缝网连通与页岩气解吸附及运移的微观机制

There are two basic problems that limit the recovery of the shale gas. First, extensive crack networks are difficult to be formed by hydraulic fracturing. Second, shale gas is difficult to be desorbed from and transported through the nanopores of the shale. These issues are not only important for improving the recovery of the shale gas in the industry, but also become the focus of the scientific research in the area of mechanics, geology, geochemistry, etc. Using in-situ observation technique and mutiscale simulation and theoretical technique including "ab initio simulation-molecular dynamics-phase field dynamics-percolation theory", this project systematically explores the microscopic mechanisms of the dynamic fracturing behavior of the shale in depth and quantitatively. And three main problems are concerned: (1) moving contact line induced instability of the crack in hydraulic fracturing; (2) the size and curvature effect of the shale gas adsorption/desorption in porous medium; (3) seepage law of the multiscale diffusion and transport of the shale gas through the shale. This project targets the national demands for the energy and the international scientific frontier, gives full play to our research team superiority and characteristics, and is supposed to make several significant breakthroughs in improving the recovery of the shale gas.

页岩气开采的两个基本难题是：水力压裂技术难以在页岩中形成大规模的交联裂纹网络；吸附在纳米级孔隙中的页岩气解吸附并运移出页岩孔隙困难。这两者限制了页岩气的采收率，不仅是工程界亟待提高页岩气采收率的关键问题，也是力学、地质、地球化学等学科迫切需要解决的国际前沿问题。本项目拟结合实时在位的实验观测、“第一性原理-分子动力学-相场动力学-逾渗理论”跨尺度模拟及理论建模方法，自下而上地对于缝网连通与页岩气解吸附及运移的微观机制进行系统、深入、定量化的探索，重点解决其中的三个关键科学问题：(1) 水力压裂和非水力压裂过程中接触线移动诱导的裂纹失稳问题；(2) 页岩气在多孔介质中吸附/解吸附的尺寸和曲率效应；(3) 页岩气在页岩体中多尺度扩散和运移的渗流规律。本项目结合能源领域的国家重大需求和国际学科前沿的问题，立足研究团队的优势和特点，以期在提高页岩气采收率方面，取得若干突破性的研究成果。

页岩气开采的两个基本难题是：水力压裂技术难以在页岩中形成大规模的交联裂纹网络；吸附在纳米级孔隙中的页岩气解吸附并运移出页岩孔隙困难。这两者限制了页岩气的采收率，不仅是工程界亟待提高页岩气采收率的关键问题，也是力学、地质、地球化学等学科迫切需要解决的国际前沿问题。.项目组针对水力压裂和非水力压裂过程中接触线移动诱导的裂纹失稳、页岩气在多孔介质中吸附/解吸附的尺寸和曲率效应、页岩气在页岩体中多尺度扩散和运移的渗流规律等三个关键科学问题，结合实验观测、跨尺度模拟和理论建模方法，在国际上首次建立了全应力分量的水力压裂模型，首次提出固-液界面内切应力主导的裂纹扩展机制，发现了水力压裂裂纹失稳现象，厘清了裂纹尖端流-固两相的应力奇异性，并修正了裂纹扩展判据，研究了水力压裂中对称载荷下准静态裂纹的扩展问题，阐明了水力压力中固-液界面内对称切应力的重要影响。对于我国实际工况下页岩的孔隙结构、气体吸附等进行了实验表征，在此基础上研究了页岩气成气过程中力-化耦合和缝网连通的关键物理力学问题。揭示了孔隙尺寸和曲率对于多孔介质中页岩气吸附/解吸附的影响，厘清了甲烷的解吸和驱替过程，阐明了超临界流体驱替页岩气的微观机制。以上研究成果为提高页岩气采收率方面提供理论、计算和实验指导。.受本项目资助，赵亚溥研究员获得了 2018年第十四届北京市高等学校教学名师奖、2016 年中国科学院教育教学成果奖；在科学出版社出版学术专著一部：赵亚溥. 近代连续介质力学. 北京: 科学出版社, 2016；发表标注资助 SCI 论文 18 篇。以上成果受到包信和院士等国际著名学者的重点引用和评价。水力压裂国际权威学者、美国工程院外籍院士、美国明尼苏达大学 Emmanuel Detournay 教授应邀访问力学所，并与项目组就页岩气开采的现场试验和关键力学问题进行了深入讨论，对本项目组在页岩气开采中的水力压裂缝网形成机理方面的贡献给予了充分肯定和高度评价。赵亚溥研究员 2014~2018年连续五年被 Elsevier 评为 “中国高被引学者”，并于2017 年新任《Science China-Physics, Mechanics and Astronomy》中英文版副主编，力学唯一。