环境岩土工程湖北省重点实验室2024年度工作总结

一、研究水平与贡献 

2024年度，实验室实施多项国家及省部级科研项目，科研工作取得了一系列新进展。新增主持省部级及以上项目27项，新增其他重大工程项目34项，各类项目共计61项。其中：国家重点研发计划项目1项，国家科技重大专项课题2项，国家自然科学基金项目10项（其中，国家自然科学基金联合基金重点项目1项，面上项目4项，青年金项目3项），省部级项目13项（其中，省创新发展联合基金项目1项，省技术创新计划项目2项，省战略科技人才培育专项项目1项，省重点研发计划项目1项）。新增合同经费 11548.38/19308.27万元,同比增长67.2%。实验室发表SCI/EI论文多篇，标注省重论文44篇，获得其他奖励5项（其中特等奖1项，二等奖3项，三等奖1项）；发明专利授权110项，授权实用新型专利3项。。

1.承担任务

（1）国家重点研发计划项目，地质储氢库适用性及安全关键技术, 2024.12-2027.11, 2500.00万元；

（2）国家科技重大专项课题，深部地下空间大规模物理储能利用基础与关键技术, 2024.11-2028.10, 2290.00万元；

（3）国家科技重大专项课题， 特殊空间封存CO2有效性评价与监测技术研究, 2024.11-2028.10, 2000.00万元；

（4）国家重点研发计划课题，能源与工业领域碳捕集利用封存技术创新和综合评价，2025.01-2027.12,150万元；

（5）国家自然科学基金联合基金重点项目，深层海相页岩多断裂复杂应力压裂扰动地质体活化机理及改造控制理论与方法， 2025.01-2028.12, 308.8万元；

（6）湖北省技术创新计划项目，  长距离输水隧洞工程灾害风险演化机制与安全控制关键技术研究， 2025.01-2026.12, 100万元；

（7）湖北省技术创新计划项目，CO2地质封存多参量泄漏监测技术与保真取样一体化装备， 2025.01-2027.12, 100万元；

（8）2024年度湖北省战略科技人才培育专项，深部地下洞室（群）钻爆开挖稳定机制与安全调控技术研究，100万元。

2.研究工作水平

（1）代表型研究工作进展（基础研究）：多孔介质中二氧化碳与油相及油水两相相互作用的界面行为研究最新进展

无论常规储层还是非常规致密储层在水驱开发过程中，一般孔隙通道中央的原油较容易被置换，靠近孔壁的原油容易以油膜形式吸附在孔隙壁面而滞留在孔隙中，并且膜状剩余油在剩余油总量中所占的比例较大。目前，膜状剩余油的研究主要以水驱开发油藏为主，而对于注气开发后孔隙壁面膜状剩余油的研究还有待完善。二氧化碳（CO2）地质封存技术与提高原油采收率（EOR）技术相结合能够进一步降低CO2地质封存的经济成本，因此，CO2-EOR技术一直是二氧化碳捕集利用与封存（CCUS）领域的研究热点。然而，关于不同温度、压力及润湿性条件下的CO2驱采膜状剩余油的潜力需要进一步认识，且温度、压力及润湿性影响CO2剥离孔隙壁面油膜界限不明确。同时，CO2在流体与流体及流体与固体界面的行为特征也有待揭示。

