[8]对龙口油页岩样品的综合分析表明，干酪根主要富集于低密度组分中。其无机矿物以石英、高岭石、蒙脱石、方解石、方沸石、白云石及黄铁矿为主。Al-Ananzeh N. M. [9]等人对约旦Yarmouk盆地的Wadi Ash Shallala油页岩样品进行分析，发现其矿物组成以方解石为主，并含有高岭石、石英、氟磷灰石等矿物。
2.2. 微观结构差异性分析
张洪等人[10]将陆相页岩和海相页岩进行对比分析，发现海相页岩以吸附力强的有机孔和构造裂隙为主；陆相页岩则以孔径较大、吸附力弱的无机孔和内生裂隙为主。孙彩蓉等人[11]对贵州凤冈区的海相页岩进行研究，研究发现海相页岩主要为Ⅰ型、II型干酪根，孔隙以有机质孔为主且孔隙比表面积较高。管全中等人[12]对我国海相和陆相页岩储层进行试验研究，研究发现相较于陆相页岩以无机孔为主，海相页岩主要发育粒间孔和有机质孔。此外，海相页岩虽孔径较小，但其比表面积与孔容更为发育。Wang Q.等人[13]对塔里木盆地陆相下侏罗统页岩进行研究，陆相页岩中主要为II2型、III型干酪根。Wu W.等人[14]对喀什凹陷北部侏罗系陆相页岩进行研究，研究发现陆相页岩中主要是II和III干酪根。
由于有机质和矿物的紧密堆积，油页岩在原始状态下几乎不发育有效的储集孔隙网络。其原生孔隙度极低，通常远低于常规油气储层。Saif T.等人[15]对油页岩样品进行热解来观察其孔隙度的变化，研究发现油页岩在热解过程中因干酪根分解产烃，内部流体压力积聚并诱发裂缝。这些裂缝从沿层理萌生，最终互联成网，致使样品孔隙度达到23.3%。Jovanievi B.等人[16]对Aleksinac油页岩试样进行研究，Aleksinac油页岩发育有未成熟的有机质，这些有机质主要源自藻类，并以I型和II型干酪根为主。Xudong H.等人[17]分析了油页岩孔裂隙系统的演化过程及其各向异性连通性，结果表明：原始样品结构致密，没有明显孔隙网络；在314℃以上蒸汽作用下，沿层理面产生裂隙，显著改变了平行层理方向的传质能力；当温度超过382℃，热解作用产生簇状孔隙并连接相邻裂隙，形成“孔隙–裂隙簇”；温度进一步升至500℃以上时，该结构开始垂直层理方向扩展，从而显著改变了垂直方向的传质性能。
综上分析，三类页岩的矿物组成和微观结构对比，见表1。
Table 1. Comparison of mineral composition and microstructure of marine shale, continental shale and oil shale
表1. 海相页岩、陆相页岩、油页岩的矿物组成和微观结构对比
岩石类型 |
沉积环境 |
核心特征 |
有机质特征 |
孔隙类型 |
参考文献 |
海相页岩 |
深海、半深海、
浅海等海洋环境 |
脆性含量高 |
主要为I型、
II型 |
主要为粒间孔、
有机质孔 |
文献[3] [4]、
文献[10]-[12] |
陆相页岩 |
湖泊、河流、
沼泽等陆地环境 |
黏土含量高 |
主要为II型、
III型 |
主要为无机孔 |
文献[3]、文献[5]、文献[10]、
文献[12]-[14] |
油页岩 |
深湖、沼泽等闭塞、
缺氧水体环境 |
有机质含量高 |
主要为I型、
II型 |
原始结构无明显孔隙网络，在热解过程中会生成大量孔隙 |
文献[6]、文献[8]、文献[15]-[17] |
3. 海相–陆相–油页岩的力学性质研究
国内外学者通过多种试验手段对海相页岩、陆相页岩和油页岩的力学性质进行了系统研究。下面将基于单轴压缩试验、三轴压缩试验和巴西劈裂试验，分别介绍具体研究人员对这三类页岩的研究成果，并进行对比分析。
