為祖國(guó)加油 為民族爭(zhēng)氣

高妍　楊進(jìn)平

石油被譽(yù)為“黑色的金子”、“工業(yè)的血液”，它的寶貴已成為世界共識(shí)，無(wú)需贅言。如何更經(jīng)濟(jì)、清潔、安全高效地開(kāi)發(fā)和利用油氣資源，對(duì)實(shí)現(xiàn)我國(guó)能源可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略至關(guān)重要。

建國(guó)初期，我國(guó)石油工業(yè)基礎(chǔ)薄弱，石油勘探開(kāi)發(fā)技術(shù)及裝備幾乎全部依賴進(jìn)口。隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，特別是改革開(kāi)放以來(lái)，國(guó)內(nèi)油氣供需矛盾日益突出，油氣對(duì)外依存度逐年攀升。

為了緩解國(guó)內(nèi)油氣供需壓力，上世紀(jì)初我國(guó)油氣勘探開(kāi)發(fā)已開(kāi)始從內(nèi)陸向偏遠(yuǎn)的沙漠、海洋轉(zhuǎn)移，由淺層向復(fù)雜的深層、超深層推進(jìn)，勘探領(lǐng)域的擴(kuò)大對(duì)油氣開(kāi)發(fā)技術(shù)及裝備提出了更高的要求。

然而，國(guó)外先進(jìn)技術(shù)及裝備長(zhǎng)期對(duì)我國(guó)實(shí)行封鎖，核心技術(shù)及裝備僅提供服務(wù)，并不出售產(chǎn)品，且服務(wù)價(jià)格十分昂貴，嚴(yán)重制約了我國(guó)油氣工業(yè)的發(fā)展。

為了促進(jìn)復(fù)雜油氣領(lǐng)域的勘探開(kāi)發(fā)，保障國(guó)家油氣供應(yīng)，保證國(guó)家能源安全，在西南石油大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、石油天然氣裝備教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、石油管力學(xué)和環(huán)境行為重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、巖石破碎學(xué)與鉆頭研究實(shí)驗(yàn)室等的大力支持下，劉清友教授在1999年成立了油氣裝備現(xiàn)代設(shè)計(jì)與仿真實(shí)驗(yàn)室，旨在解決我國(guó)油氣開(kāi)發(fā)過(guò)程中的復(fù)雜桿、管、柱力學(xué)行為問(wèn)題和核心裝備研發(fā)技術(shù)，打破國(guó)外封鎖，實(shí)現(xiàn)我國(guó)油氣裝備的國(guó)產(chǎn)化。

十幾年來(lái)，實(shí)驗(yàn)室立足國(guó)家戰(zhàn)略需求，圍繞我國(guó)石油天然氣裝備領(lǐng)域科學(xué)發(fā)展和技術(shù)進(jìn)步中的基礎(chǔ)理論問(wèn)題和應(yīng)用技術(shù)問(wèn)題，開(kāi)展了一系列創(chuàng)新性研究工作，取得了多項(xiàng)令人矚目的研究成果并實(shí)現(xiàn)應(yīng)用，經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益顯著。

鑄造油氣井的“脊梁”

油氣井桿管柱好比人的“脊梁”，是連接地面和幾千米井底的關(guān)鍵設(shè)備，易因縱、橫、扭耦合振動(dòng)而發(fā)生磨損、斷裂等事故。隨著油氣資源勘探的發(fā)展，深井、超深井、水平井、大位移井等復(fù)雜結(jié)構(gòu)井的管柱力學(xué)行為研究已成為研究焦點(diǎn)。

從上世紀(jì)80年代開(kāi)始，劉清友教授就帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)從事深井和復(fù)雜結(jié)構(gòu)井桿管柱力學(xué)行為和安全可靠性基礎(chǔ)理論研究工作。

