能源，被譽為工業的糧食與國民經濟的命脈。在全球頁岩氣技術可采資源量中，中國頁岩氣可采資源量約占全球20%，排名第一。然而，面對經濟的高速增長與龐大的人口基數，我國油氣資源的對外依存度仍居高不下，能源安全防線正面臨著巨大的挑戰。在此背景下，積極探索並大力發展頁岩油氣等非常規清潔能源，成為我國實現能源安全保障、推進綠色低碳轉型的重要戰略選擇。
一直以來，在中國複雜的地理環境中，如何讓這一頁岩中的「寶藏能源」高效安全地使用？成為困擾勘探者們的一大瓶頸。同濟大學土木工程學院張豐收教授團隊堅持鑽研十多年，最終憑藉「流體注入下深層頁岩的破裂與失穩特性」在上海市科技獎勵大會上榮獲2023年度自然科學一等獎。目前，這一科研成果已成功服務於我國四川盆地海相頁岩等20餘個頁岩油氣區塊的高效開發與安全控制，特別是在長寧頁岩氣田的一體化開發技術應用方面，項目成果顯著提升了井均產能，增幅高達30%。
【瓶頸：儲備豐富卻勘探困難】
頁岩氣是指賦存於富有機質泥頁岩及其夾層中，以吸附和游離狀態為主要存在方式的非常規天然氣資源。頁岩氣的成分以甲烷為主，是一種清潔、高效的能源資源和化工原料，主要用於居民燃氣、城市供熱、發電、汽車燃料和化工生產等，具有較高的工業經濟價值。
世界頁岩氣資源量為457萬億立方米，同常規天然氣資源量相當，其中頁岩氣技術可采資源量為187萬億立方米。全球頁岩氣技術可采資源量排名中，中國以36萬億立方米的可采量排名第一，約占全球的20%。 2012年，中國頁岩氣開發進入氣藏勘探和初步開採試點階段。眾所周知，水力壓裂是頁岩氣的開發關鍵技術，其主要機制在於通過向地下大規模注入高壓流體的方式，形成油氣輸運的高滲通道。雖然該項技術促成了美國的「頁岩革命」，但是在我國的實踐過程中卻遭遇了諸多挑戰。
首先，頁岩作為一種特殊的岩石，其內部有機組分與有機孔共存，力學和破裂行為受熱成熟度影響大。其次，與美國同類儲層相比，中國的頁岩儲層埋深更大、地質非均質性強，這使得中國的頁岩油氣開發面臨更為複雜的地質條件，無疑增加了水力壓裂的難度，降低了開發效率。此外，中國西部地區地質構造運動頻繁，斷層和裂縫發育集中，工程活動極易誘發地質災害，進一步加劇了頁岩油氣開發的難度。
張豐收教授（左）在指導學生做研究。
2016年，張豐收教授結束了在美國的研究工作，加入母校同濟大學的土木工程學院，擔任岩石力學學科的特聘教授。回國之前，張豐收教授已開始對四川盆地深入探索，研究與地質學領域密切相關的清潔能源，也開始思考頁岩氣高效開發的最佳方案。
針對上述挑戰，同濟大學土木工程學院張豐收教授團隊聚焦「壓裂位置選取」、「開展高效壓裂」和「確保壓裂安全」三大工程難題，深入揭示有機質頁岩的物理和力學響應機制、流體注入下頁岩裂縫的起裂與擴展規律，以及壓裂流體注入誘發頁岩斷層失穩的機理等三大關鍵科學問題，為高效而安全的頁岩油氣開發提供了技術支撐。
【精準預測，高效採集】
如何精準選擇注入液體的點位，這是研究的核心議題。
為此，科研團隊幾乎每年都去四川盆地等頁岩油氣儲備豐富的地區進行野外地質結構勘探。試講最長的一次，十多個人待了兩周，進行樣品採集；這樣的野外勘探，團隊每年都會去3-4次，並和開發企業進行交流，深入了解目前產業的實際需求。
