本报记者 李蕾

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，一直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%。

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。然而，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，这意味着中国的页岩油气开发面临更为复杂的地质条件。

针对上述挑战，张丰收团队聚焦“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。

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。

科研团队还开展了“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。

针对压裂安全与稳定控制这一关键问题，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。

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