一幅“油”畫繪到底

時代浪潮澎湃，激蕩萬千氣象。當下，在國家“雙碳”目標新要求和能源轉型的大趨勢下，石油天然氣行業(yè)作為國民經濟的支柱產業(yè)，既在能源生產與消費方面承受著減排降碳、綠色發(fā)展的壓力，又要保障國家能源安全、降低油氣對外依存度。因此，持續(xù)加大油氣勘探開發(fā)力度，不斷提高國內油氣的生產供給能力，是發(fā)展的浪潮向無數身在其中的從業(yè)者提出的新挑戰(zhàn)。

“油氣增儲上產，需要老油田與新項目、新領域‘兩手抓’，且兩手都要硬。”中國石油天然氣股份有限公司勘探開發(fā)研究院（簡稱“勘探院”）能源與礦業(yè)工程管理專家劉合院士的謀篇布局為無數后輩青年指明了前路。于是，肩負全球油氣業(yè)務發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃研究、油氣勘探開發(fā)重大應用基礎理論與技術研發(fā)、全球油氣業(yè)務技術支持與生產技術服務、高層次科技人才培養(yǎng)等職責，勘探院中，以孟思煒為代表的年輕學者開始勇挑大梁、啃硬骨頭，以大規(guī)模體積壓裂改造過程中面臨的關鍵難題為切入點，立志將答卷寫在星羅棋布的油田間，將畫卷鋪展在壯闊的萬里山河處。

如今，在無數“執(zhí)筆人”的努力下，一條曲線正在時代的畫卷上昂揚向上——近年來我國頁巖油產量迅速攀升，工業(yè)開發(fā)實現起步即加速；而畫布之后，一項共識也正在凸顯——我國陸相頁巖油勘探開發(fā)在多個領域已經取得重要進展，就孟思煒所在的青年團隊而言，已實現了完善陸相頁巖物理力學理論的目標，開發(fā)出“弱面控縫高”的“千層小薄餅”儲層壓裂分析模型，同時建立了二氧化碳壓裂增產-封存協(xié)同評價與優(yōu)化方法，優(yōu)化了二氧化碳壓裂關鍵裝備及工藝流程……一個個清晰可見的科技指標攀升折射出“石油革命”的光明未來——頁巖油作為重要的接替能源，其開發(fā)進展正闊步向前。

紅專并進為基礎，

找準“落筆點”

加快我國陸相頁巖油發(fā)展，贏得“頁巖油革命”，追本溯源，是中國石油在全球能源供需格局發(fā)生深刻調整的大背景下，進一步夯實我國能源安全保障的基礎，也是確保油氣產業(yè)鏈、供應鏈安全穩(wěn)定運行的重要一環(huán)。這既是機遇，更是挑戰(zhàn)；既是偶然，也是必然。正如孟思煒的人生航船與頁巖油開采領域的“雙向奔赴”，看似是他的一次次主動選擇，但實際上命運早就為他做好了鋪墊。

原本，出生于雙教師家庭的孟思煒志在數學。別人眼中晦澀艱深的數學公式，他偏偏能從中看出樂趣，“也許只是因為我喜歡安靜也樂于思考。數學的魅力在于它可以使人用一種嚴謹而極具創(chuàng)造力的角度重新丈量、思索自身與世界的關系”。某種程度上他在那時就已經對哲學家恩格斯所言有所領悟，即“一個學科只有用上了數學才算是真正的科學”。所以，在高考填報志愿時，孟思煒不做他想，一心攀登數學的理論高峰。于是，“紅專并進，理實交融”的中國科學技術大學（以下簡稱“中科大”）成為他培育自身理想的一片沃土。雖然讀書期間也有被身邊優(yōu)秀的同學“打擊”到消磨自信心的時刻，但總體來說，中科大的師資力量與研學氛圍還是為他增添了一段充實而美好的人生回憶。畢業(yè)后，孟思煒本打算直接投入工作，將自身所學應用到現實生活之中，但命運的羅盤卻開始悄然轉動，這一次將指針停在了愛情的范疇內。

跨越山海、考學來京，這次偶然的人生選擇卻成了推動孟思煒走向頁巖油開采、二氧化碳壓裂開發(fā)等相關行業(yè)的關鍵力量。“實話講，考進中國石油大學（北京）有點陰差陽錯，但既來之則安之，干一行就要愛一行。”見心入行，善思善用。此后，如何將自己的數學背景知識與油氣開采結合起來，就變成了回蕩在孟思煒腦海中久久不散的問題，直到加入張士誠教授的團隊，孟思煒的石油職業(yè)藍圖才真正落下了濃墨重彩的第一筆。“張士誠教授是非常規(guī)天然氣研究院‘非常規(guī)儲層壓裂改造’方向的學術帶頭人，在油氣井增產機理與技術研究，特別是低滲透油氣田的增產理論與技術方面頗具造詣。跟隨張老師，我首次接觸到了有關二氧化碳壓裂技術及相關數值模擬，包括裂縫擴展的數值計算等工作，為后續(xù)的職業(yè)發(fā)展打下了良好的基礎。”

