——记中国石油天然气股份有限公司勘探开发研究院高级工程师孟思炜

　　　郑 心  蔡巧玉　　

　　时代浪潮澎湃，激荡万千气象。当下，在国家“双碳”目标新要求和能源转型的大趋势下，石油天然气行业作为国民经济的支柱产业，既在能源生产与消费方面承受着减排降碳、绿色发展的压力，又要保障国家能源安全、降低油气对外依存度。因此，持续加大油气勘探开发力度，不断提高国内油气的生产供给能力，是发展的浪潮向无数身在其中的从业者提出的新挑战。

　　“油气增储上产，需要老油田与新项目、新领域‘两手抓’，且两手都要硬。”中国石油天然气股份有限公司勘探开发研究院（简称“勘探院”）能源与矿业工程管理专家刘合院士的谋篇布局为无数后辈青年指明了前路。于是，肩负全球油气业务发展战略规划研究、油气勘探开发重大应用基础理论与技术研发、全球油气业务技术支持与生产技术服务、高层次科技人才培养等职责，勘探院中，以孟思炜为代表的年轻学者开始勇挑大梁、啃硬骨头，以大规模体积压裂改造过程中面临的关键难题为切入点，立志将答卷写在星罗棋布的油田间，将画卷铺展在壮阔的万里山河处。

　　如今，在无数“执笔人”的努力下，一条曲线正在时代的画卷上昂扬向上——近年来我国页岩油产量迅速攀升，工业开发实现起步即加速；而画布之后，一项共识也正在凸显——我国陆相页岩油勘探开发在多个领域已经取得重要进展，就孟思炜所在的青年团队而言，已实现了完善陆相页岩物理力学理论的目标，开发出“弱面控缝高”的“千层小薄饼”储层压裂分析模型，同时建立了二氧化碳压裂增产-封存协同评价与优化方法，优化了二氧化碳压裂关键装备及工艺流程……一个个清晰可见的科技指标攀升折射出“石油革命”的光明未来——页岩油作为重要的接替能源，其开发进展正阔步向前。

红专并进为基础，找准“落笔点”

　　加快我国陆相页岩油发展，赢得“页岩油革命”，追本溯源，是中国石油在全球能源供需格局发生深刻调整的大背景下，进一步夯实我国能源安全保障的基础，也是确保油气产业链、供应链安全稳定运行的重要一环。这既是机遇，更是挑战；既是偶然，也是必然。正如孟思炜的人生航船与页岩油开采领域的“双向奔赴”，看似是他的一次次主动选择，但实际上命运早就为他做好了铺垫。

　　原本，出生于双教师家庭的孟思炜志在数学。别人眼中晦涩艰深的数学公式，他偏偏能从中看出乐趣，“也许只是因为我喜欢安静也乐于思考。数学的魅力在于它可以使人用一种严谨而极具创造力的角度重新丈量、思索自身与世界的关系”。某种程度上他在那时就已经对哲学家恩格斯所言有所领悟，即“一个学科只有用上了数学才算是真正的科学”。所以，在高考填报志愿时，孟思炜不做他想，一心攀登数学的理论高峰。于是，“红专并进，理实交融”的中国科学技术大学（以下简称“中科大”）成为他培育自身理想的一片沃土。虽然读书期间也有被身边优秀的同学“打击”到消磨自信心的时刻，但总体来说，中科大的师资力量与研学氛围还是为他增添了一段充实而美好的人生回忆。毕业后，孟思炜本打算直接投入工作，将自身所学应用到现实生活之中，但命运的罗盘却开始悄然转动，这一次将指针停在了爱情的范畴内。

　　跨越山海、考学来京，这次偶然的人生选择却成了推动孟思炜走向页岩油开采、二氧化碳压裂开发等相关行业的关键力量。“实话讲，考进中国石油大学（北京）有点阴差阳错，但既来之则安之，干一行就要爱一行。”见心入行，善思善用。此后，如何将自己的数学背景知识与油气开采结合起来，就变成了回荡在孟思炜脑海中久久不散的问题，直到加入张士诚教授的团队，孟思炜的石油职业蓝图才真正落下了浓墨重彩的第一笔。“张士诚教授是非常规天然气研究院‘非常规储层压裂改造’方向的学术带头人，在油气井增产机理与技术研究，特别是低渗透油气田的增产理论与技术方面颇具造诣。跟随张老师，我首次接触到了有关二氧化碳压裂技术及相关数值模拟，包括裂缝扩展的数值计算等工作，为后续的职业发展打下了良好的基础。”

