緣起極端條件鉆采 筑夢能源資源開發(fā)
——記吉林大學(xué)建設(shè)工程學(xué)院副院長陳晨

干思思

陳晨在悉尼

恩格斯曾經(jīng)說過：“社會一旦有技術(shù)上的需要，則這種需要就會比十所大學(xué)更能把科學(xué)推向前進(jìn)?！钡叵路浅Ｒ?guī)能源鉆采技術(shù)的發(fā)展正驗證了這句話。

地下非常規(guī)能源，是指傳統(tǒng)能源之外的各種能源形式，即剛開始開發(fā)利用或正在積極研究、有待推廣的能源，主要包括致密油、頁巖油、稠油、油砂、油頁巖油以及致密氣、頁巖氣、煤層氣、天然氣水合物、地?zé)岬取?/p>

到21世紀(jì)中葉，在可預(yù)見的能源格局中，化石能源仍然是能源供給的主力軍。從1996年中國首度成為原油凈進(jìn)口國開始，中國原油的對外依存度逐年攀升，2018年中國全年進(jìn)口原油為4.62億噸，達(dá)到了新高，對外依存度達(dá)到了70.8%，嚴(yán)重影響了我國的能源安全。能源問題已經(jīng)成為制約我國經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展的最大頸瓶，開發(fā)新能源成為我國能源戰(zhàn)略的重要部分。

對地下非常規(guī)能源的開發(fā)研究我們正走在路上，而且在加速。吉林大學(xué)建設(shè)工程學(xué)院副院長、教授陳晨在非常規(guī)能源鉆采領(lǐng)域的研究已經(jīng)持續(xù)了約20年，尤其對油頁巖、天然氣水合物、極地施工、地?zé)岬鹊难芯?，陳晨可謂是見證者，更是參與者。

國家技術(shù)發(fā)明獎二等獎，高等學(xué)校科學(xué)研究優(yōu)秀成果獎技術(shù)發(fā)明獎一等獎，吉林省科學(xué)技術(shù)獎，原地質(zhì)礦產(chǎn)部科技進(jìn)步獎三等獎……在國之重器吉林大學(xué)這方沃土上，陳晨帶領(lǐng)團(tuán)隊播種著，收獲著，默默地行走在科研路上。

萬里求學(xué)，初探極端條件鉆采技術(shù)

任何時刻，我們所做的每一個選擇，都有可能成為人生的轉(zhuǎn)折點。而現(xiàn)在回望過去，陳晨很慶幸自己當(dāng)初選擇進(jìn)入地下非常規(guī)能源開發(fā)領(lǐng)域，讓他可以為這一有長遠(yuǎn)發(fā)展趨向的研究貢獻(xiàn)自己的一份力量。

而最初，陳晨的研究方向為巖石破碎新方法，并不涉及地下新能源的開采。“起初，我是針對固體礦產(chǎn)勘探取樣方法來進(jìn)行研究的?！标惓克f的固體礦產(chǎn)勘探，主要是需要在偌大的地下找到具有開發(fā)價值的固體礦產(chǎn)，然后對發(fā)現(xiàn)的有價值的這部分礦產(chǎn)進(jìn)行合理的規(guī)劃，以便保證其能正常的開采。

隨著工業(yè)化的高速發(fā)展，人們也越來越重視和關(guān)注各種礦產(chǎn)和能源的未來，并且已經(jīng)注意到當(dāng)前被廣泛利用的煤炭、石油、天然氣等常規(guī)能源自身存在的局限性，以及其造成的日益突出的環(huán)境問題。

