李子豐——油氣井桿管柱力學研究者

劉榮

石油對于國民經濟的重要，已經不需再費筆墨渲染。我國有眾多科學家活躍在保障石油供給的戰線上，或致力于勘探技術的開發，或專注于鉆采技術的創新。燕山大學石油工程研究所教授李子豐，就是一位將青春和年華都奉獻給石油事業的代表之一。

這位出生于1962年的河北人，從本科到博士后出站，始終不曾脫離“石油”的標簽，長期致力于石油工程的教學與研究工作，將“促進人類進步事業，增強祖國經濟實力，培養高級技術人才，服務石油工業建設”奉為人生準則。

李子豐對我國石油事業的貢獻，除了培養大批專業人才外，不得不提的是他在“八五”、“九五”、863等國家重點科技攻關項目支持下所建立的油氣井桿管柱力學理論體系—主要包括鉆柱力學、井眼軌道控制、套管設計、有桿泵抽油系統等內容。

他認為，油氣井桿管柱就像人的脊柱，聯通井下與地面，能有效監測井下情況，便于井下與地面信息傳遞，在石油鉆采中的重要作用不可忽視。而且油氣井桿管柱長期在充滿流體的狹長井筒內工作，受各種力影響，變形和運動狀態十分復雜。對井桿管柱進行系統、準確的力學分析，能快速、準確、經濟地控制和優化井眼軌道，準確校核各種桿管柱強度及診斷、處理各類井下問題，優選鉆采設備和工作參數。

在這套理論中，李子豐對油氣井桿管柱的運動狀態、油氣井桿管柱力學基本方程及其在油氣井桿管柱的穩態拉力和扭矩、下部鉆具三圍力學分析、鉆柱振動、油氣井桿管柱的穩定性、有桿泵抽油系統參數診斷和優選等領域進行了系統研究與分析，取得了多項重要創新發現，具有重要的理論指導意義和實用價值。

其中，李子豐通過對油氣井桿管柱進行力學和運動分析，建立了油氣井桿管柱動力學基本方程（下稱基本方程），在統一原有油氣井桿管柱力學分析領域各種微分方程的同時，也完善了油氣井桿管柱力學理論，為建立各種油氣井桿管柱力學分析數學模型奠定了理論基礎，在石油鉆采工程界得到了廣泛應用。

據李子豐介紹，石油工程的鉆柱、套管柱、油管柱和抽油桿柱在井筒中工作時，某些井段常處于壓扭狀態，易發生正弦或螺旋屈曲。一旦出現屈曲，桿管柱內的應力將急劇上升，與井壁的摩擦阻力增強，從而發生自鎖現象，嚴重時會使桿管柱遭到強烈破壞。

于是，他從基本方程出發，推導出了斜直井中受壓扭細長桿管柱幾何非線性屈曲微分方程，建立了水平井段桿管柱穩定性力學分析數學模型，并對無重受壓扭圓桿管柱的螺旋屈曲進行了分析。值得一提的是，研究過程中，李子豐還指出了“虛構力”理論的錯誤之處，并對其進行了修正。

此外，李子豐表示，在油井作業中，由井桿管柱和井壁接觸產生的軸向阻力和扭矩損失對鉆采作業有很大影響，甚至關系到成敗。他以基本方程為基礎，綜合考慮鉆柱的運動狀態、鉆井液的結構力、粘滯力等因素，建立了油氣井桿管柱穩態拉力—扭矩模型，在定向水平井鉆柱和套管柱設計中成功應用。而其在研究中開發的計算機軟件，在確定鉆柱與井壁摩擦系數、預測和計算鉆柱受力狀態、優選井眼剖面、校核鉆柱和井下巖屑床監測等方面，也具有較高的實用價值。

在研究油氣井桿管柱力學理論體系過程中，李子豐還建立了多個數學模型，包括：

試油管柱力學分析數學模型—用差分法求解，給出管柱的拉力、扭矩、應力、安全系數、穩定性等參數，有效避免測試過程中，管柱屈服破壞、斷脫破壞等情況的發生，已在西北油田、大慶油田中成功應用;