在國(guó)家科技重大專項(xiàng)“低滲氣藏完井整體優(yōu)化技術(shù)”“深水油氣井測(cè)試關(guān)鍵技術(shù)研究”，國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“基于氣體鉆井的鉆井系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)特性研究”、“基于鉆井系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的井眼軌跡預(yù)測(cè)理論及控制方法研究”等項(xiàng)目的資助下，他們從系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)角度建立了深井管柱力學(xué)行為研究理論模型，取消了國(guó)內(nèi)外多年來(lái)一直采用周期函數(shù)作為鉆柱下端邊界條件的假設(shè)，率先提出并建立了基于鉆井系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的井眼軌跡預(yù)測(cè)與控制理論。

同時(shí)，他們建立了包括深井注水、酸壓、深水測(cè)試等在內(nèi)的多套桿—管—柱動(dòng)力學(xué)模型及設(shè)計(jì)方法，完善和發(fā)展了油氣井桿管柱力學(xué)理論體系和研究方法，提高了我國(guó)深井和深海復(fù)雜結(jié)構(gòu)井鉆井的整體理論水平。

在對(duì)陸上復(fù)雜結(jié)構(gòu)井桿管柱力學(xué)行為研究的基礎(chǔ)上，2010年他們開(kāi)始針對(duì)海洋深水鉆井理論，尤其是深水、超深水鉆井隔水管系統(tǒng)力學(xué)行為及安全控制技術(shù)這一世界難題開(kāi)展研究工作。

通過(guò)多年的理論和實(shí)驗(yàn)研究，劉清友帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)取得了豐碩成果：

在世界上首次提出基于海洋環(huán)境與鉆井工況耦合作用下的隔水管理論分析方法與實(shí)驗(yàn)技術(shù)，發(fā)現(xiàn)了深水鉆井隔水管的“三分之一效應(yīng)”與“上下邊界效應(yīng)”，建立了深水、超深水鉆井隔水管系統(tǒng)力學(xué)行為模型。

研制出了世界上第一套深水鉆井隔水管力學(xué)行為分析實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。

根據(jù)深水、超深深水的海洋環(huán)境載荷及實(shí)際鉆井工況，創(chuàng)立了相應(yīng)的安全鉆井技術(shù)體系，編寫(xiě)了《深水鉆井隔水管安全操作指南》，并成功應(yīng)用于“海洋石油981深水半潛式鉆井平臺(tái)”的施工作業(yè)。

系列研究成果先后獲得國(guó)家科技進(jìn)步特等獎(jiǎng)、二等獎(jiǎng)各1項(xiàng)，獲省部級(jí)科技進(jìn)步獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)2項(xiàng)、三等獎(jiǎng)1項(xiàng)。

研制石油裝備“小巨人”

“鉆頭不到，油氣不冒。”鉆頭好比入地的火箭，有石油裝備“小巨人”的稱號(hào)，其性能直接影響整個(gè)油氣勘探開(kāi)發(fā)的進(jìn)程和效益。

1909年，世界上第一只牙輪鉆頭在美國(guó)問(wèn)世。在大半個(gè)世紀(jì)的油氣開(kāi)發(fā)進(jìn)程中，鉆頭設(shè)計(jì)的核心技術(shù)與方法，一直被國(guó)外壟斷。

為了改變被動(dòng)處境，在美國(guó)SMITH公司國(guó)際合作項(xiàng)目、國(guó)家科技重大專項(xiàng)和國(guó)家自然科學(xué)基金等10余項(xiàng)項(xiàng)目的資助下，劉清友教授帶領(lǐng)實(shí)驗(yàn)室圍繞深井巖石力學(xué)及破碎學(xué)和高速石油鉆頭設(shè)計(jì)分析等重要基礎(chǔ)理論問(wèn)題和關(guān)鍵技術(shù)開(kāi)展了系統(tǒng)研究工作。

15年不舍晝夜，15年潛心鉆研，15年持續(xù)攻關(guān)，終于迎來(lái)了從理論到技術(shù)到產(chǎn)品最終到應(yīng)用的全面突破。

他們研制了世界上最先進(jìn)的高壓高溫巖石可鉆性實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)，建立了基于深井快速鉆井的鉆柱—鉆頭—巖石互作用三維耦合振動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型、牙輪鉆頭九自由度動(dòng)力學(xué)模型，揭示了牙輪鉆頭破巖機(jī)理。