在研究過程中，科研團隊觀測到頁岩內部有機質彈性模量隨其成熟度提升而呈現出指數級增長的趨勢，並首次揭示了不同成熟度條件下有機-無機組分間力學相互作用的內在規律。這一發現為深層頁岩儲層的力學參數評估及可壓裂性評價提供了堅實的物理理論基礎。在此基礎上，科研團隊創新性地提出了地球化學約束框架下的有機質頁岩彈性與力學參數表征理論，形成了岩心、測井和地震資料一體化的頁岩三維可壓裂性評價方法，為深層頁岩資源開採的精確選址提供了重要的科學支撐。
流體注入下深層頁岩的破裂與失穩特性（項目技術路線圖）。
如何高效開採？「這其實涉及很多方面，除了確定注入點位，間隔多遠注水、注水壓力大小，注水速度、注入多大黏性的液體等都有講究。」張豐收教授解釋，而這就涉及對壓裂形態的預測，特別是水力裂縫起裂與擴展行為的複雜描述問題。為此，科研團隊開展了「多尺度複雜水力裂縫起裂與擴展機制」的深入探索，構建了裂縫起裂的精確預測模型，有效量化了岩石內部非均質性對裂縫起裂過程的具體影響。
這一研究首次系統性闡述了井筒周圍裂縫群間的相互作用機制，並揭示了多裂縫競爭性起裂的力學本質，顯著降低了我國深層高應力環境下頁岩水力裂縫的起裂壓力。基於斷裂能與黏性消散間的競爭機制，張豐收教授率先提出了水力裂縫與天然裂縫相互作用的全新理論框架，明確了水力裂縫穿越天然裂縫的三種主要模式，並深入揭示了頁岩壓裂縫網擴展的動態演化機理，從而實現了對頁岩水力壓裂過程中複雜縫網形態的精確預測。
【產能增幅達30%】
我國頁岩氣多存在於四川盆地，四川盆地是天府之國，人口最大的省份，開發的區域也是人員居住比較密集的區域。因此，一方面要把油氣高效地抽出來，另一方面要防止因為工程引發的環境問題。比如，對地下水的污染；由於注入高壓水，使不穩定的深部岩石斷層變得動起來，從而誘發地震等地質災害。「開採頁岩氣，就好像用『矛』打穿地質；而維護地殼穩定，又好像『盾』保持地質的穩定構造。」張豐收解釋。
流體注入下深層頁岩的破裂與失穩特性（項目指導頁岩開發全過程）。
針對壓裂安全與穩定控制這一關鍵問題，科研團隊圍繞流體注入誘發深地災害的防控難題，深入開展了「深地斷層滑移理論及穩定性控制技術」的研究。科研團隊首次在原位條件下實施了高溫高壓斷層剪切實驗，揭示了複雜應力傳遞誘發地震的新機制，並構建了深地複雜多場耦合條件下頁岩斷層剪切特性的綜合理論體系。基於尺度上推原理與斷層癒合機制，科研團隊創新性地建立了斷層宏觀本構模型，並據此構建了場地尺度的斷層滑移多場耦合模型，實現了流體注入條件下斷層穩定性的有效控制。這一系列研究成果為基於斷層穩定性控制理論的深層頁岩安全壓裂實踐提供了堅實的理論基礎與技術支撐。
目前，這一項目成果已成功服務於我國四川盆地海相頁岩等20餘個頁岩油氣區塊的高效開發與安全控制。特別是在長寧頁岩氣田的一體化開發技術應用方面，項目成果顯著提升了井均產能，增幅高達30%。此外，項目團隊還成功承接並圓滿完成了兩期由法國道達爾石油公司委託的國際合作項目，地震表征準確率顯著提升28%,為社會經濟發展帶來了顯著的正面效應。自2013年起，團隊成員便緊密合作，深耕流體注入下頁岩儲層的破裂與失穩研究。憑藉團隊在深地岩石力學領域的貢獻，獲批了騰訊首屆「碳尋計劃」項目，從300多個團隊中脫穎而出，獲終選TOP項目資助獎勵。
上海市科委科普項目資助（項目編號：23DZ2305200）