“艰难困苦、玉汝于成。对我而言，有难度，有挑战，这样的课题才有研究价值。”9月20日，提及20年来和天然气水合物“较劲”的研究历程，中国地质大学（武汉）工程学院教授宁伏龙非常豁达。

评估模型用于可燃冰试采

天然气水合物是天然气和水在高压低温条件下形成的一种晶体化合物，以甲烷为主的天然气分子被包在水分子组成的“笼子”里，外观像冰，遇火即燃，俗称“可燃冰”。

在科学家和油气工程师眼中，它美丽又危险。

燃烧时，可燃冰有着迷人的蓝色火焰，是一种清洁低碳的能源。自然界中天然气水合物资源量相当于全球已探明常规化石燃料总碳量的2倍左右，绝大部分分布在海洋环境中，开发潜力和前景被普遍看好。

然而，危险也不少。海洋可燃冰通常埋藏在距海底500米以内未固结成岩的地层中，这些地层固结弱、强度低、渗流难，加之开采过程中水合物分解影响，导致勘探开发中面临钻井井壁失稳、出砂、产量低、储层沉降诱发海底滑坡等多种风险。开发过程中如果控制不当，分解产生的甲烷等气体就会从海洋中逸出，进入大气循环，还可能诱发温室效应。

“为了达到可燃冰安全高效可控开发的目标，科学家和工程师们就需要建立理论模型，对地下可燃冰储层性质进行‘精细画像’。”宁伏龙说，10年前，可燃冰储层力学性质的精细画像需要进行地球物理、钻探取样、样品转运、实验室评估等一系列环节，整个过程耗时20天以上。目前，他们开发的基于地球物理方法的力学快速评价技术，最快仅需一天就能完成评估。

此外，对开采诱发的可燃冰储层响应行为进行有效预测和评价有助于优化开采工艺，提高开采效率，降低开采成本，也能有效阻止意外风险事故的发生。

“2013年，日本首次在海洋地层中进行可燃冰试采，就出现了非常严重的出砂问题，直接掩埋了井眼和电泵，导致不得不提前终止试采，损失严重。”宁伏龙举例，出砂好比管涌，如果短时间内大量产出，作业人员根本来不及补救。

基于他国的前车之鉴，宁伏龙团队在研究可燃冰力学及其沉积物力学性质的基础上，建立了多场耦合的开采过程中储层动态响应行为分析预测模型及其相关程序，实现了对产能、出砂和储层稳定的综合评价，并应用于南海水合物两次试采工程中。

16年模拟研究乐在其中

2000年前后，国内可燃冰研究刚刚起步，宁伏龙在导师蒋国盛教授、汤凤林教授的指引下，迈入水合物研究的殿堂。

2005年，博士毕业那年，宁伏龙在实验室第一次合成了可燃冰样品，并当即点燃，当时国内能制作出可燃冰的实验室不过两三家，这次成功让年轻的宁伏龙博士信心倍增。

但直到2016年，宁伏龙才真正拿到自然条件下的可燃冰样品。这些样品的获得让团队成员们异常兴奋，像宝贝一样爱惜它们，展开了详细的分析测试，获取的信息有力支撑了试采工程的实施。

此前，宁伏龙的科研都通过实验室模拟和数值模拟进行。终日与实验和模拟数据为伴，是否孤独？

“我们不孤独，也不是孤例。”宁伏龙回答说，矿产资源都埋藏在地下，甚至还远在太空，样品获取都非常困难，很多时候，科研人员都是采用模拟实验，进行预测性研究，为实际探采做设计，做准备，等待被实践证实或证伪。

事实上，模拟研究也带来科学认识的进步。

由于可燃冰稳定通常需要低温高压的环境，环境变化后，可燃冰就会像冰融化一样分解掉。为了研究固体状态下的可燃冰，实验设备必须在低温高压的环境中运行。宁伏龙也对实验设备不断进行革新和研发，团队先后与10多家国内外机构合作，研制了具有自主知识产权的多尺度可燃冰模拟实验系统，取得了美国、荷兰、俄罗斯和中国等20余项国内外发明专利。

很多基础性研究无法带来“看得见”的好处。科学家们甚至在有生之年，也无法见到他们所研究的成果造福人类或者带来社会影响，但这并不影响研究热情。宁伏龙说：“这就是科学研究的快乐——乐于设想，乐于创造，乐于发现，乐在其中。”

湖北日报全媒记者 张歆 通讯员 王俊芳 湖北日报 2022-09-23

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