3.1. 海相–陆相–油页岩的单轴压缩变形破坏特征研究
王一婷等人[18]对修武盆地下寒武统荷塘组海相页岩试样进行单轴压缩试验，结果表明：荷载垂直层理时抗压强度为83 MPa，弹性模量为13.4 GPa；荷载平行层理时抗压强度为200 MPa，弹性模量为51.35 GPa。荷载垂直层理时，破坏模式主要为拉张破坏和剪切–拉张转换破坏；荷载平行层理时，破坏模式主要为沿层理的拉张破坏。
对于陆相页岩，根据之前对鄂尔多斯盆地上三叠统延长组长72段陆相页岩试样进行单轴压缩试验，结果表明：荷载垂直层理时，抗压强度为59.4 MPa，弹性模量为18.94 GPa；荷载平行层理时，抗压强度为53.8 MPa，弹性模量为28.32 GPa。荷载垂直层理时，试样表现出穿透层理面的拉张破坏特征；荷载平行层理时，试样表现出沿层理面的竖向劈裂型拉张破坏特征[19]。
根据严轩辰、陈晨、沈国军等人[20]-[23]的研究，得到了吉林的农安、汪清地区的油页岩的单轴抗压强度、弹性模量以及泊松比。农安油页岩在荷载垂直层理时，平均抗压强度为10.90 MPa，平均弹性模量为6.2 GPa；荷载平行层理时，平均抗压强度为17.14 MPa，平均弹性模量为1.9 GPa。汪清油页岩在荷载垂直层理时，平均抗压强度为25.62 MPa，平均弹性模量为8.4 GPa；荷载平行层理时，平均抗压强度为14.88 MPa，平均弹性模量为1.4 GPa。可以看出吉林省农安和汪清地区的单轴压缩抗压强度和弹性模量较为相近，因此，这两个地区的力学性质较为相似。
根据上述文献，对荷塘组海相页岩、鄂尔多斯盆地上三叠统延长组长72段陆相页岩、农安地区油页岩(选取农安地区油页岩为农安、汪清地区油页岩的代表)的单轴抗压强度和弹性模量进行对比分析，见图1、图2。
总体而言，海相页岩抗压强度显著优于陆相页岩，其差值范围为23~147 MPa；而陆相页岩抗压强度又明显高于油页岩，差值范围为28~49 MPa。在弹性模量方面，海相页岩垂直层理的弹性模量较陆相页岩垂直层理的弹性模量低约5.5 GPa，但平行层理的弹性模量显著高出陆相页岩约23 GPa，而陆相页岩的弹性模量在总体上又远高于油页岩的弹性模量，其模量差值范围为10~27 GPa。
Figure 1. Comparison of uniaxial compressive strength between Hetang Group marine shale, Yanchang Group continental shale, and Nongan oil shale [18]-[22]
图1. 荷塘组海相页岩、延长组陆相页岩与农安油页岩的单轴抗压强度对比[18]-[22]
Figure 2. Comparison of elastic modulus between Hetang group marine shale, Yanchang group continental shale, and Nongan oil shale [18]-[22]
图2. 荷塘组海相页岩、延长组陆相页岩与农安油页岩的弹性模量对比[18]-[22]
3.2. 海相–陆相–油页岩的三轴压缩变形破坏特征研究
衡帅等人[24]对龙马溪组海相页岩进行三轴压缩试验，结果表明：在围压为10 MPa条件下，荷载垂直层理加载时，海相页岩的三轴压缩抗压强度为154.84 MPa，弹性模量为22.91 GPa，破坏模式主要为贯穿层理的剪切破坏；荷载平行层理加载时，海相页岩的三轴压缩抗压强度为160.07 MPa，弹性模量为42.94 GPa，破坏模式主要为共轭剪切破坏。