陳晨也對這一有著極大發(fā)展前景的資源領(lǐng)域產(chǎn)生了研究興趣，并借著多次赴俄羅斯圣彼得堡礦業(yè)學(xué)院、俄羅斯遠(yuǎn)東聯(lián)邦大學(xué)、托木斯克理工大學(xué)做訪問學(xué)者的機會，開展了極端條件下鉆采技術(shù)的研究。如對熱熔巖理論與技術(shù)的研究等，他對包括熱熔巖各種方法、熱熔鉆具、熱熔法設(shè)備和熱熔工藝等在內(nèi)的基礎(chǔ)方面進(jìn)行了探索；對極端寒冷環(huán)境下如極地冰層的熱融冰原理、熱融冰鉆具結(jié)構(gòu)、試驗系統(tǒng)、鉆井液及熱融冰鉆進(jìn)工藝做了深入了解，并積累了一定的研究經(jīng)驗；初步了解了煤炭地下氣化原理和技術(shù)，并積極參與了該技術(shù)的“引智”工作。此外在俄羅斯如饑似渴學(xué)習(xí)的過程中，他還深入了解并分析了鉆孔水力開采技術(shù)，這種技術(shù)的原理就是利用液力將地下礦石以流動狀態(tài)輸送到地表。

也正是在國外學(xué)習(xí)與工作期間，他接觸到這些相關(guān)前沿技術(shù)的研究成果，為他今后的研究與發(fā)現(xiàn)，起到了重要的助力作用，讓他對各個相關(guān)科研項目的研究充滿信心。

極地取芯，破解孔壁穩(wěn)定難題

在地球的南北兩端，是這個星球上最寒冷的地方。當(dāng)海洋結(jié)冰，海水開始慢慢被冰雪堆積覆蓋，也就意味著極地最寒冷的季節(jié)即將到來。而當(dāng)海面最后完全被冰封成一片的時候，極地地區(qū)可怕的冬天就真的來臨了。即便是長年生活在這樣寒冷地區(qū)的動物，大多數(shù)也難以抵擋冬日的嚴(yán)寒，很多人不禁想問：極地地區(qū)究竟是怎樣的呢？

“在陸地上施工有時都很困難，更不要說在極地的冰面上了，而且極地海拔比較高，氣溫又極低，別說鉆取冰層了，就連呼吸都非常困難，發(fā)生缺氧的情況也是常事。”不得不說，極地地區(qū)因冰雪消融導(dǎo)致的氣候變化、豐富的海洋資源與生物基因資源都與人類的生產(chǎn)、生活息息相關(guān)。也正因如此，極地地區(qū)的重要性不言而喻，已成為當(dāng)今世界重要的地緣政治問題，各國圍繞利益和影響力的競爭也日益“白熱化”。因此，在“加快建設(shè)海洋強國”的國家戰(zhàn)略的號召下，拓展極地“戰(zhàn)略新疆城”就包含著潛在的重大國家利益。

隨著極地戰(zhàn)略地位的提升，南北極的科學(xué)鉆探與油氣勘探研究的熱度不斷上升，得到了各國的重視。要了解極地冰川是如何運動、氣候又是如何變化的，就需要獲取大量的冰芯，來分析自然與生態(tài)環(huán)境的歷史變遷，而獲取冰芯的主要來源就是進(jìn)行大規(guī)模的極地冰層鉆進(jìn)工作。

據(jù)陳晨介紹，目前許多國家已經(jīng)完成了深部冰層鉆孔工作?！爱?dāng)前，世界范圍內(nèi)在極地地區(qū)鉆進(jìn)深度最深為3800米，這個紀(jì)錄的保持者是俄羅斯，并且成功獲取了冰芯樣品和冰下巖心樣品。相比之下，我國僅達(dá)到800米的深度?！?/p>

2018年瑞士極地會議吉林大學(xué)代表團(tuán)合影

盡管成功鉆取冰芯的消息不時傳來，可在深部冰層鉆孔工作中，由于鉆孔需要經(jīng)常穿過脆性行為較為明顯的“脆冰層”，因此與孔壁穩(wěn)定性相關(guān)的事故仍然時有發(fā)生，最嚴(yán)重的就是孔壁損傷—破裂的失穩(wěn)問題。這不但會嚴(yán)重影響鉆進(jìn)工作進(jìn)展，還時常會造成放棄鉆孔的重大損失，同時鉆井液漏失會對脆弱的極地環(huán)境造成無法修復(fù)的污染。

