——记吉林大学建设工程学院副院长陈晨
　　　
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（钻屑）稳定性及其对流场的影响这一范围内使用。而且，由于水合物颗粒所处的温压条件会发生变化，因此在这种情形下水合物分解情况不能用已有的分解模型来进行描述，而利用陈晨团队提出的新的水合物颗粒动态分解模型便能很好地解决这类问题。
　　当前，海底天然气水合物储层钻孔采用的多是机械式回转切削方式，利用这种方式，高速回转的钻头与水合物储层经过摩擦生热后，将会导致天然气水合物受热分解，由此可能会造成孔内事故。而利用陈晨团队提出的高压低温水射流对水合物储层的破岩方式，会在孔底对水合物储层形成高压、低温的环境，从而就可以减少水合物的分解，保障施工过程中的安全性。
　　整日繁忙的教学与科研工作已经很久都没有让陈晨享受过一个清闲的周末了。年轻时的他爱好广泛，喜欢古诗词，乐于感受诗词之美、诗词之趣；感受古人的伟烈丰功，与费尽移山之力的那份家国情怀；他还喜欢看球，是德国队忠实的拥趸；同时他还是桥牌的“资深玩家”，曾组队参加省全运会。而他现在唯一保留下来的爱好就是静下来时，戴上耳机，静静地欣赏带有浓郁俄罗斯风情的音乐，回想异国求学时那激情燃烧的岁月。这是他补充“能量”、补充“能源”，缓解科研工作压力的“法宝”。如今为了科研，这种放松与惬意已经成了难得的奢侈，然而他却并不觉得辛苦疲惫，反倒感到格外充实。
　　对他来说，想要把一件事做好，就要日积月累地扎根于这一领域，如果不全力以赴，取得的成果也会大打折扣。未来，陈晨也仍会将科研之根深深扎在能源开发领域，积极探索钻采技术的奥秘。