“艱難困苦、玉汝于成。對我而言，有難度，有挑戰，這樣的課題才有研究價值。”9月20日，提及20年來和天然氣水合物“較勁”的研究歷程，中國地質大學（武漢）工程學院教授寧伏龍非常豁達。
評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，外觀像冰，遇火即燃，俗稱“可燃冰”。
在科學家和油氣工程師眼中，它美麗又危險。
燃燒時，可燃冰有著迷人的藍色火焰，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于全球已探明常規化石燃料總碳量的2倍左右，絕大部分分布在海洋環境中，開發潛力和前景被普遍看好。
然而，危險也不少。海洋可燃冰通常埋藏在距海底500米以內未固結成巖的地層中，這些地層固結弱、強度低、滲流難，加之開采過程中水合物分解影響，導致勘探開發中面臨鉆井井壁失穩、出砂、產量低、儲層沉降誘發海底滑坡等多種風險。開發過程中如果控制不當，分解產生的甲烷等氣體就會從海洋中逸出，進入大氣循環，還可能誘發溫室效應。
“為了達到可燃冰安全高效可控開發的目標，科學家和工程師們就需要建立理論模型，對地下可燃冰儲層性質進行‘精細畫像’。”寧伏龍說，10年前，可燃冰儲層力學性質的精細畫像需要進行地球物理、鉆探取樣、樣品轉運、實驗室評估等一系列環節，整個過程耗時20天以上。目前，他們開發的基于地球物理方法的力學快速評價技術，最快僅需一天就能完成評估。
此外，對開采誘發的可燃冰儲層響應行為進行有效預測和評價有助于優化開采工藝，提高開采效率，降低開采成本，也能有效阻止意外風險事故的發生。
“2013年，日本首次在海洋地層中進行可燃冰試采，就出現了非常嚴重的出砂問題，直接掩埋了井眼和電泵，導致不得不提前終止試采，損失嚴重。”寧伏龍舉例，出砂好比管涌，如果短時間內大量產出，作業人員根本來不及補救。
基于他國的前車之鑒，寧伏龍團隊在研究可燃冰力學及其沉積物力學性質的基礎上，建立了多場耦合的開采過程中儲層動態響應行為分析預測模型及其相關程序，實現了對產能、出砂和儲層穩定的綜合評價，并應用于南海水合物兩次試采工程中。
16年模擬研究樂在其中
2000年前后，國內可燃冰研究剛剛起步，寧伏龍在導師蔣國盛教授、湯鳳林教授的指引下，邁入水合物研究的殿堂。
2005年，博士畢業那年，寧伏龍在實驗室第一次合成了可燃冰樣品，并當即點燃，當時國內能制作出可燃冰的實驗室不過兩三家，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隊成員們異常興奮，像寶貝一樣愛惜它們，展開了詳細的分析測試，獲取的信息有力支撐了試采工程的實施。
此前，寧伏龍的科研都通過實驗室模擬和數值模擬進行。終日與實驗和模擬數據為伴，是否孤獨？
“我們不孤獨，也不是孤例。”寧伏龍回答說，礦產資源都埋藏在地下，甚至還遠在太空，樣品獲取都非常困難，很多時候，科研人員都是采用模擬實驗，進行預測性研究，為實際探采做設計，做準備，等待被實踐證實或證偽。
事實上，模擬研究也帶來科學認識的進步。
由于可燃冰穩定通常需要低溫高壓的環境，環境變化后，可燃冰就會像冰融化一樣分解掉。為了研究固體狀態下的可燃冰，實驗設備必須在低溫高壓的環境中運行。寧伏龍也對實驗設備不斷進行革新和研發，團隊先后與10多家國內外機構合作，研制了具有自主知識產權的多尺度可燃冰模擬實驗系統，取得了美國、荷蘭、俄羅斯和中國等20余項國內外發明專利。
很多基礎性研究無法帶來“看得見”的好處。科學家們甚至在有生之年，也無法見到他們所研究的成果造福人類或者帶來社會影響，但這并不影響研究熱情。寧伏龍說：“這就是科學研究的快樂——樂于設想，樂于創造，樂于發現，樂在其中。”
湖北日報全媒記者 張歆 通訊員 王俊芳 湖北日報 2022-09-23
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