DOC《附件2》

附件2 山西省2019年度国家科学技术奖 提名项目公示材料

一、项目名称: 多孔介质演变机理与原位改性采矿 提名者:山西省 提名意见: 多孔介质演变机理与原位改性采矿研究项目属于矿山工程技术基础领域.

围绕新型地质资源与能源开采的关键基础科学问题,在国内外首创研制的系列岩体三轴应力固流热化学耦合特性试验机基础上,课题组历经20余年系统的实验与理论研究,揭示了矿物岩体在原位改性开采条件下的宏细观结构演化与多场耦合特性规律,构建了原位改性采矿理论体系,提出了相应的原位改性采矿技术原理.突出成果如下: (1)发现了干热岩、盐岩、煤、油页岩等致密矿物岩体,孔隙裂隙的产生、发展及其形成的连通团尺度与形态,由渐变至突变的细观宏观演变规律. (2)发现了致密矿物岩体由不渗透到渗透、由高强度弹性到低强度超塑性转变的临界特征与阈值,渗流特性与固体力学特性的演变规律,及其与孔隙裂隙演变相关规律. (3)发现了原位改性作用下致密矿体演变为残留骨架多孔型和无残留骨架多孔-缝洞型两类介质;

提出了两类介质的多类固体变形-流体运移-传热-传质耦合控制方程和求解方法,构建了原位改性采矿理论体系. (4)提出了油页岩、低变质煤、难溶盐矿、煤层气、干热岩地热等新型地质资源与能源的原位物理、化学改性采矿技术原理. 上述发现孕育了新型地质资源与能源颠覆性开采技术创新.8篇核心代表性论著他引832次,其中SCI他引364次.项目整体处于国际领先水平. 提名该项目为国家自然科学奖 二 等奖. 项目简介: 多孔介质演变机理与原位改性采矿研究项目属于矿山工程技术基础领域. 原位改性采矿是指在原位对矿体进行物理、化学性态改造,实施矿物流体化开采的一种新型开采方法. 我国《能源发展 十三五 规划》提出 多元发展,推动能源供给革命 , 夯实油气资源供应基础……加大页岩气、页岩油、煤层气等非常规油气规模化开发利用 .传统的多孔介质传输理论和采矿方法均无法有效地指导低渗透煤层气、油页岩油气、褐煤油气、干热岩地热、难溶盐矿等新型地质资源与能源的开采.围绕上述资源与能源开采的关键基础科学问题,自1996年起,课题组在国内外首创性地研制了系列岩体三轴应力固流热化学耦合特性试验机,以此为基础,历经20余年系统的实验与理论研究,揭示了矿物岩体在原位物理、化学改性条件下的孔隙、裂隙等细观宏观结构演化与固体变形-流体运移多场耦合特性规律,构建了原位改性采矿理论体系,提出了相应的原位改性采矿技术原理.已经实现或正在孕育着这些新型资源与能源开采的技术变革与工业化突破,拓展了多孔介质传输理论与采矿科学.因此本项成果具有重要科学意义与工程指导价值.主要发现点如下: (1)发现了干热岩、盐岩、煤、油页岩等致密矿物岩体,在热破裂、溶解、热解等原位物理与化学改性条件下,孔隙与裂隙的产生、发展及其形成的连通团尺度与形态,由渐变至突变的细观宏观演变规律. (2)在国内外首创研制的系列岩体三轴应力固流热化学耦合特性试验机基础上,发现了在上述原位物理化学改性条件下,致密矿物岩体由不渗透到渗透、由高强度弹性到低强度超塑性转变的临界特征与阈值,渗流特性与固体力学特性的演变规律,及其与孔隙裂隙演变的相关规律. (3)发现了原位改性作用下致密矿体演变为残留骨架多孔型和无残留骨架多孔-缝洞型两类介质;

提出了两类介质含因变量间强耦合作用和特性参数变化弱耦合作用的多类固体变形-流体运移-传热-传质耦合控制方程,并提出了沿时间序列线性近似多场耦合迭代求解方法,构建了原位改性采矿理论体系. (4)提出了注热热解开采油页岩和低变质煤、溶解-渗透互进作用开采难溶盐矿等原位化学改性采矿技术原理;

提出了注热强化解吸开采煤层气、断层模式储留层注水换热-渐进热破裂开采干热岩地热等原位物理改性采矿技术原理.孕育了新型地质资源与能源颠覆性开采技术的创新. 8篇核心代表性论著他引832次,其中SCI他引364次. 在国内外多孔介质传输和岩石力学相关学术界,以及资源能源开发工业领域具有重大影响.项目整体处于国际领先水平. 客观评价: 项目曾获奖情况:

1、项目组承担的 多孔介质固流热传质耦合作用的物性规律和控制方程研究 获2014年山西省自然科学一等奖(2014-Z-1-001);

2、项目组承担的 干热岩地热资源开采技术原理研究 获2016年山西省自然科学二等奖(2016-Z-2-013);

