通过对比中美在页岩油气开发理念、储集层改造对策、压裂施工参数、压裂装备工具与材料、采油采气技术、数据成果共享6个方面的技术进展及差距,系统总结了中国页岩油气资源开发在渗流规律认识、油气储量动用、复杂裂缝监测、重复改造技术、采油采气技术、套变防治技术、井筒维修技术7个方面存在的短板。在此基础上,结合中国页岩油气的地质要素与工程要素,从宏—细观角度提出了建设基础创新工程、开采技术工程、油气稳产工程、配套提效工程这“四大工程”的发展建议,以促进页岩油气产业链与创新链快速、高效、稳定、绿色和规模化发展,从而实现“稳油增气”的目标。

基于最新钻井资料,结合埋藏史、成烃史、成藏史剖析,明确源下成藏特征,构建吉南凹陷二叠系成藏组合模式。研究表明：①吉南凹陷二叠系芦草沟组厚层优质咸化湖盆相烃源岩主体达到成熟阶段,资源基础雄厚;井井子沟组、梧桐沟组和芦草沟组均发育规模储集体,且纵向上存在多套良好的区域盖层,生-储-盖配置良好,存在源下、源内、源上3种成藏组合。②溶蚀作用、烃类充注保孔作用及绿泥石膜的存在,有效增加了源下储集空间,原油先充注、储集层后致密的特征提高了成藏的有效性。③浮力和源-储压差共同构成源下成藏的充注动力,地层内部微小错断使其具有“源-储侧向对接”的优势,微裂缝在不同成藏期均可成为原油高效渗流和持续充注的重要通道。④井井子沟组经历中晚二叠世、中晚侏罗世和新近纪晚期共3期成藏,具有“早期远距离运聚成藏-中期原油混注成藏-晚期近距离充注高点成藏”的特征。吉南凹陷二叠系油藏的勘探发现与理论认识揭示了冲断带具备形成大油田的优越条件,具有良好勘探前景。研究成果对该区及地质条件类似地区的油气勘探具有启示和借鉴意义。

能源体系转型的实质是“能源革命”。以化石能源为主体的“资源主导”型能源体系发展至今,推动人类进步,但也引发能源危机与生态环境危机,与新一轮科技革命、产业变革和人类可持续发展的新需求不相适应,亟待研究和发展碳中和背景下的新型能源体系。在新能源、新电力、新储能“三新”为主体的“技术主导”绿色智慧能源新体系框架下,以鄂尔多斯盆地为代表的“超级能源盆地”理念将重塑未来能源勘探开发的理念与模式。鉴于世界能源的“六个不均”和中国“富煤、油气不足、新能源无限”资源禀赋,深入推进“中国能源革命”,坚持能源生产独立性、供给绿色性、储备安全性、消费高效性、管理智慧性、成本经济性的“六性原则”;强化“能源科技创新”,实施技术主导下的煤炭清洁化、稳油和增气、新能源提速、绿色与智慧“四大科创工程”;实现“能源转型”,加快绿色主导下的化石能源清洁化、新能源规模化、集中分布协同化、多能管理智慧化“四化发展”,推动中国能源结构“两个80%”互换,构建绿色智慧能源新体系。

选取渤海湾盆地济阳坳陷古近系沙三下亚段富灰质纹层状页岩岩样,开展高温高压岩心浸泡实验与点阵纳米压痕实验,分析不同浸泡时间、压力和温度条件下水/超临界CO₂-岩石作用对页岩微观力学特性的影响。研究结果表明：水/超临界CO₂浸泡后,页岩损伤主要为黏土富集的纹层内部产生诱导裂缝,且超临界CO₂浸泡引起的诱导裂缝宽度更小。受诱导裂缝影响的区域弹性模量和硬度的统计平均值降低,且纹层附近易发生压实闭合、产生应力诱导拉张裂缝。浸泡时间越长、浸泡压力越大、浸泡温度越高,页岩表面弹性模量和硬度下降越明显。与水相比,超临界CO₂-页岩作用下的页岩表面力学损伤程度更低,可作为压裂液防止页岩储集层压裂裂缝面软化。

通过分析中国陆相湖盆细粒重力流沉积作用的地质条件和过程,以期建立湖盆细粒重力流沉积模式,并揭示细粒沉积和源储发育规律、识别页岩油“甜点段”。研究表明：细粒重力流是深湖环境重要的沉积作用过程之一,能把浅水细粒碎屑和有机质搬运到深湖,有利于形成页岩油的“甜点段”和优质源岩。中国湖盆深水环境发育的细粒重力流沉积主要是细粒浓密度流,细粒浊流（包括浪涌状浊流和细粒异重流）、细粒黏性流（包括细粒碎屑流和泥流）和细粒过渡流沉积。温暖湿润的气候条件下,湖平面升降、洪泛事件和湖底古地貌可控制欠补偿型湖盆细粒重力流的沉积分布。湖平面上升期,洪水引发的细粒异重流可在湖盆地形平坦的深湖区形成“细粒水道—堤岸—朵叶”体系。湖平面下降期,坳陷湖盆的挠曲坡折及沉积斜坡部位、断陷湖盆的陡坡带发育非限定水道为主的湖底扇体系,断陷湖盆的缓坡及轴向发育限定或非限定水道湖底扇体系,湖底扇扇缘可发育细粒重力流沉积。湖盆四级沉积层序水进可导致富有机质页岩和细粒异重流的沉积,水退可引起细粒浓密度流、浪涌状浊流、细粒碎屑流、泥流和细粒过渡流沉积。二叠纪以来中国湖盆页岩层系多个四级层序水进-水退旋回形成了多套源储组合,中国湖盆多样的细粒重力流沉积作用形成了由细粒浓密度流、细粒异重流、浪涌状浊流沉积形成的薄层粉砂岩“甜点段”,由细粒过渡流形成的泥岩与粉砂互层的“甜点段”,由细粒碎屑流、泥流等形成的含粉砂屑和泥屑的水平层理泥页岩“甜点段”。湖盆细粒重力流沉积模式的建立,对科学评价页岩油储集“甜点段”具重要意义。