他們解決了含隨機(jī)變量、離散變量與連續(xù)變量的非線性復(fù)雜力學(xué)模型的求解難題，開(kāi)發(fā)出了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的鉆頭與井底巖石互作用仿真軟件，并轉(zhuǎn)讓到美國(guó)SMITH TOOLS公司在內(nèi)的國(guó)內(nèi)外知名鉆頭制造商。

他們創(chuàng)建了牙輪鉆頭破碎巖石的基礎(chǔ)理論體系和優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，并最終研制出了盤(pán)式三牙輪鉆頭、高速牙輪鉆頭、金剛石-牙輪復(fù)合鉆頭等具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)、市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力強(qiáng)的多種系列鉆頭。

他們的成功打破了少數(shù)國(guó)家在深井鉆井提速技術(shù)和鉆頭上的多年壟斷地位，而相關(guān)產(chǎn)品的應(yīng)用，更為我國(guó)鉆頭制造企業(yè)和鉆井公司創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益近20億元。

相關(guān)成果與鉆柱系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)成果同獲國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)1項(xiàng)，四川省科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)2項(xiàng)、二等獎(jiǎng)1項(xiàng)。

開(kāi)發(fā)非常規(guī)油氣“利器”

2008年7月29日，“2500型壓裂泵車”進(jìn)行工業(yè)應(yīng)用。

2013年3月19日，世界首臺(tái)“3000HP壓裂泵車”亮相。

它們，特別是“3000HP壓裂泵車”的研制成功，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)大型壓裂裝備的空白，極大地滿足了我國(guó)非常規(guī)油氣資源的規(guī)模化開(kāi)發(fā)需求。這兩項(xiàng)成果的研制過(guò)程中，劉清友教授及其帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)發(fā)揮了重要作用。

據(jù)了解，我國(guó)非常規(guī)油氣資源儲(chǔ)量巨大，但普遍埋深均在3000米以上，油氣儲(chǔ)層具有高壓力、高應(yīng)力、高熱演化度等典型特征。而大型體積壓裂是開(kāi)發(fā)該類油氣資源的關(guān)鍵技術(shù)。

劉清友教授介紹，為了解決大規(guī)模體積壓裂核心技術(shù)及裝備國(guó)產(chǎn)化難題，實(shí)驗(yàn)室與中石化石油工程機(jī)械有限公司第四機(jī)械廠開(kāi)展了聯(lián)合攻關(guān)，并在多年的努力下，突破了大功率壓裂車、超高壓管匯、壓裂泵高強(qiáng)韌材料輕量化技術(shù)、大型集群控制等核心技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了這兩種類型壓裂泵車的成功研制。

目前，相關(guān)產(chǎn)品已出口至俄羅斯、中東、亞洲等多個(gè)國(guó)家和地區(qū)，大大提升了我國(guó)大型油氣裝備的核心競(jìng)爭(zhēng)力和國(guó)際影響力，獲得了2015年國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)。

同時(shí)，他們的探索沒(méi)有放過(guò)在非常規(guī)油氣資源中占有重要地位的頁(yè)巖氣。我國(guó)的頁(yè)巖氣資源雖然豐富，但卻存在一個(gè)普遍問(wèn)題：頁(yè)巖氣富集地區(qū)位處偏遠(yuǎn)山區(qū)且嚴(yán)重缺水，這嚴(yán)重影響了資源開(kāi)發(fā)與利用。

為了解決這一難題，劉清友教授帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)在國(guó)家973項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目等的支持下開(kāi)展了一系列研究，不僅研制出了我國(guó)首臺(tái)微小井眼連續(xù)管復(fù)合鉆機(jī)，還形成了一套氣體鉆水平井的長(zhǎng)水平段極限延伸能力計(jì)算、水平井氣體攜巖、井斜控制、預(yù)防鉆具斷裂失效等系列技術(shù)體系。

此外，劉清友教授還在國(guó)內(nèi)首次提出智能鉆井系統(tǒng)的概念，并根據(jù)水平井施工作業(yè)和油氣長(zhǎng)輸管道的可靠檢測(cè)需求，于2005年開(kāi)始開(kāi)展井下及管道機(jī)器人研究工作。

