页岩中“宝藏能源”如何高效安全使用？同济这位教授带领团队钻研了十多年……

摘要：推进绿色低碳转型的重要战略选择。

能源，被誉为工业的粮食与国民经济的命脉。在全球页岩气技术可采资源量中，中国页岩气可采资源量约占全球20%，排名第一。然而，面对经济的高速增长与庞大的人口基数，我国油气资源的对外依存度仍居高不下，能源安全防线正面临着巨大的挑战。在此背景下，积极探索并大力发展页岩油气等非常规清洁能源，成为我国实现能源安全保障、推进绿色低碳转型的重要战略选择。

一直以来，在中国复杂的地理环境中，如何让这一页岩中的“宝藏能源”高效安全地使用？成为困扰勘探者们的一大瓶颈。同济大学土木工程学院张丰收教授团队坚持钻研十多年，最终凭借“流体注入下深层页岩的破裂与失稳特性”在上海市科技奖励大会上荣获2023年度自然科学一等奖。目前，这一科研成果已成功服务于我国四川盆地海相页岩等20余个页岩油气区块的高效开发与安全控制，特别是在长宁页岩气田的一体化开发技术应用方面，项目成果显著提升了井均产能，增幅高达30%。

【瓶颈：储备丰富却勘探困难】

‌‌页岩气是指赋存于富有机质泥页岩及其夹层中，以吸附和游离状态为主要存在方式的非常规天然气资源‌。页岩气的成分以甲烷为主，是一种清洁、高效的能源资源和化工原料，主要用于居民燃气、城市供热、发电、汽车燃料和化工生产等，具有较高的工业经济价值。

世界页岩气资源量为457万亿立方米，同常规天然气资源量相当，其中页岩气技术可采资源量为187万亿立方米。全球页岩气技术可采资源量排名中，中国以36万亿立方米的可采量排名第一，约占全球的20%。 2012年，中国页岩气开发进入气藏勘探和初步开采试点阶段。众所周知，水力压裂是页岩气的开发关键技术，其主要机制在于通过向地下大规模注入高压流体的方式，形成油气输运的高渗通道。虽然该项技术促成了美国的“页岩革命”，但是在我国的实践过程中却遭遇了诸多挑战。

首先，页岩作为一种特殊的岩石，其内部有机组分与有机孔共存，力学和破裂行为受热成熟度影响大。其次，与美国同类储层相比，中国的页岩储层埋深更大、地质非均质性强，这使得中国的页岩油气开发面临更为复杂的地质条件，无疑增加了水力压裂的难度，降低了开发效率。此外，中国西部地区地质构造运动频繁，断层和裂缝发育集中，工程活动极易诱发地质灾害，进一步加剧了页岩油气开发的难度。

2016年，张丰收教授结束了在美国的研究工作，加入母校同济大学的土木工程学院，担任岩石力学学科的特聘教授。回国之前，张丰收教授已开始对四川盆地深入探索，研究与地质学领域密切相关的清洁能源，也开始思考页岩气高效开发的最佳方案。

针对上述挑战，同济大学土木工程学院张丰收教授团队聚焦“压裂位置选取”、“开展高效压裂”和“确保压裂安全”三大工程难题，深入揭示有机质页岩的物理和力学响应机制、流体注入下页岩裂缝的起裂与扩展规律，以及压裂流体注入诱发页岩断层失稳的机理等三大关键科学问题，为高效而安全的页岩油气开发提供了技术支撑。

【精准预测，高效采集】

如何精准选择注入液体的点位，这是研究的核心议题。

为此，科研团队几乎每年都去四川盆地等页岩油气储备丰富的地区进行野外地质结构勘探。试讲最长的一次，十多个人待了两周，进行样品采集；这样的野外勘探，团队每年都会去3-4次，并和开发企业进行交流，深入了解目前产业的实际需求。

在研究过程中，科研团队观测到页岩内部有机质弹性模量随其成熟度提升而呈现出指数级增长的趋势，并首次揭示了不同成熟度条件下有机-无机组分间力学相互作用的内在规律。这一发现为深层页岩储层的力学参数评估及可压裂性评价提供了坚实的物理理论基础。在此基础上，科研团队创新性地提出了地球化学约束框架下的有机质页岩弹性与力学参数表征理论，形成了岩心、测井和地震资料一体化的页岩三维可压裂性评价方法，为深层页岩资源开采的精确选址提供了重要的科学支撑。

如何高效开采？“这其实涉及很多方面，除了确定注入点位，间隔多远注水、注水压力大小，注水速度、注入多大黏性的液体等都有讲究。”张丰收教授解释，而这就涉及对压裂形态的预测，特别是水力裂缝起裂与扩展行为的复杂描述问题。为此，科研团队开展了“多尺度复杂水力裂缝起裂与扩展机制”的深入探索，构建了裂缝起裂的精确预测模型，有效量化了岩石内部非均质性对裂缝起裂过程的具体影响。

这一研究首次系统性阐述了井筒周围裂缝群间的相互作用机制，并揭示了多裂缝竞争性起裂的力学本质，显著降低了我国深层高应力环境下页岩水力裂缝的起裂压力。基于断裂能与黏性消散间的竞争机制，张丰收教授率先提出了水力裂缝与天然裂缝相互作用的全新理论框架，明确了水力裂缝穿越天然裂缝的三种主要模式，并深入揭示了页岩压裂缝网扩展的动态演化机理，从而实现了对页岩水力压裂过程中复杂缝网形态的精确预测。

【产能增幅达30%】

我国页岩气多存在于四川盆地，四川盆地是天府之国，人口最大的省份，开发的区域也是人员居住比较密集的区域。因此，一方面要把油气高效地抽出来，另一方面要防止因为工程引发的环境问题。比如，对地下水的污染；由于注入高压水，使不稳定的深部岩石断层变得动起来，从而诱发地震等地质灾害。“开采页岩气，就好像用‘矛’打穿地质；而维护地壳稳定，又好像‘盾’保持地质的稳定构造。”张丰收解释。

针对压裂安全与稳定控制这一关键问题，科研团队围绕流体注入诱发深地灾害的防控难题，深入开展了“深地断层滑移理论及稳定性控制技术”的研究。科研团队首次在原位条件下实施了高温高压断层剪切实验，揭示了复杂应力传递诱发地震的新机制，并构建了深地复杂多场耦合条件下页岩断层剪切特性的综合理论体系。基于尺度上推原理与断层愈合机制，科研团队创新性地建立了断层宏观本构模型，并据此构建了场地尺度的断层滑移多场耦合模型，实现了流体注入条件下断层稳定性的有效控制。这一系列研究成果为基于断层稳定性控制理论的深层页岩安全压裂实践提供了坚实的理论基础与技术支撑。

目前，这一项目成果已成功服务于我国四川盆地海相页岩等20余个页岩油气区块的高效开发与安全控制。特别是在长宁页岩气田的一体化开发技术应用方面，项目成果显著提升了井均产能，增幅高达30%。此外，项目团队还成功承接并圆满完成了两期由法国道达尔石油公司委托的国际合作项目，地震表征准确率显著提升28%,为社会经济发展带来了显著的正面效应。自2013年起，团队成员便紧密合作，深耕流体注入下页岩储层的破裂与失稳研究。凭借团队在深地岩石力学领域的贡献，获批了腾讯首届“碳寻计划”项目，从300多个团队中脱颖而出，获终选TOP项目资助奖励。

上海市科委科普项目资助（项目编号：23DZ2305200）