针对以上关键科学问题，中国科学院武汉岩土力学研究所二氧化碳地质封存研究团队通过理论分析、室内试验、分子动力学模拟方法，探究了不同温度、压力及润湿性条件下CO2驱采孔隙壁面膜状剩余油的潜力。同时，揭示了不同润湿性及压力下CO2、H2O及油相分子在孔隙壁面附近的微观行为特征及CO2分子在不同界面的行为差异。结果表明对于水湿、混湿及油湿性体系，CO2和油相分子与孔隙壁面之间的相互作用能均随着温度的升高而降低，随着压力的升高而增大。当温度低于363 K，或者温度等于363 K且压力不低于40 MPa时，CO2分子能够剥离水湿性孔隙壁面油膜。对于混湿和油湿体系，CO2分子没有能力剥离孔隙壁面油膜。同时，CO2分子会在不同界面富集，从而降低界面张力，且随着压力的升高，界面张力降低程度增大。在油-水-孔壁体系中，在相同压力下，混湿性体系中CO2 + decane/H2O界面处的界面张力降低程度小于水湿性体系。混湿性体系在H2O/SiO2界面处界面张力降低程度整体大于水湿性体系。在水-油-孔壁体系中，在相同的压力下，混湿性体系中CO2/H2O界面处的界面张力降低程度与油湿性体系中相比较小，混湿性体系中H2O/decane界面处界面张力降低程度与油湿性体系相比基本相等，混湿性体系中decane/SiO2界面处的界面张力降低程度与油湿性体系相比更大。以上研究成果对CO2气驱过程中流-固界面行为的理解及膜状剩余油挖潜提供了一定的参考依据。

相关研究成果发表在中国科学院一区期刊Geoenergy Science and Engineering和Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering上，本研究由国家自然科学基金（41872210和41274111）、湖北省自然科学基金创新群体项目（2021CFA030）共同资助。

（2）代表型研究工作进展（应用基础研究）：在超临界二氧化碳强化页岩开采与地质封存一体化研究取得进展

全球能源失衡带来了巨大的挑战和环境后果，超临界二氧化碳强化页岩开采与地质封存一体化为同时解决这两个问题提供了有希望的解决方案。页岩储层拥有低孔隙度、低渗透率和高吸附性的特征，展现出大规模碳封存的潜力。在SC-CO₂注入过程中，页岩气储层会经历一系列由CO₂吸附引起的物理化学变化，包括吸附、溶解、沉淀、传输和润湿性变化等多重机制的协同作用。这一机制在影响页岩气储层的储存能力的同时，可能会导致基质膨胀、裂缝产生，影响封存过程中的安全性和稳定性。

中国科学院武汉岩土力学研究所油气地下储备与开发研究中心助理研究员常鑫和博士研究生林双双针对这一系列复杂的科学问题开展深入研究。他们聚焦于二氧化碳注入和储存过程中吸附所导致的基质膨胀现象，系统分析了这一机制对页岩储层结构和储气性能的影响。团队针对主要研究成果如下：1）CO₂吸附诱发页岩显著膨胀，垂直于层理面的方向上比平行方向上更容易发生变形；2）机械压缩和吸附膨胀的非同步响应导致在岩体中形成应力集中区，进而加剧结构失效；3）通过使用棒状几何模型和结合线性应变的筛选框架，评估各向异性变形对渗透性变化的影响。在各向同性膨胀假设下，渗透性损失的唯一原因被认为是垂直吸附线性膨胀应变；而实际中，页岩在吸附过程中表现出各向异性变形，由于原位“反推”条件，一部分垂直应变转化为水平应变。在原位“反推”条件下的渗透性与各向同性膨胀假设下的渗透性存在显著差异。

研究成果发表于Gas Science and Engineering，Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering等行业TOP期刊。研究工作得到了国家自然科学基金项目(52104046)项目资助。

（3）标志性成果

本年度取得一项标志性成果：深部复杂地质环境页岩气储层高效改造关键技术及工业化应用。

我国深层页岩气（＞3500m）资源丰富，资源总量高达24.5万亿立方米，约占页岩气总资源量的68%，开发前景广阔。“深层复杂地质环境页岩气储层水力压裂增渗开采”是保障我国能源安全的重大战略需求。深部页岩储层应力高（70—90MPa）、水平应力差大（15—25MPa），压裂改造面临压裂缝形态简单、多压裂缝非均衡扩展及压裂扰动导致地质体活化等重大科技难题，制约了深层复杂地质环境页岩气资源的效益开发。

成果围绕“深层复杂地质环境页岩压裂成缝理论及调控关键技术”难题，通过开展页岩压裂缝扩展理论、物模方法、表征技术、模拟软件及调控工艺技术研究，对深层页岩成缝演化机制、压裂液体系、断裂发育区压裂扰动及多裂缝均衡扩展调控等关键难题进行了系统攻关，并进行推广应用，取得了三项创新成果。