而孟思煒人生中首個“有始有終”的科研項目也與此有關。攻讀博士期間，在張士誠教授的課題組中，他承擔了二氧化碳壓裂液稠化劑的分子設計工作，成為國內較早一批接觸節(jié)能減排、綠色增產的非常規(guī)油氣增產改造技術人員之一。在未知領域中自由探索的經歷貫穿了他整個學生時代，拓展自身認知科學疆域的成就感更令他對石油心生熱愛與敬畏。在項目進程中，他發(fā)現，與傳統(tǒng)的水基壓裂方法相比，二氧化碳干法壓裂對地層基本無傷害，不僅具有良好的增產增能作用，還可大量節(jié)約施工用水，對于未來清潔、高效開采油氣意義深遠，具有廣闊的應用前景。于是，在走出“象牙塔”的第一時間，他仍然堅定選擇在相同領域內深耕，來到中國石油勘探開發(fā)研究院智能控制與裝備研究所（以下簡稱“裝備所”），對二氧化碳壓裂的關鍵裝置工具發(fā)起挑戰(zhàn)。

“裝備所為我提供了一片開展基礎研究的優(yōu)質土壤，在‘納米科學’‘裝備控制自動化’相關方向的探索下，我可以暫時將工程應用場景的構思壓力放下，并創(chuàng)新地從微觀角度研討宏觀問題。我覺得這是命運做出的又一次極好的安排，這讓我找準了職業(yè)生涯中下一個落筆點。”對于博士后的研究階段，孟思煒做如此評價。

理實交融探前路，

緊握“調色盤”

慎終如始，則無敗事。雖然2020年因“雙碳”目標時間表的提出被國內諸多業(yè)內人士視為“碳中和元年”，但能源與水資源的平衡問題卻由來已久，且我國能源與水資源問題較世界上其他國家更為突出和尖銳，相應領域內的科技創(chuàng)新曾一度面臨五方面瓶頸：能源開發(fā)利用中的水資源節(jié)約和保護技術與設備相對落后；非常規(guī)水資源開發(fā)利用處理技術與設備主要依賴進口；低生態(tài)環(huán)境影響建設與運行等綠色能源技術體系不健全；尚缺乏氣候變化背景下能源與水差別化響應及應對策略；以及能源與水資源系統(tǒng)協(xié)同調控理論和技術不完善，因此亟須從理論方法、關鍵技術到應用示范的全鏈條式創(chuàng)新，推進能源與水資源協(xié)同健康發(fā)展。基于此種認知，孟思煒自從事博士后研究起便錨定了油氣開發(fā)的“綠色”優(yōu)化問題，并在團隊負責人——劉合院士的帶領下，投身政府間國際科技創(chuàng)新合作重點專項“能源與水紐帶關系及高效綠色利用關鍵技術”課題中，力爭為能源行業(yè)的蝶變貢獻己力。立足今日回望彼時，這個項目的完成也為他此后數年的研究經歷涂上了一抹生態(tài)的底色。

2009年11月，中美兩國政府簽署《關于中美清潔能源聯合研究中心合作議定書》，支持清潔煤、清潔能源汽車和建筑節(jié)能3個優(yōu)先領域產學研聯盟的合作研發(fā)；之后，于2014年7月舉行的中美清潔能源聯合中心（CERC）指導委員會第六次會議上，中美雙方又一致決定在二期（2016—2020年）合作中增加“能源與水”為第四個合作領域，這便是政府間合作項目的起點。既然創(chuàng)新的種子已經播下，學界便迅敏地作出了反應——中國科技部很快組織成立起一支由中國石油集團科學技術研究院牽頭，中國水利水電科學研究院、國電新能源技術研究院、國家氣候中心、長江三峽集團公司、清華大學、北京大學等20余家企業(yè)、研究機構與高校為成員的產學研聯盟；美國能源部也同樣快速組織成立了由美國加州大學體系為主體，勞倫斯伯克利國家重點實驗室等相關研究機構、企業(yè)代表參加的美方產學研聯盟。雖然彼時的孟思煒只是“初出茅廬”，但憑借扎實的功底與努力，他也有幸被納入其中。

