缘起极端条件钻采 筑梦能源资源开发

干思思

恩格斯曾经说过：“社会一旦有技术上的需要，则这种需要就会比十所大学更能把科学推向前进。”地下非常规能源钻采技术的发展正验证了这句话。

地下非常规能源，是指传统能源之外的各种能源形式，即刚开始开发利用或正在积极研究、有待推广的能源，主要包括致密油、页岩油、稠油、油砂、油页岩油以及致密气、页岩气、煤层气、天然气水合物、地热等。

到21世纪中叶，在可预见的能源格局中，化石能源仍然是能源供给的主力军。从1996年中国首度成为原油净进口国开始，中国原油的对外依存度逐年攀升，2018年中国全年进口原油为4.62亿吨，达到了新高，对外依存度达到了70.8%，严重影响了我国的能源安全。能源问题已经成为制约我国经济持续发展的最大颈瓶，开发新能源成为我国能源战略的重要部分。

对地下非常规能源的开发研究我们正走在路上，而且在加速。吉林大学建设工程学院副院长、教授陈晨在非常规能源钻采领域的研究已经持续了约20年，尤其对油页岩、天然气水合物、极地施工、地热等的研究，陈晨可谓是见证者，更是参与者。

国家技术发明奖二等奖，高等学校科学研究优秀成果奖技术发明奖一等奖，吉林省科学技术奖，原地质矿产部科技进步奖三等奖……在国之重器吉林大学这方沃土上，陈晨带领团队播种着，收获着，默默地行走在科研路上。

万里求学，初探极端条件钻采技术

任何时刻，我们所做的每一个选择，都有可能成为人生的转折点。而现在回望过去，陈晨很庆幸自己当初选择进入地下非常规能源开发领域，让他可以为这一有长远发展趋向的研究贡献自己的一份力量。

而最初，陈晨的研究方向为岩石破碎新方法，并不涉及地下新能源的开采。“起初，我是针对固体矿产勘探取样方法来进行研究的。”陈晨所说的固体矿产勘探，主要是需要在偌大的地下找到具有开发价值的固体矿产，然后对发现的有价值的这部分矿产进行合理的规划，以便保证其能正常的开采。

随着工业化的高速发展，人们也越来越重视和关注各种矿产和能源的未来，并且已经注意到当前被广泛利用的煤炭、石油、天然气等常规能源自身存在的局限性，以及其造成的日益突出的环境问题。

陈晨也对这一有着极大发展前景的资源领域产生了研究兴趣，并借着多次赴俄罗斯圣彼得堡矿业学院、俄罗斯远东联邦大学、托木斯克理工大学做访问学者的机会，开展了极端条件下钻采技术的研究。如对热熔岩理论与技术的研究等，他对包括热熔岩各种方法、热熔钻具、热熔法设备和热熔工艺等在内的基础方面进行了探索；对极端寒冷环境下如极地冰层的热融冰原理、热融冰钻具结构、试验系统、钻井液及热融冰钻进工艺做了深入了解，并积累了一定的研究经验；初步了解了煤炭地下气化原理和技术，并积极参与了该技术的“引智”工作。此外在俄罗斯如饥似渴学习的过程中，他还深入了解并分析了钻孔水力开采技术，这种技术的原理就是利用液力将地下矿石以流动状态输送到地表。

也正是在国外学习与工作期间，他接触到这些相关前沿技术的研究成果，为他今后的研究与发现，起到了重要的助力作用，让他对各个相关科研项目的研究充满信心。

极地取芯，破解孔壁稳定难题

在地球的南北两端，是这个星球上最寒冷的地方。当海洋结冰，海水开始慢慢被冰雪堆积覆盖，也就意味着极地最寒冷的季节即将到来。而当海面最后完全被冰封成一片的时候，极地地区可怕的冬天就真的来临了。即便是长年生活在这样寒冷地区的动物，大多数也难以抵挡冬日的严寒，很多人不禁想问：极地地区究竟是怎样的呢？

“在陆地上施工有时都很困难，更不要说在极地的冰面上了，而且极地海拔比较高，气温又极低，别说钻取冰层了，就连呼吸都非常困难，发生缺氧的情况也是常事。”不得不说，极地地区因冰雪消融导致的气候变化、丰富的海洋资源与生物基因资源都与人类的生产、生活息息相关。也正因如此，极地地区的重要性不言而喻，已成为当今世界重要的地缘政治问题，各国围绕利益和影响力的竞争也日益“白热化”。因此，在“加快建设海洋强国”的国家战略的号召下，拓展极地“战略新疆城”就包含着潜在的重大国家利益。

随着极地战略地位的提升，南北极的科学钻探与油气勘探研究的热度不断上升，得到了各国的重视。要了解极地冰川是如何运动、气候又是如何变化的，就需要获取大量的冰芯，来分析自然与生态环境的历史变迁，而获取冰芯的主要来源就是进行大规模的极地冰层钻进工作。

据陈晨介绍，目前许多国家已经完成了深部冰层钻孔工作。“当前，世界范围内在极地地区钻进深度最深为3800米，这个纪录的保持者是俄罗斯，并且成功获取了冰芯样品和冰下岩心样品。相比之下，我国仅达到800米的深度。”

尽管成功钻取冰芯的消息不时传来，可在深部冰层钻孔工作中，由于钻孔需要经常穿过脆性行为较为明显的“脆冰层”，因此与孔壁稳定性相关的事故仍然时有发生，最严重的就是孔壁损伤—破裂的失稳问题。这不但会严重影响钻进工作进展，还时常会造成放弃钻孔的重大损失，同时钻井液漏失会对脆弱的极地环境造成无法修复的污染。

为了解决此类问题，陈晨带领团队开展了脆性行为下冰孔孔壁失稳机理与控制方法的研究。他们考虑到冰孔孔壁损伤—破裂过程的复杂性，于是便针对孔壁脆性区的稳定性，在多场耦合下展开了损伤—破裂过程的研究。他们将损伤连续力学、断裂力学、冰盖动力学等理论都引入到冰层钻探孔壁稳定性的研究中，并对孔壁损伤及裂纹扩展进行了控制。在陈晨与团队的共同努力下，团队建立了冰孔脆性行为下的孔壁损伤与裂纹扩展模型，为冰孔孔壁失稳研究提供了重要的理论支撑。他们进而研究了冰川中冰层的流动对冰孔孔壁稳定的时空效应，从而进一步丰富了冰层钻孔孔壁稳定性的研究理论。“这是對冰层钻进孔壁稳定研究理论的重要研究内容。”陈晨补充道。