微观矿物成分对岩石的机械性能有重要影响。通过计算机断层扫描（CT）扫描，确定了从Jimsar页岩油储层钻取的页岩芯样品内部的矿物成分。利用图像重建技术建立页岩数值模型，并通过纳米压痕试验获得矿物成分的基本力学参数。使用耦合水力学（HM）模型研究了细观岩土工程特性（矿物成分和孔隙度）和人工参数（射孔方向、射孔间距和压裂液粘度）对水力裂缝的影响。结果表明：初始连续裂缝控制了水力裂缝的扩展轨迹，显著降低了应力阴影效应。矿物颗粒和离散的孔隙结构有利于裂缝的分支。在相同的压裂策略下，石英比例的增加促进了水力裂缝的复杂性。压裂后孔隙度的增加与初始孔隙度呈负相关。对于没有初始连续裂缝的模型，水力裂缝的复杂性和受刺激体积随着压裂液粘度的降低和射孔间距的增加而增加。矿物组分确定的脆性指数与压裂后孔隙度密切相关，可为优化水力压裂提供参考。

基于计算机层析成像（CT）扫描技术和图像分析技术，对吉姆萨尔页岩油储层钻探的5个井深 3684.62 m ~ 3705.70 m 岩心样品进行了重建。扫描电子显微镜（SEM）和能量色散 X 射线光谱（EDS）用于辅助测定矿物质含量。然后，利用耦合水力学（HM） 模型对数字岩芯的水力压裂过程进行建模。研究了细观岩土工程特性（矿物成分和孔隙度）和人工参数（射孔方向、射孔间距和压裂液粘度）对水力裂缝的影响。此外，还讨论了矿物成分和初始孔隙率对孔隙率增量的影响。最后，建立了由矿物组分确定的压裂后孔隙度和脆性指数的拟合方程。

数字岩芯的重建过程如图1所示。采用CT扫描、SEM+EDS分析和纳米压痕测试，获得矿物分布、成分和力学性能。将CT扫描切片转换为24位位图图片并导入耦合水力学模拟器。模拟器识别每个像素的灰度值分布，并按灰度阈值对每种矿物进行分类。通过统计分析CT扫描图像中像素的灰度分布并参考从SEM+EDS分析结果获得的矿物体积分数来确定灰度阈值。每个像素都与一个元素配对，并根据矿物类型为每个元素分配介观材料属性。通过这个过程，成功重构了与真实岩心具有相似矿物分布和含量的数字岩心。

图1. 数字岩芯重建过程

数值模型取自Jimsar页岩油储层的典型扫描岩心样品。通过CT扫描，获取深度为3684.62 m ~ 3705.70 m的5个不同岩性的岩心的图像数据。在Avizo软件中对图像数据进行切片，并以相等的间隔选择100个切片：0.02 mm。在每个切片中，切割一个尺寸长度为2 mm的方形截面，以确保数值模型的规则形状。将图像导入到耦合的HM模拟器中。建立了尺寸为2 mm*2 mm*2 mm，由150*150*100个单元划分网格的数值模型（图3）。

图3. 不同模型的弹性模量分布

本研究基于图像处理技术建立了5种不同矿物成分的数字页岩岩芯。采用水力学耦合数值模型，基于不同压裂策略下重建的数值岩心，研究了矿物组分和孔隙结构对裂缝形态的影响。此外，还详细分析了压裂前后的孔隙度变化。结论如下：

(1)基于CT图像重建高分辨率数字页岩岩芯。通过SEM+EDS分析确定的矿物含量和通过纳米压痕测试测量的矿物机械性能有助于提高数字纤芯的准确性。考虑力学参数和渗流参数损伤演变的水力耦合数值模型适用于具有复杂孔隙结构的建模模型，并捕获水力裂缝与初始孔隙和裂缝相交或与矿物颗粒相遇时的裂缝扩展形态。

(2)最终的裂缝形态由围压、矿物含量、孔隙结构和射孔策略决定。初始连续裂缝控制水力裂缝扩展的方向。当储层无裂缝面时，射孔方向和围压是影响水力裂缝扩展方向的主导因素。矿物含量和孔隙结构诱发更多的裂枝。石英含量高的模型会形成复杂的水力裂缝。

(3)压裂液的粘度会影响水力裂缝的复杂程度和受激体积。低粘度会导致更大的水力压裂体积和更复杂的水力压裂网络。

(4)孔隙和裂缝的存在，尤其是连续的裂缝，大大降低了裂缝之间的应力阴影效应。对于没有初始连续裂缝的模型，水力裂缝的复杂度和受刺激体积随着射孔间距的增加而增加。

(5)AE开始快速积累的时间与石英含量呈正相关。在水力压裂过程中，每种矿物的破坏率是不一样的。钾长石和白云石最容易失效，而粘土和石英最难失效。

(6)压裂后孔隙度的增加通常与初始孔隙度呈负相关。然而，对于具有初始连续断裂的模型，孔隙度的增量最小。压裂后孔隙度与矿物组分确定的脆性指数BI5有关，不考虑初始连续裂缝的模型。脆性指数高的BI5模型具有较大的压裂后孔隙度。