為了解決此類問題，陳晨帶領(lǐng)團(tuán)隊開展了脆性行為下冰孔孔壁失穩(wěn)機理與控制方法的研究。他們考慮到冰孔孔壁損傷—破裂過程的復(fù)雜性，于是便針對孔壁脆性區(qū)的穩(wěn)定性，在多場耦合下展開了損傷—破裂過程的研究。他們將損傷連續(xù)力學(xué)、斷裂力學(xué)、冰蓋動力學(xué)等理論都引入到冰層鉆探孔壁穩(wěn)定性的研究中，并對孔壁損傷及裂紋擴展進(jìn)行了控制。在陳晨與團(tuán)隊的共同努力下，團(tuán)隊建立了冰孔脆性行為下的孔壁損傷與裂紋擴展模型，為冰孔孔壁失穩(wěn)研究提供了重要的理論支撐。他們進(jìn)而研究了冰川中冰層的流動對冰孔孔壁穩(wěn)定的時空效應(yīng)，從而進(jìn)一步豐富了冰層鉆孔孔壁穩(wěn)定性的研究理論。“這是對冰層鉆進(jìn)孔壁穩(wěn)定研究理論的重要研究內(nèi)容。”陳晨補充道。

“極地鉆探是個大工程，涉及的學(xué)科多之又多。”陳晨不禁感慨道。他表示，地理、天文、海洋、地球、化學(xué)、仿生、機械以及地質(zhì)等學(xué)科知識，都會用于極地鉆進(jìn)工作中。每一個學(xué)科都很重要，這也就意味著需要多方面人才的相互配合、協(xié)同創(chuàng)新。在他看來，自己所做的研究僅僅是極地鉆進(jìn)工作前的“熱身活動”，還有許多未知的難題亟待解決?！耙屑?xì)看清極地鉆進(jìn)場上的形勢，無論是成為正式的鉆進(jìn)隊員，還是作為替補隊員，都需要時刻準(zhǔn)備好趕赴工作戰(zhàn)場?！标惓啃φ劦?。

碎石液舉，技術(shù)創(chuàng)新迎接能源挑戰(zhàn)

自有采礦史以來，人們一直在尋找完善現(xiàn)有采礦技術(shù)的方法和途徑，努力開發(fā)符合現(xiàn)代社會持續(xù)發(fā)展要求的新技術(shù)和新工藝。隨經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，各國普遍面臨地下淺部富礦日趨枯竭的難題，開采深部礦產(chǎn)和淺部貧礦勢必造成開采成本的增加。此外進(jìn)入市場經(jīng)濟(jì)后，為增加企業(yè)的競爭力，更迫切需要新的技術(shù)含量高、低耗、高效、采礦質(zhì)量好的方法。這既是企業(yè)生存發(fā)展的需要，又符合我國科技發(fā)展創(chuàng)新戰(zhàn)略的要求。利用鉆孔來采礦的技術(shù)早已有之，古代人曾利用鉆孔來開采巖鹽。而現(xiàn)代意義上的鉆孔水力開采技術(shù)始于20世紀(jì)70年代，分別在東歐和北美進(jìn)行了試驗研究，取得了令人振奮的效果。其原理是將地下巖礦石在原位進(jìn)行碎石化處置，利用熱傳遞、質(zhì)量交換及化學(xué)和水力學(xué)過程，以流動狀態(tài)（液態(tài)或氣態(tài)）輸送到地表。

陳晨先后將這種鉆孔水力開采方法引入油頁巖與天然氣水合物的開發(fā)研究中，并取得了初步研究成果。天然氣水合物是極具商業(yè)開發(fā)前景的新型清潔能源。我國有巨大的天然氣水合物資源開發(fā)潛力，僅在我國南海北部陸坡的海域遠(yuǎn)景資源量就相當(dāng)于744億噸油的量。但面對特殊的高壓低溫成藏條件，海底天然氣水合物的鉆采在世界范圍內(nèi)仍然是一個技術(shù)性難題，迫切希望我國海底天然氣水合物的開發(fā)技術(shù)能盡快取得突破。