（1）研发了深层高应力页岩复杂缝构建理论与配套压裂液体系：研发出高温高压真三轴压裂物理模拟试验装备，性能满足室温—300℃，三向应力独立伺服加载90MPa，伺服压裂泵最高输出压力：210 MPa，控制精度 0.05MPa/s，实现了深层高应力下页岩压裂缝成缝的室内再现。建立了八叉树盒维数法定量评估不同尺度三维压裂缝复杂度，提出了页岩复杂缝压裂改造效果评价指标，揭示了深层复杂地质环境压裂复杂缝成缝机理，建立了水力裂缝与天然裂缝相交判据准则，开发了水力裂缝与天然裂缝相交扩展判据程序，构建了深层页岩复杂缝构建理论与精细调控方法；建立了储层原位温压压裂液-页岩相互作用评测体系，提出了基于CT扫描的页岩水化损伤定量评价方法，揭示了压裂液作用下页岩强度非线性演化规律，合成了悬浮乳液FLICK-2一体化降阻剂，优选了交联剂及抑制页岩水化膨胀的复合增效剂，开发了适用于深层页岩气的FLICK-2一体化变粘乳液型压裂液，有效解决了深层复杂缝成缝难的问题。

（2）创建了非均质岩体压裂效果评价与复杂断裂发育区压裂调控方法：提出了基于蒙特卡洛法的微尺度多孔多相结构重建方法、基于向量统计的宏-细观粗糙裂缝及其网络表征方法、基于统计分布的岩体矿物参数分布描述方法，解决了岩体多孔多相和裂隙网络建模难、压裂影响评估难的问题。提出了测量结果更为稳定、精确的高程立方体覆盖法，实现了三维单曲面裂缝和压裂模拟应力场等场变量的量化评估。基于建立的多种非均质结构建模方法和联合有限-离散元方法，自主开发了压裂缝及压裂场变量量化评估的复杂非均质压裂仿真平台。创建了含断层特征压裂扰动滑移活化物模试验技术及压裂诱发断层滑移计算模型，揭示了压裂动态演化对近井筒断裂发育带的扰动机制。提出了控制施工节奏、控制注入强度的“双控”策略+优化施工顺序、优化施工参数的“双优”路线，构建了复杂断裂发育区压裂工艺调控方法，显著降低了复杂断裂发育区压裂开发中的套变和压窜风险。

（3）创新了深部页岩密切割-细分簇-暂堵转向复合压裂关键技术：建立了多簇裂缝起裂及簇暂堵室内水压物理模拟实验评价技术，揭示了深层页岩高应力差下段内多压裂缝的竞争扩展机制，探明了多裂缝竞争扩展规律及多簇暂堵转向裂缝扩展机理，提出了以暂堵转向技术为核心的深层页岩气储层多裂缝均衡压裂基础理论体系。研发了暂堵球+暂堵剂的复合暂堵工艺方法，创新了以“多缝换缝网+暂堵换排量”的深层页岩复杂缝压裂改造技术，探明了深层页岩暂堵压裂暂堵球水平井筒运移封堵机制，明确了暂堵剂缝内增压机理及调控多裂缝均衡扩展的暂堵时机及暂堵用量，形成了缝口-缝内多级精细复合暂堵压裂工艺技术。构建了光纤监测+施工曲线+水锤效应三位一体的深层页岩暂堵转向压裂效果实时诊断评价技术体系，提出了暂堵有效性综合评价标准，有效解决了深层复杂地质环境页岩气储层高应力下裂缝形态简单、改造不均衡的技术难题。

该成果主编国家标准1部，行业标准2项，企业标准1项，授权国家发明专利47项，发表论文212篇（SCI 126篇；EI 65篇），取得了显著的经济、社会和生态环境效益，具有广泛的推广应用前景。经专家委员会鉴定，成果整体达到国际领先水平。成果已在中石油泸州、渝西及中石化南川等深层页岩气开采中得到成功应用，增产天然气量超100亿立方米，受央视新闻、人民网、新华网等媒体报道。