　　而孟思炜人生中首个“有始有终”的科研项目也与此有关。攻读博士期间，在张士诚教授的课题组中，他承担了二氧化碳压裂液稠化剂的分子设计工作，成为国内较早一批接触节能减排、绿色增产的非常规油气增产改造技术人员之一。在未知领域中自由探索的经历贯穿了他整个学生时代，拓展自身认知科学疆域的成就感更令他对石油心生热爱与敬畏。在项目进程中，他发现，与传统的水基压裂方法相比，二氧化碳干法压裂对地层基本无伤害，不仅具有良好的增产增能作用，还可大量节约施工用水，对于未来清洁、高效开采油气意义深远，具有广阔的应用前景。于是，在走出“象牙塔”的第一时间，他仍然坚定选择在相同领域内深耕，来到中国石油勘探开发研究院智能控制与装备研究所（以下简称“装备所”），对二氧化碳压裂的关键装置工具发起挑战。

　　“装备所为我提供了一片开展基础研究的优质土壤，在‘纳米科学’‘装备控制自动化’相关方向的探索下，我可以暂时将工程应用场景的构思压力放下，并创新地从微观角度研讨宏观问题。我觉得这是命运做出的又一次极好的安排，这让我找准了职业生涯中下一个落笔点。”对于博士后的研究阶段，孟思炜做如此评价。

理实交融探前路，紧握“调色盘”

　　慎终如始，则无败事。虽然2020年因“双碳”目标时间表的提出被国内诸多业内人士视为“碳中和元年”，但能源与水资源的平衡问题却由来已久，且我国能源与水资源问题较世界上其他国家更为突出和尖锐，相应领域内的科技创新曾一度面临五方面瓶颈：能源开发利用中的水资源节约和保护技术与设备相对落后；非常规水资源开发利用处理技术与设备主要依赖进口；低生态环境影响建设与运行等绿色能源技术体系不健全；尚缺乏气候变化背景下能源与水差别化响应及应对策略；以及能源与水资源系统协同调控理论和技术不完善，因此亟须从理论方法、关键技术到应用示范的全链条式创新，推进能源与水资源协同健康发展。基于此种认知，孟思炜自从事博士后研究起便锚定了油气开发的“绿色”优化问题，并在团队负责人——刘合院士的带领下，投身政府间国际科技创新合作重点专项“能源与水纽带关系及高效绿色利用关键技术”课题中，力争为能源行业的蝶变贡献己力。立足今日回望彼时，这个项目的完成也为他此后数年的研究经历涂上了一抹生态的底色。

　　2009年11月，中美两国政府签署《关于中美清洁能源联合研究中心合作议定书》，支持清洁煤、清洁能源汽车和建筑节能3个优先领域产学研联盟的合作研发；之后，于2014年7月举行的中美清洁能源联合中心（CERC）指导委员会第六次会议上，中美双方又一致决定在二期（2016—2020年）合作中增加“能源与水”为第四个合作领域，这便是政府间合作项目的起点。既然创新的种子已经播下，学界便迅敏地作出了反应——中国科技部很快组织成立起一支由中国石油集团科学技术研究院牵头，中国水利水电科学研究院、国电新能源技术研究院、国家气候中心、长江三峡集团公司、清华大学、北京大学等20余家企业、研究机构与高校为成员的产学研联盟；美国能源部也同样快速组织成立了由美国加州大学体系为主体，劳伦斯伯克利国家重点实验室等相关研究机构、企业代表参加的美方产学研联盟。虽然彼时的孟思炜只是“初出茅庐”，但凭借扎实的功底与努力，他也有幸被纳入其中。

