緣起極端條件鉆采 筑夢能源資源開發
——記吉林大學建設工程學院副院長陳晨

干思思

陳晨在悉尼

恩格斯曾經說過：“社會一旦有技術上的需要，則這種需要就會比十所大學更能把科學推向前進。”地下非常規能源鉆采技術的發展正驗證了這句話。

地下非常規能源，是指傳統能源之外的各種能源形式，即剛開始開發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、地熱等。

到21世紀中葉，在可預見的能源格局中，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年中國全年進口原油為4.62億噸，達到了新高，對外依存度達到了70.8%，嚴重影響了我國的能源安全。能源問題已經成為制約我國經濟持續發展的最大頸瓶，開發新能源成為我國能源戰略的重要部分。

對地下非常規能源的開發研究我們正走在路上，而且在加速。吉林大學建設工程學院副院長、教授陳晨在非常規能源鉆采領域的研究已經持續了約20年，尤其對油頁巖、天然氣水合物、極地施工、地熱等的研究，陳晨可謂是見證者，更是參與者。

國家技術發明獎二等獎，高等學校科學研究優秀成果獎技術發明獎一等獎，吉林省科學技術獎，原地質礦產部科技進步獎三等獎……在國之重器吉林大學這方沃土上，陳晨帶領團隊播種著，收獲著，默默地行走在科研路上。

萬里求學，初探極端條件鉆采技術

任何時刻，我們所做的每一個選擇，都有可能成為人生的轉折點。而現在回望過去，陳晨很慶幸自己當初選擇進入地下非常規能源開發領域，讓他可以為這一有長遠發展趨向的研究貢獻自己的一份力量。

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，我是針對固體礦產勘探取樣方法來進行研究的。”陳晨所說的固體礦產勘探，主要是需要在偌大的地下找到具有開發價值的固體礦產，然后對發現的有價值的這部分礦產進行合理的規劃，以便保證其能正常的開采。

隨著工業化的高速發展，人們也越來越重視和關注各種礦產和能源的未來，并且已經注意到當前被廣泛利用的煤炭、石油、天然氣等常規能源自身存在的局限性，以及其造成的日益突出的環境問題。

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

也正是在國外學習與工作期間，他接觸到這些相關前沿技術的研究成果，為他今后的研究與發現，起到了重要的助力作用，讓他對各個相關科研項目的研究充滿信心。

極地取芯，破解孔壁穩定難題

在地球的南北兩端，是這個星球上最寒冷的地方。當海洋結冰，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即將到來。而當海面最后完全被冰封成一片的時候，極地地區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的動物，大多數也難以抵擋冬日的嚴寒，很多人不禁想問：極地地區究竟是怎樣的呢？

“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，發生缺氧的情況也是常事。”不得不說，極地地區因冰雪消融導致的氣候變化、豐富的海洋資源與生物基因資源都與人類的生產、生活息息相關。也正因如此，極地地區的重要性不言而喻，已成為當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“加快建設海洋強國”的國家戰略的號召下，拓展極地“戰略新疆城”就包含著潛在的重大國家利益。

隨著極地戰略地位的提升，南北極的科學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，來分析自然與生態環境的歷史變遷，而獲取冰芯的主要來源就是進行大規模的極地冰層鉆進工作。

據陳晨介紹，目前許多國家已經完成了深部冰層鉆孔工作。“當前，世界范圍內在極地地區鉆進深度最深為3800米，這個紀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，我國僅達到800米的深度。”

2018年瑞士極地會議吉林大學代表團合影

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，由于鉆孔需要經常穿過脆性行為較為明顯的“脆冰層”，因此與孔壁穩定性相關的事故仍然時有發生，最嚴重的就是孔壁損傷—破裂的失穩問題。這不但會嚴重影響鉆進工作進展，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境造成無法修復的污染。

