“艱難困苦、玉汝于成。對(duì)我而言，有難度，有挑戰(zhàn)，這樣的課題才有研究?jī)r(jià)值?！?月20日，提及20年來(lái)和天然氣水合物“較勁”的研究歷程，中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院教授寧伏龍非?；磉_(dá)。
評(píng)估模型用于可燃冰試采
天然氣水合物是天然氣和水在高壓低溫條件下形成的一種晶體化合物，以甲烷為主的天然氣分子被包在水分子組成的“籠子”里，外觀(guān)像冰，遇火即燃，俗稱(chēng)“可燃冰”。
在科學(xué)家和油氣工程師眼中，它美麗又危險(xiǎn)。
燃燒時(shí)，可燃冰有著迷人的藍(lán)色火焰，是一種清潔低碳的能源。自然界中天然氣水合物資源量相當(dāng)于全球已探明常規(guī)化石燃料總碳量的2倍左右，絕大部分分布在海洋環(huán)境中，開(kāi)發(fā)潛力和前景被普遍看好。
然而，危險(xiǎn)也不少。海洋可燃冰通常埋藏在距海底500米以?xún)?nèi)未固結(jié)成巖的地層中，這些地層固結(jié)弱、強(qiáng)度低、滲流難，加之開(kāi)采過(guò)程中水合物分解影響，導(dǎo)致勘探開(kāi)發(fā)中面臨鉆井井壁失穩(wěn)、出砂、產(chǎn)量低、儲(chǔ)層沉降誘發(fā)海底滑坡等多種風(fēng)險(xiǎn)。開(kāi)發(fā)過(guò)程中如果控制不當(dāng)，分解產(chǎn)生的甲烷等氣體就會(huì)從海洋中逸出，進(jìn)入大氣循環(huán)，還可能誘發(fā)溫室效應(yīng)。
“為了達(dá)到可燃冰安全高效可控開(kāi)發(fā)的目標(biāo)，科學(xué)家和工程師們就需要建立理論模型，對(duì)地下可燃冰儲(chǔ)層性質(zhì)進(jìn)行‘精細(xì)畫(huà)像’?！睂幏堈f(shuō)，10年前，可燃冰儲(chǔ)層力學(xué)性質(zhì)的精細(xì)畫(huà)像需要進(jìn)行地球物理、鉆探取樣、樣品轉(zhuǎn)運(yùn)、實(shí)驗(yàn)室評(píng)估等一系列環(huán)節(jié)，整個(gè)過(guò)程耗時(shí)20天以上。目前，他們開(kāi)發(fā)的基于地球物理方法的力學(xué)快速評(píng)價(jià)技術(shù)，最快僅需一天就能完成評(píng)估。
此外，對(duì)開(kāi)采誘發(fā)的可燃冰儲(chǔ)層響應(yīng)行為進(jìn)行有效預(yù)測(cè)和評(píng)價(jià)有助于優(yōu)化開(kāi)采工藝，提高開(kāi)采效率，降低開(kāi)采成本，也能有效阻止意外風(fēng)險(xiǎn)事故的發(fā)生。
“2013年，日本首次在海洋地層中進(jìn)行可燃冰試采，就出現(xiàn)了非常嚴(yán)重的出砂問(wèn)題，直接掩埋了井眼和電泵，導(dǎo)致不得不提前終止試采，損失嚴(yán)重?！睂幏埮e例，出砂好比管涌，如果短時(shí)間內(nèi)大量產(chǎn)出，作業(yè)人員根本來(lái)不及補(bǔ)救。
基于他國(guó)的前車(chē)之鑒，寧伏龍團(tuán)隊(duì)在研究可燃冰力學(xué)及其沉積物力學(xué)性質(zhì)的基礎(chǔ)上，建立了多場(chǎng)耦合的開(kāi)采過(guò)程中儲(chǔ)層動(dòng)態(tài)響應(yīng)行為分析預(yù)測(cè)模型及其相關(guān)程序，實(shí)現(xiàn)了對(duì)產(chǎn)能、出砂和儲(chǔ)層穩(wěn)定的綜合評(píng)價(jià)，并應(yīng)用于南海水合物兩次試采工程中。
16年模擬研究樂(lè)在其中
2000年前后，國(guó)內(nèi)可燃冰研究剛剛起步，寧伏龍?jiān)趯?dǎo)師蔣國(guó)盛教授、湯鳳林教授的指引下，邁入水合物研究的殿堂。
2005年，博士畢業(yè)那年，寧伏龍?jiān)趯?shí)驗(yàn)室第一次合成了可燃冰樣品，并當(dāng)即點(diǎn)燃，當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)能制作出可燃冰的實(shí)驗(yàn)室不過(guò)兩三家，這次成功讓年輕的寧伏龍博士信心倍增。
但直到2016年，寧伏龍才真正拿到自然條件下的可燃冰樣品。這些樣品的獲得讓團(tuán)隊(duì)成員們異常興奮，像寶貝一樣愛(ài)惜它們，展開(kāi)了詳細(xì)的分析測(cè)試，獲取的信息有力支撐了試采工程的實(shí)施。
此前，寧伏龍的科研都通過(guò)實(shí)驗(yàn)室模擬和數(shù)值模擬進(jìn)行。終日與實(shí)驗(yàn)和模擬數(shù)據(jù)為伴，是否孤獨(dú)？
“我們不孤獨(dú)，也不是孤例?！睂幏埢卮鹫f(shuō)，礦產(chǎn)資源都埋藏在地下，甚至還遠(yuǎn)在太空，樣品獲取都非常困難，很多時(shí)候，科研人員都是采用模擬實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行預(yù)測(cè)性研究，為實(shí)際探采做設(shè)計(jì)，做準(zhǔn)備，等待被實(shí)踐證實(shí)或證偽。
事實(shí)上，模擬研究也帶來(lái)科學(xué)認(rèn)識(shí)的進(jìn)步。
由于可燃冰穩(wěn)定通常需要低溫高壓的環(huán)境，環(huán)境變化后，可燃冰就會(huì)像冰融化一樣分解掉。為了研究固體狀態(tài)下的可燃冰，實(shí)驗(yàn)設(shè)備必須在低溫高壓的環(huán)境中運(yùn)行。寧伏龍也對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備不斷進(jìn)行革新和研發(fā)，團(tuán)隊(duì)先后與10多家國(guó)內(nèi)外機(jī)構(gòu)合作，研制了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的多尺度可燃冰模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，取得了美國(guó)、荷蘭、俄羅斯和中國(guó)等20余項(xiàng)國(guó)內(nèi)外發(fā)明專(zhuān)利。
很多基礎(chǔ)性研究無(wú)法帶來(lái)“看得見(jiàn)”的好處?？茖W(xué)家們甚至在有生之年，也無(wú)法見(jiàn)到他們所研究的成果造福人類(lèi)或者帶來(lái)社會(huì)影響，但這并不影響研究熱情。寧伏龍說(shuō)：“這就是科學(xué)研究的快樂(lè)——樂(lè)于設(shè)想，樂(lè)于創(chuàng)造，樂(lè)于發(fā)現(xiàn)，樂(lè)在其中。”
湖北日?qǐng)?bào)全媒記者 張歆 通訊員 王俊芳 湖北日?qǐng)?bào) 2022-09-23
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