缘起极端条件钻采 筑梦能源资源开发 ——记吉(4)

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。”2018年瑞士极地会议吉林大学代表团合影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。“这是对冰层钻进孔壁稳定研究理论的重要研究内容。”陈晨补充道。“极地钻探是个大工程，涉及的学科多之又多。”陈晨不禁感慨道。他表示，地理、天文、海洋、地球、化学、仿生、机械以及地质等学科知识，都会用于极地钻进工作中。每一个学科都很重要，这也就意味着需要多方面人才的相互配合、协同创新。在他看来，自己所做的研究仅仅是极地钻进工作前的“热身活动”，还有许多未知的难题亟待解决。“要仔细看清极地钻进场上的形势，无论是成为正式的钻进队员，还是作为替补队员，都需要时刻准备好赶赴工作战场。”陈晨笑谈道。碎石液举，技术创新迎接能源挑战自有采矿史以来，人们一直在寻找完善现有采矿技术的方法和途径，努力开发符合现代社会持续发展要求的新技术和新工艺。随经济的发展，各国普遍面临地下浅部富矿日趋枯竭的难题，开采深部矿产和浅部贫矿势必造成开采成本的增加。此外进入市场经济后，为增加企业的竞争力，更迫切需要新的技术含量高、低耗、高效、采矿质量好的方法。这既是企业生存发展的需要，又符合我国科技发展创新战略的要求。利用钻孔来采矿的技术早已有之，古代人曾利用钻孔来开采岩盐。而现代意义上的钻孔水力开采技术始于20世纪70年代，分别在东欧和北美进行了试验研究，取得了令人振奋的效果。其原理是将地下岩矿石在原位进行碎石化处置，利用热传递、质量交换及化学和水力学过程，以流动状态（液态或气态）输送到地表。陈晨先后将这种钻孔水力开采方法引入油页岩与天然气水合物的开发研究中，并取得了初步研究成果。天然气水合物是极具商业开发前景的新型清洁能源。我国有巨大的天然气水合物资源开发潜力，仅在我国南海北部陆坡的海域远景资源量就相当于744亿吨油的量。但面对特殊的高压低温成藏条件，海底天然气水合物的钻采在世界范围内仍然是一个技术性难题，迫切希望我国海底天然气水合物的开发技术能尽快取得突破。近年来，国内外已经从不同的专业角度针对高压水射流破岩和水合物稳定性进行了深入研究。其中，在高压水射流破岩机理研究方面，国际上已经建立了适用于水射流破岩全过程分析的岩石损伤模型及宏细观损伤的耦合模式，对水射流破碎油页岩的三维非线性冲击动力学问题进行了模拟，还建立了模拟岩单元的损伤程度随时间变化射流破岩过程数值模型。而在海洋天然气水合物稳定性研究方面，科研人员也对多孔介质中天然气水合物的分解相平衡进行了广泛的研究。此外，在天然气水合物钻采技术研究方面，美国、日本、加拿大、挪威等国相继投入大量资金开展了天然气水合物陆地与海洋钻探计划。与此同时，我国在天然气水合物钻采方面的投入也在不断加大，这些已用的成果都为陈晨团队开展高压低温射流破岩过程及机理研究提供了重要的借鉴。陈晨认为，目前采用低温泥浆与双壁钻杆闭路反循环“实时”中心取样采气、水力输送天然气水合物矿浆方法合，是比较有研究前景的水合物探采方法。于是，在此基础上，陈晨带领团队再次创新攻关，他们首次提出了采用高压低温水射流切割的方式来破碎海底天然气水合物储层的新思路，继而再配合反循环“实时”中心取样法、水力输送天然气水合物矿浆法，最终成功形成了适用于海底天然气水合物钻采的新方法。但陈晨也特别强调，由于在钻采过程中，孔底流场复杂多样，因此这种方法只限于在高压低温水射流作用下水合物储层破岩过程、破岩过程中产生的水合物颗粒

文章来源：《吉林大学社会科学学报》 网址: http://www.jldxshkxxb.cn/qikandaodu/2020/0901/332.html