为探索页岩油注空气驱油机理,建立了基于CT扫描和核磁共振技术的页岩油注空气提高采收率在线物理模拟方法,研究了不同衰竭压力下页岩油空气驱开发效果、不同大小孔喉微观动用特征和页岩油空气驱采油机制,分析了空气含氧量、渗透率、注入压力、裂缝对页岩注空气驱油效果和不同大小孔隙原油采出量的影响。研究表明,页岩储集层衰竭开采后注入空气可大幅提高页岩油采收率,但不同注入时机下驱油效率和不同级别孔喉动用程度存在一定差异。空气含氧量越高,低温氧化作用越强,不同大小孔隙动用程度越高,采收率越大。渗透率越高,孔喉连通性越好,流体流动能力越强,采收率越高。注入压力升高,孔喉动用下限减小,但易产生气窜现象导致突破提前,采收率先增大后减小。裂缝能加大气体与原油的接触面积,通过基质向裂缝供油提高空气波及系数和基质泄油面积,在合理生产压差下,注空气前进行适当的压裂改造有助于提高空气驱效果。

针对低渗透油藏—致密油CO₂驱面临的气体窜流控制难题,以叔胺基为响应单元,设计合成具有双子表面活性剂自组装属性的CO₂驱波及控制智能响应流体,研究了该流体遇CO₂/遇原油智能响应特征及作用机理、遇CO₂自增稠聚集体的剪切特征,评价了该流体与增稠聚集体耐温抗盐特性,验证了实现CO₂驱均衡波及控制的可行性与有效性。研究表明：①智能流体遇CO₂响应组装为高黏聚集体,流体质量分数为0.05%~2.50%时,增稠倍数9~246,黏度13~3 100 mPa·s,实验条件下低渗透岩心波及体积大幅提高;②智能流体遇模拟油,流体质量分数为0.5%~1.0%时界面张力降至1×10^-2 mN/m数量级,模拟油饱和度大于10%时,囊泡状胶束增溶油相全部转化为球状胶束,流体具有遇原油响应不增稠、降低界面张力特征;③智能流体遇CO₂自增稠聚集体可剪切变稀、静止增稠,经剪切—静止多次循环后仍保持初始结构状态,具备自修复特性,可实现储集层深部放置;④智能流体与增稠聚集体耐温抗盐性能长期稳定。

基于有限元-无网格法,考虑压裂液流动与岩石基质变形的耦合作用,建立了径向井压裂裂缝扩展数值模型,模拟了径向井压裂裂缝形态,定量表征了径向井对裂缝的诱导作用,揭示了方位夹角、水平主应力差与岩石基质渗透率等对裂缝形态演化的影响机制。研究表明,同层双分支径向井压裂时径向井间存在挤压作用,当径向井沿最小水平主应力方向对称分布且方位夹角大于15°时,挤压作用减小了径向井的裂缝引导长度,当径向井沿最大水平主应力方向对称分布时,挤压作用增大了径向井的裂缝引导长度。裂缝形态由径向井的纠偏作用、径向井间的挤压作用与最大水平主应力的偏转作用共同控制。当径向井沿最小水平主应力方向对称分布时,径向井的裂缝引导长度随着方位夹角的增大逐渐减小,当径向井沿最大水平主应力方向对称分布时,径向井的裂缝引导长度随着方位夹角的增大先减小后增大。径向井的裂缝引导长度随水平主应力差的增大而减小。岩石基质渗透率增大,径向井周围基质的孔隙压力增大,对裂缝的诱导作用增强。

利用三维可视化在线微米-纳米孔隙尺度天然气充注物理模拟实验,结合孔隙尺度原位叠算技术、孔隙网络模拟技术和视渗透率理论,研究低渗（致密）气充注过程中气水流动与分布规律及其影响因素。通过精确刻画分析孔隙尺度气水流动与分布特征及其变化可以发现,低渗（致密）气充注过程分为扩张和稳定两个阶段：扩张阶段形成了大孔喉先于小孔喉,孔喉中央先于边缘的气驱水连续流动模式,半径大于20 μm的孔喉构成了气相充注通道的格架;随充注动力增加,孔隙边缘和更小孔隙中央的可动水持续被驱出,半径为20~50 μm和半径小于20 μm的孔喉分阶段依次主导了气相充注通道的扩张,充注通道的孔喉半径、喉道长度和配位数递减,是气相渗透率与含气饱和度的主要增长阶段;其中,半径为30~50 μm的孔喉控制了含气饱和度的增长模式。稳定阶段,气相充注通道扩张至极限,通道的孔喉半径、喉道长度和配位数保持稳定,孔喉网络中形成稳定的不可动束缚水,气相呈集中网簇状、水相呈分散薄膜状分布,含气饱和度和气相渗透率趋于稳定。半径小于20 μm的连通孔喉控制了气相充注通道的极限规模,控制了稳定气水分布的形成及最大含气饱和度。连通孔喉非均质性影响了孔喉中气相充注和气水分布的动态变化过程。微米-纳米孔喉配置及其非均质性控制了低渗（致密）砂岩气充注动态过程及气水分布特征。