3、项目组承担的 岩盐力学特性及油气储库建造理论研究 获2007年山西省自然科学二等奖(2007-Z-2-007). 发现点客观评价: (1)发现点1的客观评价 中国工程院院士重庆大学鲜学福教授对代表性论著《多孔介质多场耦合作用及其工程响应》评价: 该书是目前所见的一部对多孔介质多场耦合作用科学与工程领域理论体系和方法进行完整阐介的有广泛应用价值的学术专著,……,全书系统地反映了赵阳升教授及其学术团队二十多年来,在推动多孔介质多场耦合作用新兴边缘学科创建、发展所进行的大量基础实验与理论研究和宽广的工程应用实践方面做出的系统创新成果,具有相当的研究深度和创意性,必将对推动相关领域的科学与工程技术进步具有重要价值,并产生重要影响. 吉林大学孙友宏教授评价: 康志勤等揭示的油页岩孔隙裂隙结构与渗透率演化规律对原位热解定量控制具有重要价值 . (2)发现点2的客观评价 600℃20MN伺服控制高温高压岩体三轴试验机评价:2009年教育部组织以马谨院士为组长的专家组对试验机进行鉴定,鉴定意见为: 该试验机是目前国内外唯一的多功能高温高压岩体实验设备,属国内外首创,研究成果达国际领先水平 . Christianson等在IJRMMS, 2011,48:871-877 发表的文章评价:Liang等(2007)揭示了层状盐岩的应变不协调效应. 重庆大学尹光志教授在应力、孔隙压、温度对无烟煤渗透性作用的试验研究论文中的引言中详细介绍了代表作在应力、孔隙压、温度作用下几类煤渗透性研究进展. 加拿大阿尔伯塔大学Richard J. Chalaturnyk教授在煤地下气化有关的煤结构变化的review论文中,大篇幅详细介绍了本项目在煤与岩石高温高压下的固体力学特性、渗流特性及随温度演变规律,并与少数可见的国际同行相关研究结果进行比较,评价到:该研究开辟了未来煤高温高压地质力学特性研究的新方向(This study developed a pathway for future high-pressure high-temperature geomechanical experiments of coals). (3)发现点3的客观评价 国家自然科学基金委员会材料与工程科学部撰写的《矿产资源科学与工程战略研究报告》中评价: 梁卫国和赵阳升等提出了盐岩压裂溶解和盐矿水溶开采的固流热传质的耦合数学模型及其数值模拟方法,是盐矿水溶开采理论的重要进展 . Jun Yao、S.N. Pandeya等分别在其发表的论文中评价:赵阳升等建立了干热岩地热开发的固流热耦合数学模型,且模型中考虑裂隙的变形特性受应力温度影响(即强耦合作用)及流体密度是温度和压力的函数等影响(即弱耦合作用).通过数值模拟,发现了干热岩开采过程中裂隙张开度增加是十分重要的现象. 提出的强耦合非线性数学模型 沿时间序列线性近似耦合迭代求解方法 被广泛采用求解复杂的耦合数学模型问题,如,陈云敏院士等用于求解 非线性气固耦合填埋场沉降数学模型 ,孙培德等均采用此方法. (4)发现点4的客观评价 由于本项目在多孔介质演变机理与原位改性采矿前沿领域的试验与理论研究的重要影响,2010年教育部批准为 原位改性采矿教育部重点实验室 ,也是国内外唯一的此类实验室. 代表性引文3评价: 赵阳升等(2000)提出群井压裂控制水溶开采方法,推动了盐类矿床水溶开采技术的很大进步…… . 依据原位注热热解开采油页岩的技术原理,发明了对流加热开采油页岩的方法,中石化勘探开发研究院副总苏建政等评价:该方法是最具工业前景的环保、低成本、规模化开发的中国技术.2018年,国家能源局批准在太原理工大学原位改性采矿教育部重点实验室设立 国家油页岩原位注热开采分中心 .赵阳升曾6次在国家能源局、中国工程院组织的油页岩原位开发专题研讨会做 原位注热开采油页岩 的主旨报告. 中科院广州能源所吴能友所长发表的论文评价: 在中国,自2000年以来赵阳升带领研究组系统开展了干热岩地热开发的研究. Feng Yuan等在其论文 Current status and potentials of enhanced geothermal system in China: A review (Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2014, 33: 214-223) 评价到 An EGS model in Yangbajing has been proposed [feng,2012],and it is estimated that 1000MW installed capacity can be achieved through three wells with the depth of 9000m . 代表性论文专著目录: [1] 赵阳升. 多孔介质多场耦合理论及其工程响应. 北京:科学出版社,2010. [2] Zhao Yangsheng, Wan Zhijun, Feng Zijun, et.al. Triaxial compression system for rock testing under high temperature and high pressure. Int. J. Rock. Mech. Min. Sci. 2012, 52: 132-138. [3] Liang W.G. Yang C.H. Zhao Y.S. et.al. Experimental investigation of mechanical properties of bedded salt rock. Int.J. Rock. Mech. Min. Sci. 2007, 44: 400-411. [4] Yao Yanbin, Liu Dameng, Che Yao, et.al. Petrophysical characterization of coals by low-field nuclear magnetic resonance (NMR). Fuel, 2010, 89: 1371-1380. [5] Yao Yanbin, Liu Dameng. Comparison of low-field NMR and mercury intrusion porosimetry in characterizing pore size distributions of coals. Fuel, 2012, 95: 152-158. [6] Yu Yanmei, Liang Weiguo, Hu Yaoqing, et.al. Study of micro-pores development in lean coal with temperature. Int. J. Mech. Min. Sci. 2012, 51: 91-96. [7] Feng Zijun, Zhao Yangsheng, Zhou Anchao, et.al. Development program of hot dry rock geothermal resource in the Yangbajing Basin of China. Renew. Energ. 2012, 39: 490-496. [8] Kang Zhiqin, Yang Dong, Zhao Yangsheng, et.al. Thermal cracking and corresponding permeability of Fushun oil shale. Oil shale, 2011, 28(2): 273-283 主要完成人情况:

1、赵阳升,博士、教授,长江学者、国家杰出青年基金获得者,工作单位:太原理工大学.是多孔介质固流热传质耦合研究方向的主要开拓者,本项目整体研究思想的提出者,研究方案的设计规划者和主要研究工作........