到目前為止，已研制出被動(dòng)輪式螺旋管道機(jī)器人、螺旋履帶式管道機(jī)器人、螺旋蠕動(dòng)式管道機(jī)器人、主動(dòng)螺旋式管道機(jī)器人、模塊化管道機(jī)器人、液壓蠕動(dòng)式管道機(jī)器人六代樣機(jī)。

他們開(kāi)創(chuàng)性地提出了一種利用鉆井機(jī)器人鉆多分枝魚(yú)骨徑向微小井眼的頁(yè)巖氣儲(chǔ)層鉆完井和增產(chǎn)方法，采用自主研發(fā)的主動(dòng)螺旋式管道機(jī)器人驅(qū)動(dòng)微鉆頭，沿水平井徑向鉆出50米～200米的微小井眼陣列，再利用液體炸藥進(jìn)行燃爆，形成深入儲(chǔ)層內(nèi)部的裂縫網(wǎng)絡(luò)，節(jié)約水資源，解決了超過(guò)4000米深層頁(yè)巖難以實(shí)現(xiàn)體積改造的瓶頸問(wèn)題，引起國(guó)內(nèi)外廣泛關(guān)注。

系列研究成果已申請(qǐng)國(guó)際專利4項(xiàng)、國(guó)內(nèi)發(fā)明專利5項(xiàng)。

十年磨一劍

鍛造石油裝備尖兵

在16年的發(fā)展歷程中，在劉清友教授的帶領(lǐng)下，實(shí)驗(yàn)室已形成一套集基礎(chǔ)理論研究、實(shí)驗(yàn)研究、新產(chǎn)品研制、產(chǎn)業(yè)化推廣應(yīng)用于一體的石油天然氣裝備及井下工具研發(fā)體系，成為中國(guó)油氣開(kāi)發(fā)裝備領(lǐng)域的領(lǐng)軍者之一。

他們先后承擔(dān)、完成國(guó)家973重點(diǎn)基礎(chǔ)研究項(xiàng)目、國(guó)家863計(jì)劃項(xiàng)目、國(guó)家科技重大專項(xiàng)、國(guó)家自然科學(xué)基金等各類項(xiàng)目90余項(xiàng)；研究成果先后獲得國(guó)家科技進(jìn)步特等獎(jiǎng)1項(xiàng)，國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)2項(xiàng)，省部級(jí)科技進(jìn)步獎(jiǎng)11項(xiàng)；累計(jì)獲得美國(guó)專利1項(xiàng)、國(guó)家發(fā)明專利40余項(xiàng)，申請(qǐng)國(guó)際專利13項(xiàng)，開(kāi)發(fā)專用仿真軟件8套，發(fā)表文章500余篇，撰寫(xiě)專著8部。

與豐碩成果相伴的，是一支知識(shí)結(jié)構(gòu)、年齡結(jié)構(gòu)、學(xué)歷結(jié)構(gòu)、職稱結(jié)構(gòu)及學(xué)緣結(jié)構(gòu)合理的、高水平的、學(xué)術(shù)思想活躍的、一流科學(xué)研究創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)的形成。團(tuán)隊(duì)現(xiàn)有專職研究人員28人，涵蓋機(jī)械工程、石油工程、計(jì)算機(jī)科學(xué)、材料工程、電信工程、力學(xué)和數(shù)學(xué)等多個(gè)學(xué)科、專業(yè)。多年來(lái)，已培養(yǎng)碩、博士研究生100余名，博士后13名，歷屆畢業(yè)生已成為油氣勘探及裝備研發(fā)的骨干成員。

在鍛造團(tuán)隊(duì)、培養(yǎng)人才、修煉“內(nèi)功”的同時(shí)，劉清友也帶領(lǐng)實(shí)驗(yàn)室積極與外部實(shí)驗(yàn)室、企業(yè)廣泛合作，強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合。比如他們?cè)诟咚傺垒嗐@頭領(lǐng)域的突破與應(yīng)用，就是與寶石機(jī)械成都裝備制造分公司通力合作的結(jié)晶，而“連續(xù)油管鉆機(jī)”則是與四川宏華石油設(shè)備有限公司共同完成……

