干酪根裂解生成页岩油气的物理力学研究

Shale gas is a major strategic energy source in our country. The efficient development of shale gas is of great significance for ensuring energy security and promoting emission reduction in China. Kerogen is the organic matter that generates shale oil and gas. Its gas-forming mechanism is the basis for capacity prediction, exploration theory, and efficient development of shale gas. This project intends to carry out a systematic and in-depth study on the physical mechanics mechanism of gas formation from kerogen pyrolysis. The key points are as follows: (1) The reconstruction of kerogen's molecular model, and the chemo-mechanical coupling mechanism of its pyrolysis. (2) Micro-mechanism of organic pores formation and accompanying shale gas adsorption. (3) Compressible hyperelastic constitutive equation of kerogen. (4) Connectivity model of kerogen pores considering the influences of geotherm, crustal stress and pore pressure. In the early stage of this project, we have obtained rare shale samples which were drilled from shale gas wells ~3000 km underground. And recently we have successfully reconstructed two types of the largest kerogen molecules in the world. We also have conducted initial experiments and simulations about the thermal pyrolysis of kerogen. These investigations have laid a solid foundation for the successful implementation of this project. It is expected that through this project, some innovation results will be obtained in the mechanism of generation and accumulation of shale oil and gas, which lay a foundation for the efficient development of shale gas in China.

页岩气是我国重大战略性能源，其高效开发对于保障我国能源安全和促进节能减排的意义十分重大。干酪根作为生成页岩油气的有机质，其成气机理是页岩气产能预测、勘探理论和高效开发的基础。本项目拟对干酪根裂解生成页岩油气的物理力学机理开展系统和深入探索，重点研究：(1)干酪根分子模型构建及其裂解成气的力-化耦合机理；(2)有机质孔隙形成及伴随的页岩气吸附的微观机制；(3)干酪根的可压缩超弹性本构关系；(4)考虑地热、地应力及孔隙压力等地质条件下的有机质孔隙连通模型。本项目前期获取了国内数口页岩井下约三千米实际工况的珍贵页岩样品，并在近期成功构建了两种目前国际上最大的干酪根分子模型，初步开展了干酪根热裂解成气实验和模拟研究，这些工作为本项目的顺利实施奠定了坚实基础。预期通过本项目的开展，在页岩气资源的成油成气和成储成藏机理方面，取得若干创新性成果，为我国页岩气的高效开发奠定基础。

页岩气是我国重大战略性能源，其高效开发对于保障我国能源安全和促进节能减排的意义十分重大。干酪根作为生成页岩油气的有机质，其成气机理是页岩气产能预测、勘探理论和高效开发的基础。.项目组对干酪根裂解生成页岩油气的物理力学机理开展了系统和深入探索，围绕干酪根分子模型构建及其裂解成气的力-化耦合机理；有机质孔隙形成及伴随的页岩气吸附的微观机制；干酪根的可压缩超弹性本构关系，以及考虑地热、地应力及孔隙压力等地质条件下的有机质孔隙连通模型等四个关键科学问题，结合实验、模拟、理论和人工智能方法，构建了两种国际上最大分子量干酪根模型，阐明了干酪根裂解生成页岩油气的化学-力学耦合效应，实现深部页岩气吸附、解吸的原位模拟，揭示了超额吸附线交叉和解吸滞后现象的微观机理,并开展了基于空间群和统计力学在页岩气脱附/驱替研究。提出了一种新的干酪根分子成熟度指数 (MMI)，在国际上率先建立了复杂环境下干酪根的熟化方程，发展了干酪根的可压缩超弹性-黏弹性本构模型。首次将 Ashby 图应用于地质材料的评估，建立了地质评估的理论框架，并建立了具有任意初始状态的热弹性本构关系。针对“组合爆炸”难题造成的传统方法重构干酪根分子模型困难的问题，项目组结合人工智能方法开展了干酪根组分和类型的预测研究，并开发了基于机器学习智能化高通量重构干酪根分子模型新方法，进一步提出了一种新的基于量子力学的干酪根成熟度指标。以上研究成果为提高页岩油气采收率方面提供理论、计算和实验指导。.受本项目资助，相关研究成果在国际力学和石油权威期刊发表论文共 31 篇 (含 SCI 论文 28 篇)，得到了国内外学者的大量和重点引用。项目执行期间，项目负责人赵亚溥研究员获得了教师最高荣誉“全国优秀教师奖”荣誉称号、“中国科学院教育教学成果奖”一等奖等奖项；在科学出版社出版专著一部：赵亚溥. 理性力学教程. 北京: 科学出版社, 2020；项目研究成果受到国际著名专家和石油、天然气工业界的重点引用和高度评价。美国国家工程院院士、英国皇家学会院士 Michael Farries Ashby 教授与赵亚溥研究员就页岩油气开展和技术应用问题进行了深入讨论，并对本项目组的工作给予了充分肯定和高度评价。