干思思

陳晨在悉尼

恩格斯曾經(jīng)說(shuō)過(guò)：“社會(huì)一旦有技術(shù)上的需要，則這種需要就會(huì)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(yàn)證了這句話。

地下非常規(guī)能源，是指?jìng)鹘y(tǒng)能源之外的各種能源形式，即剛開(kāi)始開(kāi)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(yè)巖油、稠油、油砂、油頁(yè)巖油以及致密氣、頁(yè)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(jiàn)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(guó)首度成為原油凈進(jìn)口國(guó)開(kāi)始，中國(guó)原油的對(duì)外依存度逐年攀升，2018年中國(guó)全年進(jìn)口原油為4.62億噸，達(dá)到了新高，對(duì)外依存度達(dá)到了70.8%，嚴(yán)重影響了我國(guó)的能源安全。能源問(wèn)題已經(jīng)成為制約我國(guó)經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展的最大頸瓶，開(kāi)發(fā)新能源成為我國(guó)能源戰(zhàn)略的重要部分。

對(duì)地下非常規(guī)能源的開(kāi)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(zhǎng)、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(duì)油頁(yè)巖、天然氣水合物、極地施工、地?zé)岬鹊难芯浚惓靠芍^是見(jiàn)證者，更是參與者。

國(guó)家技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)，高等學(xué)?？茖W(xué)研究?jī)?yōu)秀成果獎(jiǎng)技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)，吉林省科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)，原地質(zhì)礦產(chǎn)部科技進(jìn)步獎(jiǎng)三等獎(jiǎng)……在國(guó)之重器吉林大學(xué)這方沃土上，陳晨帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)播種著，收獲著，默默地行走在科研路上。

萬(wàn)里求學(xué)，初探極端條件鉆采技術(shù)

任何時(shí)刻，我們所做的每一個(gè)選擇，都有可能成為人生的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。而現(xiàn)在回望過(guò)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(kāi)發(fā)領(lǐng)域，讓他可以為這一有長(zhǎng)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?yàn)閹r石破碎新方法，并不涉及地下新能源的開(kāi)采?！捌鸪?，我是針對(duì)固體礦產(chǎn)勘探取樣方法來(lái)進(jìn)行研究的?！标惓克f(shuō)的固體礦產(chǎn)勘探，主要是需要在偌大的地下找到具有開(kāi)發(fā)價(jià)值的固體礦產(chǎn)，然后對(duì)發(fā)現(xiàn)的有價(jià)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(kāi)采。

隨著工業(yè)化的高速發(fā)展，人們也越來(lái)越重視和關(guān)注各種礦產(chǎn)和能源的未來(lái)，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(wèn)題。

陳晨也對(duì)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(wèn)學(xué)者的機(jī)會(huì)，開(kāi)展了極端條件下鉆采技術(shù)的研究。如對(duì)熱熔巖理論與技術(shù)的研究等，他對(duì)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(duì)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(yàn)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(yàn)；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(guò)程中，他還深入了解并分析了鉆孔水力開(kāi)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(dòng)狀態(tài)輸送到地表。

也正是在國(guó)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(duì)各個(gè)相關(guān)科研項(xiàng)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(gè)星球上最寒冷的地方。當(dāng)海洋結(jié)冰，海水開(kāi)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(lái)。而當(dāng)海面最后完全被冰封成一片的時(shí)候，極地地區(qū)可怕的冬天就真的來(lái)臨了。即便是長(zhǎng)年生活在這樣寒冷地區(qū)的動(dòng)物，大多數(shù)也難以抵擋冬日的嚴(yán)寒，很多人不禁想問(wèn)：極地地區(qū)究竟是怎樣的呢？

“在陸地上施工有時(shí)都很困難，更不要說(shuō)在極地的冰面上了，而且極地海拔比較高，氣溫又極低，別說(shuō)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?！辈坏貌徽f(shuō)，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(wèn)題，各國(guó)圍繞利益和影響力的競(jìng)爭(zhēng)也日益“白熱化”。因此，在“加快建設(shè)海洋強(qiáng)國(guó)”的國(guó)家戰(zhàn)略的號(hào)召下，拓展極地“戰(zhàn)略新疆城”就包含著潛在的重大國(guó)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(guó)的重視。要了解極地冰川是如何運(yùn)動(dòng)、氣候又是如何變化的，就需要獲取大量的冰芯，來(lái)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(lái)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(guó)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(gè)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(guó)僅達(dá)到800米的深度?！?/p>

2018年瑞士極地會(huì)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(shí)傳來(lái)，可在深部冰層鉆孔工作中，由于鉆孔需要經(jīng)常穿過(guò)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(shí)有發(fā)生，最嚴(yán)重的就是孔壁損傷—破裂的失穩(wěn)問(wèn)題。這不但會(huì)嚴(yán)重影響鉆進(jìn)工作進(jìn)展，還時(shí)常會(huì)造成放棄鉆孔的重大損失，同時(shí)鉆井液漏失會(huì)對(duì)脆弱的極地環(huán)境造成無(wú)法修復(fù)的污染。

為了解決此類問(wèn)題，陳晨帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)開(kāi)展了脆性行為下冰孔孔壁失穩(wěn)機(jī)理與控制方法的研究。他們考慮到冰孔孔壁損傷—破裂過(guò)程的復(fù)雜性，于是便針對(duì)孔壁脆性區(qū)的穩(wěn)定性，在多場(chǎng)耦合下展開(kāi)了損傷—破裂過(guò)程的研究。他們將損傷連續(xù)力學(xué)、斷裂力學(xué)、冰蓋動(dòng)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(duì)孔壁損傷及裂紋擴(kuò)展進(jìn)行了控制。在陳晨與團(tuán)隊(duì)的共同努力下，團(tuán)隊(duì)建立了冰孔脆性行為下的孔壁損傷與裂紋擴(kuò)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(dòng)對(duì)冰孔孔壁穩(wěn)定的時(shí)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?！斑@是對(duì)冰層鉆進(jìn)孔壁穩(wěn)定研究理論的重要研究?jī)?nèi)容?！标惓垦a(bǔ)充道。