李士斌等人[25]对松辽盆地陆相页岩进行三轴压缩试验，结果表明：在围压为12 MPa条件下，荷载垂直层理加载时，陆相页岩的三轴抗压强度为77.205 MPa，弹性模量为4.6341 GPa；荷载平行层理加载时，陆相页岩的三轴抗压强度为49.172 MPa，弹性模量为8.1527 GPa。
朱颖[26]对不同层理面的马泉油页岩试样进行三轴压缩试验，结果表明：在围压为10 MPa下，荷载垂直层理面加载时，油页岩的三轴抗压强度为80.54 MPa，弹性模量为6.9774 GPa，破坏模式主要为穿透层理面的劈裂破坏；荷载平行层理加载时，油页岩的三轴抗压强度为73.21 MPa，弹性模量为15.2548 GPa，破坏模式主要为竖向劈裂型的剪切–张拉复合破坏。
三轴压缩试验结果进一步揭示了页岩力学特性对围压和层理方向的响应。在相近的围压条件下，龙马溪组海相页岩、松辽盆地陆相页岩以及马泉油页岩表现出以下特征，见图3、图4。
Figure 3. Comparison of triaxial compressive strength between Longmaxi group marine shale, Songliao basin continental shale, and Maquan oil shale [24]-[26]
图3. 龙马溪组海相页岩、松辽盆地陆相页岩与马泉油页岩的三轴抗压强度对比[24]-[26]
Figure 4. Comparison of elastic modulus between Longmaxi group marine shale, Songliao basin continental shale, and Maquan oil shale [24]-[26]
图4. 龙马溪组海相页岩、松辽盆地陆相页岩与马泉油页岩的弹性模量对比[24]-[26]
总体而言，陆相页岩与油页岩三轴抗压强度相近，海相页岩的三轴抗压强度远高于陆相页岩和油页岩，其差值范围为74~111 MPa；陆相页岩与油页岩的弹性模量也较为相近，而海相页岩同样具有绝对优势，较陆相与油页岩高出7~39 GPa。
3.3. 海相–陆相–油页岩的劈裂受载变形破坏特征研究
He J.等人[27]对龙马溪组海相页岩进行不同层理面的巴西劈裂试验，结果表明：荷载垂直层理加载时，海相页岩的平均抗拉强度为7.071 MPa，破坏后观察到弯曲裂缝；荷载平行层理加载时，海相页岩的平均抗拉强度为3.091 MPa，破坏后观察到中心线性裂缝。Duo Wang等人[28]对鄂尔多斯盆地乌拉尔里克组海相页岩进行了巴西劈裂试验，结果表明：荷载垂直层理加载时，海相页岩抗拉强度为11.11 MPa；平行层理加载时，海相页岩的抗拉强度为5.50 MPa。荷载垂直层理和水平层理试样的破坏模式均为拉伸破坏。
张润辉[29]对大庆古龙页岩油储层的陆相页岩试样进行巴西劈裂试验，结果表明：室温下陆相页岩垂直层理加载的抗拉强度平均值为4.656 MPa；平行层理加载的抗拉强度平均值为1.967 MPa。根据之前对鄂尔多斯盆地上三叠统延长组长72段陆相页岩进行的巴西劈裂试验，结果表明：荷载垂直层理加载时，平均抗拉强度为5.154 MPa，破坏模式为阶梯型偏心拉张破坏；荷载平行层理时，平均抗拉强度为0.669 MPa，破坏模式为直线型/月牙型穿心拉张破坏[19]。
严轩辰、陈晨、沈国军等人[20]-[23]也对吉林省农安、汪清两个地区的油页岩进行了巴西劈裂试验，结果表明：农安地区油页岩在荷载垂直层理加载时，平均抗拉强度为0.46 MPa；荷载平行层理加载时，平均抗拉强度为0.98 MPa。汪清地区油页岩在荷载垂直层理加载时，平均抗拉强度为0.44 MPa；荷载平行层理加载时，平均抗拉强度为1.81 MPa。