二、队伍建设和人才培养

1.实验室队伍的总体情况，包括总人数，队伍结构，人才情况。

本年度实验室瞄准研究定位和方向，不断加强实验室队伍建设力度，建立完善适应实验室发展需要的人才动态优化机制，人才成长的激励评价与考核机制以及稳定关键人才的长效机制，不断充实实验室科研力量，科研队伍的年龄和学历结构日益改善，加快了人才梯队建设优化步伐，造就了一支充满创新活力的科技队伍。同时依托研究所，为优秀引进人才预留高级岗位，可直接聘任研究员或副研究员岗位，高级职称固定研究人员数量显著增加。实验室现有固定研究人员107人，其中，研究员29人，副研究员43人，助理研究员35人。2024年实验室有中国工程院院士1人，国家重点研发计划项目负责人1人，国家973项目首席科学家2人，国家杰出青年基金获得者2人，国家优秀青年科学基金获得者1人，百人计划6人，省青拔2 人，国家引才青年1人，长江学者1人。此外，本年度还有17名流动研究人员在实验室从事研究工作。以学科发展和国家重大工程建设需求为导向，通过承担国家和重大工程研究项目造就培养人才。实验室培养博士生85人，硕士生69人，合计154人，2024年度共计23人毕业。

2. 本年度队伍建设、人才培养（包括研究生培养）与引进情况，特别是团队组织和凝聚、吸引、培养国内外优秀中青年人才的措施及取得的成绩。

    本年度实验室瞄准研究定位和方向，不断加强实验室队伍建设力度，建立完善适应实验室发展需要的人才动态优化机制，人才成长的激励评价与考核机制以及稳定关键人才的长效机制，不断充实实验室科研力量，科研队伍的年龄和学历结构日益改善，加快了人才梯队建设优化步伐，造就了一支充满创新活力的科技队伍。同时依托研究所，为优秀引进人才预留高级岗位，可直接聘任研究员或副研究员岗位，高级职称固定研究人员数量显著增加。2024年，实验室成功引进省百人计划人才1人（侯赟璐博士），以学科发展和国家重大工程建设需求依托，通过承担国家和重大工程研究项目培养造就人才，2023年度培养博士生85人，硕士生69人。

3.   简要介绍1-2名本年度培养或引进的优秀人才（以固定人员为主）。

侯赟璐，博士，在法国从研究生阶段一直从事混凝土材料、再生骨料自然碳化反应和加速碳化反应及技术的研究工作。作为主要骨干参与并完成法国国家项目 3 项，在二氧化碳与水泥基材料的化学反应和碳化反应过程中多孔介质材料内部孔隙演变开展了出色的研究。到中科院工作以来，继续从事水泥基材料的二氧化碳封存和利用研究的同时，开展了二氧化碳与矿物反应拓展至二氧化碳地质封存中的地层岩石矿化封存的基础和应用研究。目前正主持国家自然科学基金的青年基金项目，博士后科学基金面上项目；作为主要骨干参与一项国家自然科学基金的重点项目，一项国家重点实验室开放基金项目，两项企业委托研究项目。回国后，以第一/通讯作者发表 SCI TOP 期刊 2 篇，申请国家发明专利 4 项，参与二氧化碳地质封存与利用（CCUS）相关团体标准撰写 3 项；作为具有重要的国际影响力的国际材料与结构研究实验联合会（RILRM）技术委员会的成员参与了技术研究。

三、开放与合作交流

1.概述本年度实验室国内外学术交流与合作的主要情况。

实验室高度重视国内外学术交流与合作，积极构建学术交流与合作的机制与机会，坚持走出去、请进来，通过交流与合作服务人才培养，服务成果产出。2024年度我们积极开展各类学术交流与合作，实验室或实验室科学家承办了“     二氧化碳驱油和碳封存过程中的多尺度、鲁棒高效的数值模拟” 国际学术交流、“煤炭智能开采与岩层控制技术新进展”国内学术交流、召开了首届首届“全国深地储能科学与技术大会”，召开了“香山科学会议第Y9次学术讨论会”。