“極地鉆探是個(gè)大工程，涉及的學(xué)科多之又多?！标惓坎唤锌?。他表示，地理、天文、海洋、地球、化學(xué)、仿生、機(jī)械以及地質(zhì)等學(xué)科知識(shí)，都會(huì)用于極地鉆進(jìn)工作中。每一個(gè)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(lái)，自己所做的研究?jī)H僅是極地鉆進(jìn)工作前的“熱身活動(dòng)”，還有許多未知的難題亟待解決?！耙屑?xì)看清極地鉆進(jìn)場(chǎng)上的形勢(shì)，無(wú)論是成為正式的鉆進(jìn)隊(duì)員，還是作為替補(bǔ)隊(duì)員，都需要時(shí)刻準(zhǔn)備好趕赴工作戰(zhàn)場(chǎng)。”陳晨笑談道。

碎石液舉，技術(shù)創(chuàng)新迎接能源挑戰(zhàn)

自有采礦史以來(lái)，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(kāi)發(fā)符合現(xiàn)代社會(huì)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(guó)普遍面臨地下淺部富礦日趨枯竭的難題，開(kāi)采深部礦產(chǎn)和淺部貧礦勢(shì)必造成開(kāi)采成本的增加。此外進(jìn)入市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)后，為增加企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)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(guó)科技發(fā)展創(chuàng)新戰(zhàn)略的要求。利用鉆孔來(lái)采礦的技術(shù)早已有之，古代人曾利用鉆孔來(lái)開(kāi)采巖鹽。而現(xiàn)代意義上的鉆孔水力開(kāi)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(yàn)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(guò)程，以流動(dòng)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(kāi)采方法引入油頁(yè)巖與天然氣水合物的開(kāi)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(kāi)發(fā)前景的新型清潔能源。我國(guó)有巨大的天然氣水合物資源開(kāi)發(fā)潛力，僅在我國(guó)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(duì)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(gè)技術(shù)性難題，迫切希望我國(guó)海底天然氣水合物的開(kāi)發(fā)技術(shù)能盡快取得突破。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)從不同的專業(yè)角度針對(duì)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(jī)理研究方面，國(guó)際上已經(jīng)建立了適用于水射流破巖全過(guò)程分析的巖石損傷模型及宏細(xì)觀損傷的耦合模式，對(duì)水射流破碎油頁(yè)巖的三維非線性沖擊動(dòng)力學(xué)問(wèn)題進(jìn)行了模擬，還建立了模擬巖單元的損傷程度隨時(shí)間變化射流破巖過(guò)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(duì)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(guó)、日本、加拿大、挪威等國(guó)相繼投入大量資金開(kāi)展了天然氣水合物陸地與海洋鉆探計(jì)劃。與此同時(shí)，我國(guó)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(duì)開(kāi)展高壓低溫射流破巖過(guò)程及機(jī)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(shí)時(shí)”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(duì)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(lái)破碎海底天然氣水合物儲(chǔ)層的新思路，繼而再配合反循環(huán)“實(shí)時(shí)”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(qiáng)調(diào)，由于在鉆采過(guò)程中，孔底流場(chǎng)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(chǔ)層破巖過(guò)程、破巖過(guò)程中產(chǎn)生的水合物顆粒（鉆屑）穩(wěn)定性及其對(duì)流場(chǎng)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(huì)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(lái)進(jìn)行描述，而利用陳晨團(tuán)隊(duì)提出的新的水合物顆粒動(dòng)態(tài)分解模型便能很好地解決這類問(wèn)題。

2017年陳晨師門畢業(yè)合影

當(dāng)前，海底天然氣水合物儲(chǔ)層鉆孔采用的多是機(jī)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(chǔ)層經(jīng)過(guò)摩擦生熱后，將會(huì)導(dǎo)致天然氣水合物受熱分解，由此可能會(huì)造成孔內(nèi)事故。而利用陳晨團(tuán)隊(duì)提出的高壓低溫水射流對(duì)水合物儲(chǔ)層的破巖方式，會(huì)在孔底對(duì)水合物儲(chǔ)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(guò)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(méi)有讓陳晨享受過(guò)一個(gè)清閑的周末了。年輕時(shí)的他愛(ài)好廣泛，喜歡古詩(shī)詞，樂(lè)于感受詩(shī)詞之美、詩(shī)詞之趣；感受古人的偉烈豐功，與費(fèi)盡移山之力的那份家國(guó)情懷；他還喜歡看球，是德國(guó)隊(duì)忠實(shí)的擁躉；同時(shí)他還是橋牌的“資深玩家”，曾組隊(duì)參加省全運(yùn)會(huì)。而他現(xiàn)在唯一保留下來(lái)的愛(ài)好就是靜下來(lái)時(shí)，戴上耳機(jī)，靜靜地欣賞帶有濃郁俄羅斯風(fēng)情的音樂(lè)，回想異國(guó)求學(xué)時(shí)那激情燃燒的歲月。這是他補(bǔ)充“能量”、補(bǔ)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(jué)得辛苦疲憊，反倒感到格外充實(shí)。

對(duì)他來(lái)說(shuō)，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(huì)大打折扣。未來(lái)，陳晨也仍會(huì)將科研之根深深扎在能源開(kāi)發(fā)領(lǐng)域，積極探索鉆采技術(shù)的奧秘。