根据上述文献，对龙马溪和乌拉尔里克组海相页岩、大庆古龙和鄂尔多斯延长组长72段陆相页岩、农安、汪清地区油页岩的抗拉强度进行对比分析，见图5。
Figure 5. Comparison of tensile strength of three types of shale[19]-[23] [27]-[29]
图5. 三类页岩的抗拉强度对比[19]-[23] [27]-[29]
总体而言，除龙马溪组海相页岩平行层理抗拉强度较低外，海相页岩抗拉强度显著高于陆相页岩，其高出范围为0~11 MPa；虽然上三叠统延长组长72段陆相页岩平行层理抗拉强度低，但陆相页岩抗拉强度总体上仍高于油页岩，高出范围为0~5 MPa。
4. 海相–陆相–油页岩力学行为差异的影响因素
王拔秀等人[30]发现海相页岩中的生物成因微晶石英不仅显著增强了页岩的脆性特征，还通过构建刚性硅质框架，显著增强了岩石的整体力学性能。
陈立超等人[31]发现四川盆地海相页岩的硬度、刚度及破裂压力均显著高于内蒙古石拐盆地陆相页岩。该差异主要归因于二者在矿物组成与结构上的不同：海相页岩富含石英、方解石等脆性矿物且结构致密，而陆相页岩则黏土含量高且发育粒间孔导致结构疏松。
王迎港等人[3]也发现相较于鄂尔多斯盆地延长组陆相页岩，四川盆地龙马溪组海相页岩表现出更高的平均起裂压力。这主要归因于陆相页岩中更高的黏土矿物含量，从而显著降低了其力学强度。
康毅力等人[32]对鄂尔多斯盆地三叠系延长组长7段富有机质页岩进行研究，研究发现动态力学参数(G, K, E)随有机质含量增加而同步下降，泊松比则呈上升趋势。
刘圣鑫等人[33]对川南龙马溪组页岩进行研究，研究发现页岩中不同矿物组分的力学性质差异显著，其中有机质–黏土矿物的弹性模量与硬度远低于石英等脆性矿物。此差异进一步决定了纹层尺度的力学非均质性——富碎屑纹层表现出较高模量和较高硬度，而富有机质–黏土纹层则力学强度显著较低。
由以上文献结合表1可知，页岩的力学性质主要受其矿物组成和结构控制，海相页岩因高脆性矿物含量与致密结构表现出高强度、高刚度特征；陆相页岩受高黏土含量与疏松结构控制导致力学性能显著弱化；而油页岩的力学行为则受有机质主导，有机质作为一种力学上的“软弱组分”，会降低岩石整体的强度、硬度和弹性模量。
5. 结论与展望
本文通过系统梳理与对比国内外关于海相、陆相及油页岩力学性质的研究，得出以下核心结论：
(1) 三类页岩的强度和弹性模量呈现明显差异：单轴抗压强度海相页岩较陆相页岩高23~147 MPa，陆相页岩较油页岩高28~49 MPa。海相页岩平行层理的弹性模量最大，但垂直层理的弹性模量低于陆相页岩，但陆相页岩的弹性模量远高于油页岩的弹性模量，其模量差值范围为10~27 GPa；陆相页岩与油页岩的三轴抗压强度和弹性模量相近，海相页岩的三轴抗压强度和弹性模量远高于陆相页岩和油页岩，其三轴抗压强度差值范围为74~111 MPa，其弹性模量差值范围为7~39 GPa；海相页岩抗拉强度显著高出陆相页岩0~11 MPa，陆相页岩抗拉强度总体上高出油页岩0~5 MPa。文中有些地区平行层理强度高于垂直层理强度，在水力压裂设计中应充分考虑这一特殊性。
(2) 海相页岩因富含脆性矿物且结构致密，表现出最高的强度、刚度和破裂压力；陆相页岩受高黏土矿物含量和疏松结构主导，力学性能显著弱化；油页岩则因富含有机质，导致弹性模量与强度较低。
(3) 本文的结论基于以上文献的梳理与归纳。然而，无论是海相、陆相还是油页岩，其内部都存在巨大的非均质性。同一类型页岩在不同盆地、不同层位，其矿物组成和结构也可能有显著差异。未来须深化基础理论研究，并推动技术理念交叉(比如将海相页岩体积压裂理念用于油页岩开发)，以支撑非常规油气高效开发。
NOTES
*通讯作者。