為了解決此類問題，陳晨帶領團隊開展了脆性行為下冰孔孔壁失穩機理與控制方法的研究。他們考慮到冰孔孔壁損傷—破裂過程的復雜性，于是便針對孔壁脆性區的穩定性，在多場耦合下展開了損傷—破裂過程的研究。他們將損傷連續力學、斷裂力學、冰蓋動力學等理論都引入到冰層鉆探孔壁穩定性的研究中，并對孔壁損傷及裂紋擴展進行了控制。在陳晨與團隊的共同努力下，團隊建立了冰孔脆性行為下的孔壁損傷與裂紋擴展模型，為冰孔孔壁失穩研究提供了重要的理論支撐。他們進而研究了冰川中冰層的流動對冰孔孔壁穩定的時空效應，從而進一步豐富了冰層鉆孔孔壁穩定性的研究理論。“這是對冰層鉆進孔壁穩定研究理論的重要研究內容。”陳晨補充道。

“極地鉆探是個大工程，涉及的學科多之又多。”陳晨不禁感慨道。他表示，地理、天文、海洋、地球、化學、仿生、機械以及地質等學科知識，都會用于極地鉆進工作中。每一個學科都很重要，這也就意味著需要多方面人才的相互配合、協同創新。在他看來，自己所做的研究僅僅是極地鉆進工作前的“熱身活動”，還有許多未知的難題亟待解決。“要仔細看清極地鉆進場上的形勢，無論是成為正式的鉆進隊員，還是作為替補隊員，都需要時刻準備好趕赴工作戰場。”陳晨笑談道。

碎石液舉，技術創新迎接能源挑戰

自有采礦史以來，人們一直在尋找完善現有采礦技術的方法和途徑，努力開發符合現代社會持續發展要求的新技術和新工藝。隨經濟的發展，各國普遍面臨地下淺部富礦日趨枯竭的難題，開采深部礦產和淺部貧礦勢必造成開采成本的增加。此外進入市場經濟后，為增加企業的競爭力，更迫切需要新的技術含量高、低耗、高效、采礦質量好的方法。這既是企業生存發展的需要，又符合我國科技發展創新戰略的要求。利用鉆孔來采礦的技術早已有之，古代人曾利用鉆孔來開采巖鹽。而現代意義上的鉆孔水力開采技術始于20世紀70年代，分別在東歐和北美進行了試驗研究，取得了令人振奮的效果。其原理是將地下巖礦石在原位進行碎石化處置，利用熱傳遞、質量交換及化學和水力學過程，以流動狀態（液態或氣態）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研究中，并取得了初步研究成果。天然氣水合物是極具商業開發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潛力，僅在我國南海北部陸坡的海域遠景資源量就相當于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仍然是一個技術性難題，迫切希望我國海底天然氣水合物的開發技術能盡快取得突破。

近年來，國內外已經從不同的專業角度針對高壓水射流破巖和水合物穩定性進行了深入研究。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問題進行了模擬，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值模型。而在海洋天然氣水合物穩定性研究方面，科研人員也對多孔介質中天然氣水合物的分解相平衡進行了廣泛的研究。此外，在天然氣水合物鉆采技術研究方面，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。

陳晨認為，目前采用低溫泥漿與雙壁鉆桿閉路反循環“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，在此基礎上，陳晨帶領團隊再次創新攻關，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“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，由于在鉆采過程中，孔底流場復雜多樣，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、破巖過程中產生的水合物顆粒（鉆屑）穩定性及其對流場的影響這一范圍內使用。而且，由于水合物顆粒所處的溫壓條件會發生變化，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行描述，而利用陳晨團隊提出的新的水合物顆粒動態分解模型便能很好地解決這類問題。

2017年陳晨師門畢業合影

當前，海底天然氣水合物儲層鉆孔采用的多是機械式回轉切削方式，利用這種方式，高速回轉的鉆頭與水合物儲層經過摩擦生熱后，將會導致天然氣水合物受熱分解，由此可能會造成孔內事故。而利用陳晨團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。

整日繁忙的教學與科研工作已經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情的音樂，回想異國求學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領域，積極探索鉆采技術的奧秘。