雖然中美開展工作的地區(qū)各異，語言體系也完全不同，但相通的是眼中都閃爍著追求真理的微光，在“揭示能源與水紐帶關系，開發(fā)能源與水資源高效綠色利用技術，造福中美兩國人民”的研究主旨上，孟思煒及團隊人員都孜孜以求、殫精竭慮。項目研究共涵蓋5項議題，即火電廠水資源減量利用、非傳統(tǒng)水資源處理與管理、可持續(xù)水電設計與運行、能源與水氣候變化影響與適應，以及能源與水協(xié)同管理決策支持。相應的研究內容也豐富異常，包括高效低成本的脫硫廢水成套處理工藝與材料、先進水處理技術及材料、水電運行生態(tài)環(huán)保措施效果評估、氣候模式與水文模型的耦合研究、水資源與能源全生命周期系統(tǒng)分析等21項。它們星星點點，匯集成炬，共同照亮節(jié)能減排方面的未知，將科學開采、能源探索的科學邊際推向更遠方。

“經過項目的磨礪，我真正理解了科研的意義：通過理實交融的手段與過程，為推動行業(yè)向更高效同時也更環(huán)保的方向不斷進取。而每一份成果都應該扎實地深植于一個個不起眼的計量單位上，植根在毫厘之間的精研、日進一寸的堅持及團結一心的努力里。”孟思煒說，而他也在每分每秒的思考、日復一日的積累之中，向自己許下一個美好的承諾：“石油革命”的到來、“綠色時代”的開啟，都預示著科技發(fā)展的未來軌跡，既然業(yè)內已是日新月異，那么身處其中的人更不應懈怠，而應積極有為、拼搏進取。

群策群力謀新篇，

鋪陳“結構線”

黃土塬上，我國首個百萬噸整裝頁巖油開發(fā)示范區(qū)在長慶油田率先建成，國內首個10億噸級頁巖油整裝大油田——慶城油田展示在人們面前；松遼大地，大慶古龍陸相頁巖油國家級示范區(qū)揭牌，頁巖油將成為大慶百年油田建設的重要戰(zhàn)略資源；天山北麓，準噶爾盆地二疊系頁巖油勘探取得重大突破，我國第一個國家級陸相頁巖油示范區(qū)在新疆油田落成；渤海灣畔，大港、遼河油田頁巖油也相繼取得重大進展……從古至今、從無到有，這份由我國數代石油人共同得出的優(yōu)秀“成績單”，世界有目共睹。而從常規(guī)石油到頁巖油的迅速崛起，這無疑將是一場實打實的“能源革命”。

目前，我國油氣勘探領域已初步實現了從陸相產油理論到陸相生油理論的轉變，儲層甜點劃分愈發(fā)細致，這是認識的突破；而從平面單井小規(guī)模壓裂改造技術到以“長水平井、小井距、大井叢、立體式、細分切割體積壓裂”為核心的體積壓裂關鍵技術體系的形成，這是技術的進步；再進一步講，從非常規(guī)油氣藏地質工程一體化的初步認識，到全生命周期管理、一體化統(tǒng)籌、專業(yè)化協(xié)同、市場化運作、社會化支持、數字化管理、綠色化發(fā)展的“一全六化”工程管理理念落地落實，這是管理理念的創(chuàng)新……發(fā)展的腳步邁得大，對應的挑戰(zhàn)也就接踵而至。

本質上講，頁巖油是石油的一種類型，兩者是被包含與包含的關系，都是由富含有機質的烴源巖生成的油，并在一定環(huán)境下聚集成藏。但作為一種重要的非常規(guī)油氣資源，也是近年來勘探開發(fā)界的“頂流”，頁巖油與常規(guī)石油的差異還是十分明顯的，主要體現在埋藏地層的巖性、運移的距離、成藏的模式及開采的方式4點上。相較于常規(guī)石油一般埋藏在碎屑巖或者碳酸鹽巖地層中，以液體方式存在的便利開采條件，頁巖油顯得“神秘”得多，不僅主要存在于泥頁巖地層中，且石油與水體之間并無明顯的接觸面，在大部分地質區(qū)域都看不到明顯的“甜點”。

這就導致頁巖油集聚了難預測也難開采的特點，再加之我國頁巖的冗雜特性所帶來的技術挑戰(zhàn)，樁樁件件都極大程度地挑戰(zhàn)著我國頁巖油的勘探開發(fā)進程。但我國學者頌著經史子集、喊著革命口號已走過了千百年，最不缺的就是乘風破浪的豪氣與除舊布新的魄力。經過數年實踐，以孫龍德院士為代表的業(yè)內資深專家在知行合一中升華了技術，曾就大慶古龍頁巖油提出過6個科學問題，有望為能源更迭開辟新路。于是這也就順理成章成為勘探院未來的工作路徑，成為我國能源開采構圖上的“結構線”。循著這些超前理論，孟思煒等人毅然加入勘探院古龍頁巖油會戰(zhàn)團隊，并在2019—2020年間親赴全國各地區(qū)油田收集資料，為打響會戰(zhàn)“第一槍”做好充足準備。

“石油革命”尋答案，

磅礴“繪新卷”

