方興未艾的井下控制工程學
——訪中國工程院院士、中國石油集團工程技術研究院蘇義腦教授

■ 本刊特約記者 王大銳

在CGDS地質導向產(chǎn)品發(fā)布會上作產(chǎn)品介紹

油氣井工程是石油工業(yè)上游業(yè)務的重要組成部分，是一個集鉆井、完井（含固井）、測井、測試、采油和井下作業(yè)及增產(chǎn)改造等多個工藝環(huán)節(jié)、多學科和多專業(yè)交叉的技術領域，而井下控制工程學則是研究油氣井下控制問題和技術的新興學科分支。為讓讀者更深入地了解相關科技知識，我采訪了我國著名鉆井工程專家、中國工程院院士、中國石油集團工程技術研究院蘇義腦教授。

問： 井下控制工程學的產(chǎn)生背景與發(fā)展過程

答：井下控制工程學這一概念是我于1988年開始形成并在1993年前后正式提出的，至今也只有短短的20多年時間，其研究的主要對象是油氣井井下控制問題。它首先是從解決油氣鉆井的井眼軌道控制成功率和精度問題發(fā)端，而后發(fā)展迅速，逐步成為油氣鉆完井中的一個新領域。最近十多年來在其他井下專業(yè)方面也獲得了日益廣泛的應用。

鉆直井技術一直在持續(xù)發(fā)展，重點在于“復雜地質結構”條件下的深井和超深直井。與20世紀初相比，油氣鉆井的地面裝備、井下工具、鉆井液等方面都發(fā)生了顯著的變化，而且從無到有建立了井眼軌道的測量、控制和油氣層保護、完井等技術環(huán)節(jié)，使鉆井工程形成了現(xiàn)代化的工程技術學科。

鉆井技術的每一次重大進步都是其他學科和新技術引入并結合的結果。考慮到鉆井軌道控制與飛行器的姿態(tài)和軌道控制方面的共性，以及工程控制論在導彈制導中的成功應用，促使我產(chǎn)生了把工程控制論和飛行器制導技術引入油氣鉆井工程、從而另辟蹊徑以發(fā)展井眼軌道控制理論與技術的想法。在經(jīng)過一段時間的類比、分析和較深入的研究工作之后，1988年我提出 “井眼軌道制導控制理論與技術”這一新的研究方向，寄希望于“井下閉環(huán)控制”和“用手段解決問題”。在此基礎上，考慮到油氣井井下各種工藝過程中有關控制問題的共性，于1993年正式提出“井下控制工程學”這一新概念和學科框架。

問： 井下控制工程學的主要研究內(nèi)容

答：作為一個新的學科分支，井下控制工程學由以下四個基本部分組成：一是理論基礎，主要是研究井下系統(tǒng)動力學與控制信號分析理論及方法；二是技術基礎，針對井下控制機構與系統(tǒng)設計學、井下參數(shù)采集與傳輸技術進行攻關；三是產(chǎn)品開發(fā)，這一新的學科分支的應用目標是研制和開發(fā)不同井下作業(yè)過程所需要的各種控制工具和控制系統(tǒng)，以解決實際生產(chǎn)問題；四是實驗室建設和實驗方法，相應的實驗室是井下控制工程學的依托和基礎。

問：井下控制工程學的性質和目標都有哪些？

答：井下控制工程學是用工程控制論的觀點和方法，去研究和解決油氣井井下工程控制問題的有關理論、技術手段的一個新學科分支。它是油氣井工程井下工藝問題與工程控制論相結合的產(chǎn)物，是一個多學科的交叉應用技術領域。從工程性質上看，它涉及到鉆井、完井、試井、測井、采油、修井等一切與油氣井井下工藝有關的施工作業(yè)過程；從控制方式上看，它涉及到開環(huán)遙控和井下閉環(huán)自控。

油氣井的特殊結構和井下的惡劣工況決定了井下控制問題的難度、復雜性和特點。因此，也決定了井下控制工程學這一分支學科的研究性質：它是一個理論性和實踐性都很突出的多學科交叉的應用技術領域。多專業(yè)多學科的交叉是其主要特點，可概括歸納為：“以井下為對象，以控制為目標，以力學為基礎，以機械為主體，以流體為介質，以計算機為手段，以實驗為依托。”

研究井下控制工程學的目的是從理論上認清井下控制問題的物理性質和控制過程的基本規(guī)律，從實踐上開發(fā)和提供行之有效的控制系統(tǒng)、工藝和手段，從技術和經(jīng)濟上最優(yōu)地解決有關工程問題。

