探路“宝藏能源”——记上海市自然科学一等奖流体注入下深层页岩的破裂与失稳特性

　　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。一直以来，在中国复杂的地理环境中，如何让页岩气这一“宝藏能源”得到高效安全的使用，是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10多年，其创新成果“流体注入下深层页岩的破裂与失稳特性”已成功服务于我国20余个页岩油气区块的高效开发与安全控制，并于近日荣获上海市自然科学一等奖。

　　直面难题　寻找最佳解决方案

　　众所周知，水力压裂是页岩气的开发关键技术。虽然该项技术促成了美国的“页岩革命”，但在我国的实践过程中却遭遇了诸多挑战。

　　首先，页岩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，使得中国的页岩油气开发面临更为复杂的地质条件。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。

　　针对上述挑战，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　实现高效采集目标

　　如何精准选择注入液体的点位，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，并和开发企业进行交流，深入了解产业实际需求。

　　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。在此基础上，科研团队又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，除了确定注入点位外，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。”张丰收解释道，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，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。

　　成功应用　产能增幅高达30%

　　“开采页岩气，就好像用‘矛’打穿地质；而维护地壳稳定，又好像用‘盾’保持地质的稳定构造。”张丰收解释道。

　　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。他们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，科研团队还创新性地建立了断层宏观本构模型，并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，这一科研成果已成功服务于我国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，显著提升了井均产能，增幅高达30%。