2. 公众开放活动的目的意义，开放对象，活动内容，取得成效。

  实验室及有关实验设施面向公众和研究同行保持开放，可有效促进交流碰撞，对科学普及和合作研究具有重要意义。2024年度，一方面利用学术会议间隙，实验室接待了中国石油大学（北京）等全国多家机构同行的参观交流和指导，配合开展了2024年度大学生暑期夏令营活动，取得了积极成效，扩大了学术影响。

3. 实验室作为本领域公共研究平台的作用，大型仪器设备的开放与共享情况。

实验室有效整合现有科学仪器设备资源，努力拓展不同层次的共享渠道，实现资源的共享、共用。通过建设研究所所级公共技术服务中心网站、加入华中地区大型仪器设备协作共用网、与其他科研院所及大企业公司建立合作研究中心、与地方院校签订合作协议以及实施“大创计划”等方式加大大型仪器设备的宣传力度，让国内外同行了解研究所设备资源，促进开放共享，充分发挥仪器设备使用效率。

截止2024年底实验室共有10万元以上的大型仪器设备27台（套），总值3733.92万元，大型仪器总研究工作机时达到54190.2小时，对外服务工作总机时达到8717.2小时。

四、专项经费执行情况与效益分析

1.省级研究课题的执行情况（如没有，此项可不填）

湖北省自然科学基金计划（创新群体）项目“城市群快速通道路基工程性能演化与主动调控关键技术研究（2023AFA019）”研究进展：

围绕城市群快速通道路基工程性能演化与主动调控关键技术开展研究，揭示了典型湖北区域气候条件和交通荷载耦合作用下路基土体性能的演化机制，研究了非饱和路基土的强度和变形指标衰变规律，建立了路基土损伤演化的CT数和电导率评价方法。进一步开展了不同工况条件下的振动压路机碾压试验，根据试验结果厘清了压路机振动加速度、速度、位移和应力等指标与路基含水率和压实度的量化关系，在此基础上构建快速通道路基智能压实指标体系，为路基工程的智能建造与快速检测提供了理论支撑。

五、依托单位的支持

1.依托单位在人、财、物条件方面的保障和支持（应与填报的数据一致）

2.      依托单位给予的其他支持

六、实验室存在的问题及建议

无。

七、实验室下一步的发展思路

目前实验室正在各方面一直呈现良好发展势头，多年来，人才、项目、成果等稳定进步。下一步将引导人才队伍和研究成果服务国民经济主战场，努力破“五唯”，不断扩大实验室影响力，高度重视与湖北省经济社会产业发展深度结合，强化研究成果转移转化。

八、实验室大事记

1、岩洞氢储能系统正式开工  引领氢能储能技术新篇章

   2024年12月12日，由中国科学院武汉岩土力学研究所（以下简称“武汉岩土所”）提供核心技术支撑的岩洞氢储能系统正式开工，中国工程院杨春和院士（武汉岩土所研究员），武汉岩土所党委书记、副所长陆凯阳及总工程师陈卫忠研究员出席开工仪式。 岩洞氢储能系统开工建设标志着武汉岩土所在大规模地下氢能储备领域取得了重大进展，展示了在科研创新与技术转化方面的强劲实力。杨春和院士在仪式上强调：本项目实现了三个“全球领先”，水平隧洞式岩洞储氢全球首例，单库储氢规模全球第一，洞室储氢全产业链集成全球领先；岩洞氢储能系统正式开工标志着我国岩洞储氢技术领域开启了新的篇章，为氢能产业的未来发展注入了强劲动力。

