4月28日,重慶大學煤礦災害動力學與控制國家重點實驗室，教授周軍平正對目前全球最大的深部巖土工程多功能物理模擬試驗系統(tǒng)進行實驗啟動前的檢查準備工作，它可服務于國家深地能源開發(fā)的重大需求，探索前沿科學問題。特約攝影 鐘志兵/視覺重慶
4月28日，重慶大學煤礦災害動力學與控制國家重點實驗室，技術人員龍海洋(右)正與學生一起進行高壓水刀實驗，采集不同壓力下的科學數(shù)據(jù)。特約攝影 鐘志兵/視覺重慶
4月28日，重慶大學煤礦災害動力學與控制國家重點實驗室，技術人員龍海洋展示用高壓“水刀”制作完成的精美的金屬蝴蝶。特約攝影 鐘志兵/視覺重慶
人們常說似水柔情，賦予水以溫柔的形象，但在重慶大學煤礦災害動力學與控制國家重點實驗室里，水卻變成異常鋒利的“刀”，能切開巖石、鋼板、航空材料，削鐵如泥。
在這里，有一群搞“地下工作”的科研人員，常年與災害打交道，有時候甚至會“掘地三尺”一探究竟，只為把災害扼殺在搖籃里，為我國煤炭和非常規(guī)天然氣安全、高效、綠色開采提供理論與技術支撐。
這究竟是怎樣一個實驗室？4月28日，記者走進重慶大學煤礦災害動力學與控制國家重點實驗室進行了探訪。
高壓水射流精加工
一只精美的蝴蝶，竟然是用水切割出來的
位于重慶大學A區(qū)的煤礦災害動力學與控制國家重點實驗室，在一棟上世紀七八十年代風格的老建筑內，從一樓大廳往左，記者第一個走進的是高壓水射流精加工實驗室。
這個實驗室的“主角”，是一臺高壓水射流切割機。在它旁邊的工作臺上，還擺放著各種造型的金屬件，一只精美的蝴蝶格外吸引眼球。
不可思議的是，這樣一只蝴蝶，竟然是用水切割出來的。
“高壓水射流切割又稱作‘水刀’，是以水為介質，通過高壓發(fā)生設備增壓獲得巨大能量，經過一定形狀的噴嘴噴出的高速水流?！睂嶒炇夜こ處燒埡Ｑ笳f，人們常說水滴石穿，水滴力量很小，實現(xiàn)石穿是靠長時間的積累。但如何在有限的時間實現(xiàn)石穿？這就需要增大水的能量。高壓水射流技術正是運用這樣的原理，來實現(xiàn)以柔克剛、削鐵如泥。
他介紹，根據(jù)壓力不同，“水刀”可分為高壓型和低壓型，記者見到的這臺高壓水射流切割機，壓力能達到200MPa（兆帕）以上。
這樣的壓力到底有多大？“1MPa（兆帕）的壓力相當于10公斤的力量作用在指甲蓋大小的物體上?！彼忉尩?。
如何通過增壓給水增加能量？他表示，這好比平時打針用的注射器，經過反復推拉，讓藥物在注入人體時的力量增大。水刀則是利用柱塞泵來達到類似的效果。
讓“水刀”足夠鋒利，短時間內達到“水滴石穿”，乃至穿透鋼板，除了增大壓力，“刀頭”還至關重要。
通過龍海洋拆開“刀頭”展示，記者看到，“刀頭”的正中，有個極小的孔，即是所謂的“噴嘴”。
“這個寶石噴嘴的直徑只有0.35毫米，孔徑小但作用大。”他說，好的“刀頭”會形成一束收斂的高壓水，作用力更大；反之，不好的“刀頭”會讓高壓水發(fā)散開來，導致“水刀”的鋒利度被削減。
在他的操作下，“水刀”運行起來。一束收斂的高壓水從噴嘴急速噴射而出，從上往下垂直擊打在水面上，立馬激起巨大的水花。
龍海洋介紹，目前，高壓水射流技術正越來越廣泛地應用于煤炭、石油、新材料等領域。比如在煤炭領域，利用“水刀”人為造縫等，極大提高了煤層氣開采效率，減輕了煤礦瓦斯災害發(fā)生的風險。
深部巖土工程多功能物理模擬試驗系統(tǒng)