“每出差一次，就會給孩子和家人帶回來一些當地的紀念品”，這是屬于風塵仆仆的行路人的浪漫，也是一位無法時時陪伴在孩子身邊的科研者的無奈，“但是大慶地區(qū)的特產已經快把我家塞滿了，實在不知道該帶些什么回來了”。扎根大慶、一月兩次的出差頻率讓孟思煒及團隊幾乎對這座油田的資源稟賦了若指掌——作為世界上為數不多的特大型陸相砂巖“老牌”油田之一，這份獻給中華人民共和國成立十周年的厚禮，將有望再次迎來突破——成為我國石油資源戰(zhàn)略接替的發(fā)源地。為此，孟思煒等人直面我國陸相頁巖油在壓裂開發(fā)等實際操作環(huán)節(jié)的重大挑戰(zhàn)，將實現我國頁巖油藏的規(guī)模化效益開發(fā)作為終極目標，不畏艱險攀登科技的高峰，力爭直達光輝的頂點。

迄今，孟思煒已先后主持國家自然科學基金面上項目、國家重點研發(fā)計劃專題、中國石油集團公司科技研發(fā)項目等各級科研項目十余項，聚焦頁巖油壓裂增產-碳封存一體化技術，緊密圍繞“陸相頁巖原位環(huán)境物理力學理論與壓裂裂縫擴展機制”與“二氧化碳壓裂強化采油與封存動態(tài)協(xié)同機制”兩大關鍵科學問題，發(fā)表第一及通信作者《科學引文索引》（SCI）、《工程索引》（EI）學術論文30余篇，包含中國科學院一區(qū)、二區(qū)Top論文11篇，其中兩篇論文獲期刊年度高影響力論文獎，另有兩篇論文被石油工程發(fā)行量最大的雜志《石油技術雜志》（Journal of Petroleum Technology）連續(xù)報道。

并且，針對真實原位溫壓環(huán)境下高密度頁理紋層力學特性難以獲取的巖石變形及破壞規(guī)律不明確等難題，以及陸相頁巖儲層中微觀頁理發(fā)育導致的巖石異質性問題，孟思煒團隊均有優(yōu)解。對前者，他與團隊選擇采用X射線衍射、掃描電鏡礦物定量評價、場發(fā)射掃描電鏡等系列宏微觀手段，探明了多尺度頁理紋層幾何分布、礦物組構及孔隙-紋層配置關系，自主研發(fā)了基于原位環(huán)境重構的頁巖劃痕連續(xù)測量裝置，基于多尺度劃痕實驗分析了原位環(huán)境下紋層力學差異性特征及影響因素，建立了原位紋層力學連續(xù)變化測量方法，形成了典型頁理與紋層結構樣品力學鐵柱子構建技術。而針對后者，通過對不同結構、不同頁理方向的頁巖樣品進行三軸實驗研究與分析，孟思煒等人則提出了一種基于弱界面控制的頁巖橫觀各向同性本構模型，揭示了微觀結構和弱界面對裂縫擴展的影響機制，提出了相應的起裂、擴展準則。此模型實現了對含有高密度微觀紋層結構巖石的力學行為的準確描述，并對巖石的強度、變形和破裂特性有了深入的理解，為水力壓裂技術的大規(guī)模應用提供了重要的理論基礎，并在巖石工程和地質學領域具有重要的實際和學術意義。

此外，由孟思煒團隊開發(fā)出的“千層小薄餅”異質性基體的“頁理控縫高”裂縫起裂及擴展理論，成功理清了各因素對水力裂紋在高度及長度方向上擴展過程的影響機制，發(fā)展了非均質基體的水力壓裂裂縫起裂及擴展理論，實現了對陸相頁巖儲層在水力壓裂過程中裂縫三維形貌的精細化捕捉及解釋，為壓裂工藝設計提供了可靠的數值模型。而后，基于“頁理控縫高”裂縫起裂及擴展理論，他們進一步明確了裂縫擴不高、延不遠、改造體積受限是制約陸相頁巖油效益改造的核心問題，并針對性地提出了“控近擴遠”的壓裂設計理念，將此理念應用至古龍頁巖油壓裂改造主體工藝的優(yōu)化過程中，實現了改造效果和產量的整體提升。

從無到有，注定不會是坦途，但只要錨準時代發(fā)展的橫軸，理清技術成長的縱軸，無論過程如何曲折、“圖畫”如何復雜，孟思煒及其團隊成員也能時刻清醒地認知自己的坐標，從而心存希望與熱愛，沿著最初認定的理想“執(zhí)筆”前行。“雖然我不是一個很愛制訂計劃的人，但作為一名石油人，我衷心希望未來的中華大地上可以繪滿‘綠色能源’的磅礴畫卷，在民生得到保障的前提下，實現舉目千重秀，處處如丹青。”孟思煒說。