壓裂管柱力學分析數學模型—根據不同壓裂方法及下入、坐封、注入、解封等過程建立不同數學模型，并給出強度校核方法，成功在西北油田、大慶油田實踐;

定向井有桿泵抽油系統動態參數監測與仿真數學模型—為防止各種機械事故、優選抽油設備和抽油參數及其他各種工藝措施提供了分析方法，為抽油工程提供了安全、可靠的診斷和預測技術;

鉆柱縱向振動、扭轉振動、縱向與扭轉耦合振動數學模型—指出原有防縱向振動數學模型的邊界條件錯誤，是導致鉆鋌破壞的主要原因，該模型在大慶油田應用后，有效改善了鉆鋌頻繁斷裂問題，同時還被應用于空氣鉆井鉆鋌防斷裂設計中，申請了減振—避震專利;

導向鉆具三維小撓度靜力學分析數學模型—能定量描述下部鉆具組合的受力和變形，算出鉆頭與地層的作用力和鉆頭轉角，選擇底部鉆具組合和鉆進參數，使鉆頭按設計方向鉆進，用加權余量法和最優化方法對三維小撓度靜力分析數學模型求解，在定向井、水平井的井眼軌道預測、控制和工具研制中，取得了良好的應用效果;

熱采井套管柱力學分析數學模型—利用熱彈性力學理論，對套管和隔熱油管進行力學分析，并提出預膨脹固井技術，能有效避免油井管柱內，因高溫產生的熱應力導致套管屈服變形或斷裂等問題;

割縫膨脹篩管力學分析數學模型—對膨脹篩管膨脹過程、收縮過程力學進行分析，有效避免因使用不當造成的膨脹不成功、癟屈變形和無法起出等問題，經過室內和現場試驗對比，結果表明脹管拉力和拔管拉力的實際測值與計算值基本符合，能夠滿足工程需要。

除了以上數學模型，李子豐還創新性地提出了預彎曲連續油管技術，并獲得實用新型專利。借助該技術將連續油管制成彎曲狀，不僅能降低連續油管在卷盤內和通過導軌時的彎曲應力，還能成倍提高連續油管使用壽命。

對于原有理論的錯誤，李子豐也一一大膽指出。研究中，他發現目前采用的蠕變地層與套管相互作用的力學模型，無法正確計算套管的外部擠壓載荷。于是，根據實際建井要求和力學原理，他對錯誤理論進行了修正，建立了新的力學模型。

關于油氣井桿管柱力學體系的研究，不但在理論上取得了創新成果，也為石油事業創造了巨大的經濟利益。據此理論編制的計算機軟件，目前在中石油、中石化、中海油、美國Smith等公司的項目中得以運用，范圍涵蓋鉆井、完井、采油、測井等領域，得到了國內外石油工程界和力學界的一致好評。

李子豐將研究所得集結成書，出版了《油氣井桿管柱力學及應用》、《油氣井桿管柱力學》等專著，獲得1999年黑龍江省優秀著作一等獎等獎勵，得到多位高校石油專業教授的稱贊。他們認為，這些專著解決了油氣井桿管柱力學中的許多基礎科學問題，促進了相關學科的發展，為油氣鉆井和開采提供了高效、安全的理論指導，具有很高的學術水平和應用價值。

多年來，李子豐在多種國內外權威學術刊物上發表了120余篇學術論文，50余篇被SCI和EI收錄。由于在油氣井桿關注力學理論研究領域的突出貢獻，他獲得1997年中國科學技術發展基金會孫越崎科技教育基金教育獎，以及1998年黑龍江省青年科技獎等榮譽。

盡管已過知天命之年，但對李子豐而言，生命不息，對石油工程的研究不止，他將繼續帶著使命與責任，在中國石油工程研究和教育事業的道路上跋涉，獻計獻策！