把真實試驗場的地層環(huán)境“搬”到實驗室
一樓另一間實驗室里，擁有這個國家重點實驗室“身價”最高的科研儀器設備——深部巖土工程多功能物理模擬試驗系統(tǒng)。記者剛走進實驗室，這個“龐然大物”就立馬出現(xiàn)在眼前。
“這是我們自主研制的設備，價值約2000萬元，也是目前世界上最大的深部巖土工程多功能物理模擬試驗系統(tǒng)?！敝貞c大學周軍平教授說。
該系統(tǒng)最核心的部分，是一個巨大的圓筒狀裝置，大約兩三人高。特別之處還在于，它其實是外圓內方的結構，內部是1.2米×1.2米×2.06米的方形空間。
“之所以這樣設計，是它能更真實地反映地層環(huán)境，就相當于把真實試驗場的地層環(huán)境‘搬’到實驗室再現(xiàn)還原出來。在試驗場不易觀測采集的參數(shù)，在實驗室就更容易辦到?！敝苘娖浇榻B。
然而，這樣設計也讓設備的研制難度增大很多，其中氣體的密封性就是最大的難點，設備必須保證嚴絲合縫，任何地方都不能漏氣。從2011年立項到2016年完成驗收，經過方案設計、建造組裝到反復調試，該系統(tǒng)的研制足足花了5年時間。
我國資源開采正在向地球深部進軍，但越往深部，地層環(huán)境就會越復雜。有了這套試驗系統(tǒng)，就可以更好地在實驗室還原深部地層資源開采環(huán)境，從而更有效的開展研究。
自主研制世界首臺超臨界CO2致裂驅替CH4實驗裝置
用二氧化碳代替水進行頁巖氣開采
在一樓一間不起眼的實驗室，記者見到了實驗室自主研制的世界首臺超臨界CO2（二氧化碳）致裂驅替CH4（甲烷）實驗裝置。
“這個裝置不僅節(jié)約水資源，在提高頁巖氣采收率的同時，還能實現(xiàn)二氧化碳的地下封存?！睂嶒炇抑魅伪R義玉介紹，我國頁巖氣產區(qū)大多處于重點缺水地區(qū)，而開采主要采取水力壓裂技術，耗水量巨大。另外，我國頁巖氣儲層黏土含量高，黏土遇水產生水化膨脹，易傷害儲層，導致儲層改造效果差，頁巖氣采收率低。
針對這一問題，他帶領團隊聯(lián)合國內相關單位在國際上提出“超臨界二氧化碳強化非常規(guī)天然氣高效開發(fā)與地質封存一體化”的學術構想，研發(fā)出超臨界CO2致裂驅替CH4的實驗裝置。
“簡單地說，就是將燃煤電廠等工業(yè)源中排放的二氧化碳捕捉起來，變換一種形態(tài)成為超臨界二氧化碳，然后取代水對頁巖氣儲層進行壓裂改造，從而實現(xiàn)頁巖氣開采?！彼忉?。
相比頁巖氣而言，頁巖對二氧化碳吸附能力更強，即頁巖對二氧化碳的“親和力”更好，用超臨界二氧化碳取代水后，頁巖就能牢牢吸附更多二氧化碳，并讓二氧化碳“擠占”頁巖氣的儲存空間，“置換”出頁巖氣。這樣既提高了頁巖氣的采收率，又把二氧化碳封存在了地下。
2017年，相關技術成果在延長石油延安國家級陸相頁巖氣示范區(qū)進行了首次超臨界二氧化碳壓裂現(xiàn)場試驗，頁巖氣增產效果顯著，單井日均產量提高了2.5倍，同時實現(xiàn)了二氧化碳的有效封存。
“我們研究發(fā)現(xiàn)，在特定的條件下，頁巖層封存的二氧化碳的量，可以抵消甚至高于頁巖氣開采和利用全過程產生二氧化碳的量，相當于是負排放?！北R義玉表示，未來，其對于我國實現(xiàn)碳中和將起到積極推動作用。
（稿件原載于2021年05月12日《重慶日報》）
