《縫網連通與頁岩氣解吸附及運移的微觀機制》是依託中國科學院力學研究所，由趙亞溥擔任項目負責人的聯合基金項目。
基本介紹
- 中文名：縫網連通與頁岩氣解吸附及運移的微觀機制
- 項目類別：聯合基金項目
- 項目負責人：趙亞溥
- 依託單位：中國科學院力學研究所
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
頁岩氣開採的兩個基本難題是：水力壓裂技術難以在頁岩中形成大規模的交聯裂紋網路；吸附在納米級孔隙中的頁岩氣解吸附並運移出頁岩孔隙困難。這兩者限制了頁岩氣的採收率，不僅是工程界亟待提高頁岩氣採收率的關鍵問題，也是力學、地質、地球化學等學科迫切需要解決的國際前沿問題。本項目擬結合實時在位的實驗觀測、“第一性原理-分子動力學-相場動力學-逾滲理論”跨尺度模擬及理論建模方法，自下而上地對於縫網連通與頁岩氣解吸附及運移的微觀機制進行系統、深入、定量化的探索，重點解決其中的三個關鍵科學問題：(1) 水力壓裂和非水力壓裂過程中接觸線移動誘導的裂紋失穩問題；(2) 頁岩氣在多孔介質中吸附/解吸附的尺寸和曲率效應；(3) 頁岩氣在頁岩體中多尺度擴散和運移的滲流規律。本項目結合能源領域的國家重大需求和國際學科前沿的問題，立足研究團隊的優勢和特點，以期在提高頁岩氣採收率方面，取得若干突破性的研究成果。
結題摘要
頁岩氣開採的兩個基本難題是：水力壓裂技術難以在頁岩中形成大規模的交聯裂紋網路；吸附在納米級孔隙中的頁岩氣解吸附並運移出頁岩孔隙困難。這兩者限制了頁岩氣的採收率，不僅是工程界亟待提高頁岩氣採收率的關鍵問題，也是力學、地質、地球化學等學科迫切需要解決的國際前沿問題。 項目組針對水力壓裂和非水力壓裂過程中接觸線移動誘導的裂紋失穩、頁岩氣在多孔介質中吸附/解吸附的尺寸和曲率效應、頁岩氣在頁岩體中多尺度擴散和運移的滲流規律等三個關鍵科學問題，結合實驗觀測、跨尺度模擬和理論建模方法，在國際上首次建立了全應力分量的水力壓裂模型，首次提出固-液界面內切應力主導的裂紋擴展機制，發現了水力壓裂裂紋失穩現象，釐清了裂紋尖端流-固兩相的應力奇異性，並修正了裂紋擴展判據，研究了水力壓裂中對稱載荷下準靜態裂紋的擴展問題，闡明了水力壓力中固-液界面內對稱切應力的重要影響。對於我國實際工況下頁岩的孔隙結構、氣體吸附等進行了實驗表征，在此基礎上研究了頁岩氣成氣過程中力-化耦合和縫網連通的關鍵物理力學問題。揭示了孔隙尺寸和曲率對於多孔介質中頁岩氣吸附/解吸附的影響，釐清了甲烷的解吸和驅替過程，闡明了超臨界流體驅替頁岩氣的微觀機制。以上研究成果為提高頁岩氣採收率方面提供理論、計算和實驗指導。 受本項目資助，趙亞溥研究員獲得了 2018年第十四屆北京市高等學校教學名師獎、2016 年中國科學院教育教學成果獎；在科學出版社出版學術專著一部：趙亞溥. 近代連續介質力學. 北京: 科學出版社, 2016；發表標註資助 SCI 論文 18 篇。以上成果受到包信和院士等國際著名學者的重點引用和評價。水力壓裂國際權威學者、美國工程院外籍院士、美國明尼蘇達大學 Emmanuel Detournay 教授應邀訪問力學所，並與項目組就頁岩氣開採的現場試驗和關鍵力學問題進行了深入討論，對本項目組在頁岩氣開採中的水力壓裂縫網形成機理方面的貢獻給予了充分肯定和高度評價。趙亞溥研究員 2014~2018年連續五年被 Elsevier 評為 “中國高被引學者”，並於2017 年新任《Science China-Physics, Mechanics and Astronomy》中英文版副主編，力學唯一。