　　虽然中美开展工作的地区各异，语言体系也完全不同，但相通的是眼中都闪烁着追求真理的微光，在“揭示能源与水纽带关系，开发能源与水资源高效绿色利用技术，造福中美两国人民”的研究主旨上，孟思炜及团队人员都孜孜以求、殚精竭虑。项目研究共涵盖5项议题，即火电厂水资源减量利用、非传统水资源处理与管理、可持续水电设计与运行、能源与水气候变化影响与适应，以及能源与水协同管理决策支持。相应的研究内容也丰富异常，包括高效低成本的脱硫废水成套处理工艺与材料、先进水处理技术及材料、水电运行生态环保措施效果评估、气候模式与水文模型的耦合研究、水资源与能源全生命周期系统分析等21项。它们星星点点，汇集成炬，共同照亮节能减排方面的未知，将科学开采、能源探索的科学边际推向更远方。

　　“经过项目的磨砺，我真正理解了科研的意义：通过理实交融的手段与过程，为推动行业向更高效同时也更环保的方向不断进取。而每一份成果都应该扎实地深植于一个个不起眼的计量单位上，植根在毫厘之间的精研、日进一寸的坚持及团结一心的努力里。”孟思炜说，而他也在每分每秒的思考、日复一日的积累之中，向自己许下一个美好的承诺：“石油革命”的到来、“绿色时代”的开启，都预示着科技发展的未来轨迹，既然业内已是日新月异，那么身处其中的人更不应懈怠，而应积极有为、拼搏进取。

群策群力谋新篇，铺陈“结构线”

　　黄土塬上，我国首个百万吨整装页岩油开发示范区在长庆油田率先建成，国内首个10亿吨级页岩油整装大油田——庆城油田展示在人们面前；松辽大地，大庆古龙陆相页岩油国家级示范区揭牌，页岩油将成为大庆百年油田建设的重要战略资源；天山北麓，准噶尔盆地二叠系页岩油勘探取得重大突破，我国第一个国家级陆相页岩油示范区在新疆油田落成；渤海湾畔，大港、辽河油田页岩油也相继取得重大进展……从古至今、从无到有，这份由我国数代石油人共同得出的优秀“成绩单”，世界有目共睹。而从常规石油到页岩油的迅速崛起，这无疑将是一场实打实的“能源革命”。

　　目前，我国油气勘探领域已初步实现了从陆相产油理论到陆相生油理论的转变，储层甜点划分愈发细致，这是认识的突破；而从平面单井小规模压裂改造技术到以“长水平井、小井距、大井丛、立体式、细分切割体积压裂”为核心的体积压裂关键技术体系的形成，这是技术的进步；再进一步讲，从非常规油气藏地质工程一体化的初步认识，到全生命周期管理、一体化统筹、专业化协同、市场化运作、社会化支持、数字化管理、绿色化发展的“一全六化”工程管理理念落地落实，这是管理理念的创新……发展的脚步迈得大，对应的挑战也就接踵而至。

　　本质上讲，页岩油是石油的一种类型，两者是被包含与包含的关系，都是由富含有机质的烃源岩生成的油，并在一定环境下聚集成藏。但作为一种重要的非常规油气资源，也是近年来勘探开发界的“顶流”，页岩油与常规石油的差异还是十分明显的，主要体现在埋藏地层的岩性、运移的距离、成藏的模式及开采的方式4点上。相较于常规石油一般埋藏在碎屑岩或者碳酸盐岩地层中，以液体方式存在的便利开采条件，页岩油显得“神秘”得多，不仅主要存在于泥页岩地层中，且石油与水体之间并无明显的接触面，在大部分地质区域都看不到明显的“甜点”。

　　这就导致页岩油集聚了难预测也难开采的特点，再加之我国页岩的冗杂特性所带来的技术挑战，桩桩件件都极大程度地挑战着我国页岩油的勘探开发进程。但我国学者颂着经史子集、喊着革命口号已走过了千百年，最不缺的就是乘风破浪的豪气与除旧布新的魄力。经过数年实践，以孙龙德院士为代表的业内资深专家在知行合一中升华了技术，曾就大庆古龙页岩油提出过6个科学问题，有望为能源更迭开辟新路。于是这也就顺理成章成为勘探院未来的工作路径，成为我国能源开采构图上的“结构线”。循着这些超前理论，孟思炜等人毅然加入勘探院古龙页岩油会战团队，并在2019—2020年间亲赴全国各地区油田收集资料，为打响会战“第一枪”做好充足准备。