  本次开工的岩洞氢储能系统是氢能制储加用一体化国家示范项目的重要组成部分，是氢能“制储输用”产业链的关键环节。在全球能源转型的关键时期，对于推动清洁能源利用、减少碳排放具有重要意义。武汉岩土所依托其专业优势，将科研成果深度融入岩洞氢储能系统的设计之中，为解决规模化储氢难题提供了前沿解决方案。研发成果“50000Nm³水平隧洞式岩洞氢储能系统”入选国家能源局第四批能源领域首台（套）重大技术装备名单，成为国内地质储氢领域的首个入围成果。岩洞氢储能系统不仅具备大规模储氢的适用性，还展现出对工业用氢、交通能源及分布式供能等多种应用场景的高度适应性，为氢能产业的广泛推广和应用铺设了稳固的基石。武汉岩土所将继续依托科技创新的驱动力，引领并促进氢储能技术领域的革新，为推动全球能源转型和可持续发展贡献力量。

2、实验室李海波、陈善雄获得2024年度中国科学院优秀导师奖

中国科学院公布2024年度“中国科学院优秀导师奖”评审结果，武汉岩土所李海波和陈善雄两位博士生导师榜上有名。李海波指导的刘黎旺博士获得“中国科学院优秀博士学位论文奖”，陈善雄指导的黄康博士获得“中国科学院院长特别奖”。

    为发挥导师在研究生培养中的积极性和主导作用，中国科学院每年奖励优秀导师，旨在表彰在研究生培养工作中做出突出贡献的优秀研究生导师，进一步提高中国科学院人才培养质量，促进全院研究生教育事业的稳步发展。

3、实验室博士生黄康荣获中国科学院院长特别奖

2024年度“中国科学院优秀博士学位论文”评审结果公布，武汉岩土所2023届博士毕业生刘黎旺的学位论文入选。刘黎旺，2018年于中南大学获工学学士学位，2023年在中国科学院武汉岩土所获岩土工程专业博士学位，导师为李海波研究员。

    “中国科学院优秀博士学位论文”自2004年首次评选，每年入选数量不超过100篇。参评的博士学位论文要求为本学科前沿、在理论或方法上有创新、有重要的理论意义或现实意义、并取得突破性成果、达到国内同领域的领先水平或国际同类领域的先进水平。近年来，武汉岩土所加强研究生教育过程管理、提高学位授予标准、完善研究生招生培养激励机制，保证了研究生培养质量，研究生群体已成为研究所科研创新队伍的重要力量。

4、首届全国深地储能科学与技术大会在武汉成功召开

 2024年11月9日至10日，首届全国深地储能科学与技术大会在湖北省武汉市顺利举行。来自全国各地高校、科研院所、企业的400余名注册代表参会，共同探讨深地储能领域的科学与技术问题。中国工程院院士李根生、康红普、孙金声、杨春和、张来斌、周创兵，湖北省科学技术协会副主席孙击翔等领导专家出席开幕式。在众人的见证下，大会会徽正式发布，标志着全国深地储能科学与技术大会的正式启航。大会学术委员会主席杨春和院士、中国科学院武汉岩土力学研究所薛强所长、中冶武勘工程技术有限公司臧中海董事长分别发表了热情洋溢的致辞。湖北省地下工程学会理事长陈卫忠研究员担任开幕式主持。 会议期间，多位院士和专家带来了精彩的特邀报告。杨春和院士分享了“深地储能的机遇与挑战”；孙金声院士则介绍了“中国石油万米深地油气‘井工程’技术进展与展望”；康红普院士探讨了“深部煤炭地下空间开发及能源化低碳化利用”；李根生院士对“深层地热资源开采与储能”进行了深入剖析；张来斌院士分享了“地下储气库风险管控”的经验；周创兵院士则带来了“岩体多场耦合理论与应用”的最新研究成果。此外，还有多位教授和正高级工程师就各自研究领域的最新进展进行了报告，内容涵盖了深地储能的各个方面。本次大会以“深地储能挑战与技术创新”为主题，围绕深地储能基础理论、安全建设与运维关键技术的热点问题进行深入交流。为各行业搭建了一个开放包容、互学互鉴的科技交流平台，对深入实施双碳战略与改革能源结构，推动我国深地储能科学与技术领域的快速发展具有重要价值与意义。