2009年5月，四川省石油化工裝備產(chǎn)學(xué)研創(chuàng)新聯(lián)盟隆重成立，該聯(lián)盟由西南石油大學(xué)聯(lián)合四川石油管理局鉆采工藝技術(shù)研究院、四川石油管理局裝備制造公司等9家四川省石油天然氣裝備龍頭企業(yè)共同成立，旨在通過(guò)產(chǎn)學(xué)研合作，加速推進(jìn)高校在石油及天然氣裝備制造領(lǐng)域的科技成果轉(zhuǎn)化和產(chǎn)業(yè)化，進(jìn)一步提升四川乃至全國(guó)在石油化工裝備領(lǐng)域的技術(shù)水平。

這一聯(lián)盟的成立，為劉清友教授和實(shí)驗(yàn)室提供了更廣闊的平臺(tái)與資源，更利于相關(guān)成果的加速轉(zhuǎn)化應(yīng)用。

到目前為止，他們自主研制了我國(guó)首臺(tái)連續(xù)油管鉆機(jī)、世界首臺(tái)“3000HP壓裂泵車”，主持及參加了盤(pán)式牙輪鉆頭、浮動(dòng)套軸承高速牙輪鉆頭、金剛石-牙輪復(fù)合鉆頭、深井鉆機(jī)、高性能振動(dòng)篩、鐵鉆工、海洋修井機(jī)、高壓井口裝置、旋轉(zhuǎn)防噴器、高壓閥門(mén)、高性能封隔器、井下機(jī)器人等10多種新產(chǎn)品的研制。

每一項(xiàng)成果，都是從解決關(guān)鍵科學(xué)和技術(shù)問(wèn)題出發(fā)，以成果工業(yè)、產(chǎn)業(yè)化為目標(biāo)，已經(jīng)先后在寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司、四川宏華石油裝備制造公司、江漢石油鉆頭股份有限公司、中石化石油工程機(jī)械有限公司第四機(jī)械廠等20余家主要油氣裝備制造企業(yè)轉(zhuǎn)化10多種、60多個(gè)系列的新產(chǎn)品和新技術(shù)，在中石油、中石化和中海油等所屬的20余個(gè)國(guó)內(nèi)油氣田推廣應(yīng)用。產(chǎn)品遠(yuǎn)銷中東、獨(dú)聯(lián)體、北美、蘇丹等40個(gè)國(guó)家和地區(qū)，不僅打破了國(guó)外的技術(shù)壟斷，推動(dòng)了我國(guó)油氣裝備產(chǎn)業(yè)技術(shù)由國(guó)外引進(jìn)向國(guó)內(nèi)自主研發(fā)轉(zhuǎn)變，引領(lǐng)了行業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)，更使我國(guó)由石油裝備進(jìn)口國(guó)變成出口國(guó)，為我國(guó)石油裝備制造業(yè)的發(fā)展作出了重要貢獻(xiàn)。

“為祖國(guó)加油，為民族爭(zhēng)氣。”這并不是一句虛幻的口號(hào)，而是一個(gè)需要踏實(shí)踐行，為之奮斗終身的錚錚誓言。劉清友教授和他所領(lǐng)導(dǎo)的油氣裝備現(xiàn)代設(shè)計(jì)與仿真實(shí)驗(yàn)室，正是這句誓言的忠實(shí)踐行者。“不經(jīng)一番寒徹骨，哪得梅花撲鼻香。”今天的成績(jī)是靠艱苦奮斗一點(diǎn)點(diǎn)積累而來(lái)的，油氣裝備現(xiàn)代設(shè)計(jì)與仿真實(shí)驗(yàn)室將繼續(xù)奮勇前行，為我國(guó)石油行業(yè)的發(fā)展培養(yǎng)精兵強(qiáng)將，為我國(guó)石油裝備的騰飛鑄造尖兵利器！