“石油革命”寻答案，磅礴“绘新卷”

　　“每出差一次，就会给孩子和家人带回来一些当地的纪念品”，这是属于风尘仆仆的行路人的浪漫，也是一位无法时时陪伴在孩子身边的科研者的无奈，“但是大庆地区的特产已经快把我家塞满了，实在不知道该带些什么回来了”。扎根大庆、一月两次的出差频率让孟思炜及团队几乎对这座油田的资源禀赋了若指掌——作为世界上为数不多的特大型陆相砂岩“老牌”油田之一，这份献给中华人民共和国成立十周年的厚礼，将有望再次迎来突破——成为我国石油资源战略接替的发源地。为此，孟思炜等人直面我国陆相页岩油在压裂开发等实际操作环节的重大挑战，将实现我国页岩油藏的规模化效益开发作为终极目标，不畏艰险攀登科技的高峰，力争直达光辉的顶点。

　　迄今，孟思炜已先后主持国家自然科学基金面上项目、国家重点研发计划专题、中国石油集团公司科技研发项目等各级科研项目十余项，聚焦页岩油压裂增产-碳封存一体化技术，紧密围绕“陆相页岩原位环境物理力学理论与压裂裂缝扩展机制”与“二氧化碳压裂强化采油与封存动态协同机制”两大关键科学问题，发表第一及通信作者《科学引文索引》（SCI）、《工程索引》（EI）学术论文30余篇，包含中国科学院一区、二区Top论文11篇，其中两篇论文获期刊年度高影响力论文奖，另有两篇论文被石油工程发行量最大的杂志《石油技术杂志》（Journal of Petroleum Technology）连续报道。

　　并且，针对真实原位温压环境下高密度页理纹层力学特性难以获取的岩石变形及破坏规律不明确等难题，以及陆相页岩储层中微观页理发育导致的岩石异质性问题，孟思炜团队均有优解。对前者，他与团队选择采用X射线衍射、扫描电镜矿物定量评价、场发射扫描电镜等系列宏微观手段，探明了多尺度页理纹层几何分布、矿物组构及孔隙-纹层配置关系，自主研发了基于原位环境重构的页岩划痕连续测量装置，基于多尺度划痕实验分析了原位环境下纹层力学差异性特征及影响因素，建立了原位纹层力学连续变化测量方法，形成了典型页理与纹层结构样品力学铁柱子构建技术。而针对后者，通过对不同结构、不同页理方向的页岩样品进行三轴实验研究与分析，孟思炜等人则提出了一种基于弱界面控制的页岩横观各向同性本构模型，揭示了微观结构和弱界面对裂缝扩展的影响机制，提出了相应的起裂、扩展准则。此模型实现了对含有高密度微观纹层结构岩石的力学行为的准确描述，并对岩石的强度、变形和破裂特性有了深入的理解，为水力压裂技术的大规模应用提供了重要的理论基础，并在岩石工程和地质学领域具有重要的实际和学术意义。

　　此外，由孟思炜团队开发出的“千层小薄饼”异质性基体的“页理控缝高”裂缝起裂及扩展理论，成功理清了各因素对水力裂纹在高度及长度方向上扩展过程的影响机制，发展了非均质基体的水力压裂裂缝起裂及扩展理论，实现了对陆相页岩储层在水力压裂过程中裂缝三维形貌的精细化捕捉及解释，为压裂工艺设计提供了可靠的数值模型。而后，基于“页理控缝高”裂缝起裂及扩展理论，他们进一步明确了裂缝扩不高、延不远、改造体积受限是制约陆相页岩油效益改造的核心问题，并针对性地提出了“控近扩远”的压裂设计理念，将此理念应用至古龙页岩油压裂改造主体工艺的优化过程中，实现了改造效果和产量的整体提升。