近年來，國內(nèi)外已經(jīng)從不同的專業(yè)角度針對高壓水射流破巖和水合物穩(wěn)定性進(jìn)行了深入研究。其中，在高壓水射流破巖機理研究方面，國際上已經(jīng)建立了適用于水射流破巖全過程分析的巖石損傷模型及宏細(xì)觀損傷的耦合模式，對水射流破碎油頁巖的三維非線性沖擊動力學(xué)問題進(jìn)行了模擬，還建立了模擬巖單元的損傷程度隨時間變化射流破巖過程數(shù)值模型。而在海洋天然氣水合物穩(wěn)定性研究方面，科研人員也對多孔介質(zhì)中天然氣水合物的分解相平衡進(jìn)行了廣泛的研究。此外，在天然氣水合物鉆采技術(shù)研究方面，美國、日本、加拿大、挪威等國相繼投入大量資金開展了天然氣水合物陸地與海洋鉆探計劃。與此同時，我國在天然氣水合物鉆采方面的投入也在不斷加大，這些已用的成果都為陳晨團(tuán)隊開展高壓低溫射流破巖過程及機理研究提供了重要的借鑒。

陳晨認(rèn)為，目前采用低溫泥漿與雙壁鉆桿閉路反循環(huán)“實時”中心取樣采氣、水力輸送天然氣水合物礦漿方法合，是比較有研究前景的水合物探采方法。于是，在此基礎(chǔ)上，陳晨帶領(lǐng)團(tuán)隊再次創(chuàng)新攻關(guān)，他們首次提出了采用高壓低溫水射流切割的方式來破碎海底天然氣水合物儲層的新思路，繼而再配合反循環(huán)“實時”中心取樣法、水力輸送天然氣水合物礦漿法，最終成功形成了適用于海底天然氣水合物鉆采的新方法。但陳晨也特別強調(diào)，由于在鉆采過程中，孔底流場復(fù)雜多樣，因此這種方法只限于在高壓低溫水射流作用下水合物儲層破巖過程、破巖過程中產(chǎn)生的水合物顆粒（鉆屑）穩(wěn)定性及其對流場的影響這一范圍內(nèi)使用。而且，由于水合物顆粒所處的溫壓條件會發(fā)生變化，因此在這種情形下水合物分解情況不能用已有的分解模型來進(jìn)行描述，而利用陳晨團(tuán)隊提出的新的水合物顆粒動態(tài)分解模型便能很好地解決這類問題。

2017年陳晨師門畢業(yè)合影

當(dāng)前，海底天然氣水合物儲層鉆孔采用的多是機械式回轉(zhuǎn)切削方式，利用這種方式，高速回轉(zhuǎn)的鉆頭與水合物儲層經(jīng)過摩擦生熱后，將會導(dǎo)致天然氣水合物受熱分解，由此可能會造成孔內(nèi)事故。而利用陳晨團(tuán)隊提出的高壓低溫水射流對水合物儲層的破巖方式，會在孔底對水合物儲層形成高壓、低溫的環(huán)境，從而就可以減少水合物的分解，保障施工過程中的安全性。

整日繁忙的教學(xué)與科研工作已經(jīng)很久都沒有讓陳晨享受過一個清閑的周末了。年輕時的他愛好廣泛，喜歡古詩詞，樂于感受詩詞之美、詩詞之趣；感受古人的偉烈豐功，與費盡移山之力的那份家國情懷；他還喜歡看球，是德國隊忠實的擁躉；同時他還是橋牌的“資深玩家”，曾組隊參加省全運會。而他現(xiàn)在唯一保留下來的愛好就是靜下來時，戴上耳機，靜靜地欣賞帶有濃郁俄羅斯風(fēng)情的音樂，回想異國求學(xué)時那激情燃燒的歲月。這是他補充“能量”、補充“能源”，緩解科研工作壓力的“法寶”。如今為了科研，這種放松與愜意已經(jīng)成了難得的奢侈，然而他卻并不覺得辛苦疲憊，反倒感到格外充實。

對他來說，想要把一件事做好，就要日積月累地扎根于這一領(lǐng)域，如果不全力以赴，取得的成果也會大打折扣。未來，陳晨也仍會將科研之根深深扎在能源開發(fā)領(lǐng)域，積極探索鉆采技術(shù)的奧秘。