這一新的學科分支的應用目標是要研制和開發(fā)不同井下作業(yè)過程所需要的各種控制工具和控制系統(tǒng)，以解決實際生產(chǎn)問題。機電液一體化往往是這種井下控制系統(tǒng)的基本特征，它是井下控制機構設計學的綜合應用。由于產(chǎn)品開發(fā)的多樣性和實用性，決定了井下控制工程這一分支必將具有針對性很強的專業(yè)應用領域，能產(chǎn)生重大的經(jīng)濟效益和社會效益，并有望以此為基礎形成一種新的高技術產(chǎn)業(yè)。

在實驗室與科研人員討論

在現(xiàn)場與油田技術人員交流

問： 主要研究進展和技術發(fā)展趨勢

答：自1988年以來，我?guī)ьI研究團隊在井下控制工程學方面從事基礎性研究和開展技術攻關，在井下系統(tǒng)動力學研究、可控信號分析、井下控制系統(tǒng)與機構設計、前沿技術研發(fā)、實驗方法研究和實驗室建設等工作中取得若干成果和進展。主要包括：一是研究確定了井眼軌道控制系統(tǒng)的性質。二是研究了可用于井下控制的多種信號，提出了一些新的概念和方法。三是提出了井下系統(tǒng)動力學的概念和研究方法，以此作為井下控制系統(tǒng)分析和建模的理論基礎。另外，還開展了信息傳輸通道和信息傳輸規(guī)律的理論研究和實驗研究；井眼軌道遙控系統(tǒng)和自動控制系統(tǒng)的目標、基本結構與設計原則的研究；提出了井下控制系統(tǒng)和機構設計學的概念和模塊化設計方法；開展了井下若干工程參數(shù)和地質參數(shù)的測量研究；開展了井下無線短傳技術的研究與開發(fā)，從模型建立到實用技術并應用于工具系統(tǒng)等等。

在上述應用基礎理論、設計方法研究和實驗室建設的基礎上，我和研究團隊進一步致力于井下控制工具和系統(tǒng)的研發(fā)工作，例如：遙控可變徑穩(wěn)定器，CGMWD正脈沖無線隨鉆測量系統(tǒng)，CGDS近鉆頭地質導向鉆井系統(tǒng)，PWD隨鉆壓力測量系統(tǒng)，無線電磁波隨鉆測量系統(tǒng)，連續(xù)無線隨鉆測量系統(tǒng)，自動垂直鉆井系統(tǒng)，旋轉導向系統(tǒng)，工程用LWD隨鉆測量系統(tǒng)，SWD隨鉆地震系統(tǒng)，中子孔隙度測量工具，遙控分層配采系統(tǒng)，等等。這些具有自主知識產(chǎn)權的控制工具和系統(tǒng)，獲得多項國家發(fā)明專利，其中一部分已經(jīng)產(chǎn)業(yè)化并工業(yè)化規(guī)模應用，取得顯著的技術效果和經(jīng)濟效益，一部分正在由樣機向產(chǎn)品轉化。這些科研成果和產(chǎn)品提升了我國在鉆井高端控制工具和和儀器方面的核心競爭力，具有廣闊的應用前景和社會效益，同時豐富和擴展了井下控制工程學的技術內(nèi)涵和應用范圍（例如遙控分層配采系統(tǒng)的研發(fā)成功標志著這一技術思想由鉆井擴展到采油）。

20多年來，井下控制工程學這一新分支學科日益得到國內(nèi)業(yè)界專家學者的認可，1997年被列為我國油氣鉆井專業(yè)的新分支；2008年被國家教育部列為學位教育中“石油天然氣工程”這個一級學科下新增的二級學科，批準招收碩士、博士生。我們這一個集理論研究、技術開發(fā)和工程服務于一體的專業(yè)團隊，已成為中國石油鉆井工程技術研究院所屬的專業(yè)研究所，相關高等院校也在開設井下控制方面的選修課程，有的院校也在組建相關的研究團隊，這一切為井下控制工程學的未來發(fā)展提供了組織和人才保證。

井下控制工程學未來的技術發(fā)展方向和趨勢是：井下控制技術正在從鉆井領域向其它井下工藝領域擴展應用，如完井、采油、測井、測試、井下作業(yè)和儲層改造等；控制技術正在從單體工具或儀器向高度集成化、系統(tǒng)化和特殊作業(yè)化發(fā)展；控制系統(tǒng)正在向實時化、自動化和智能化方向發(fā)展；井下控制系統(tǒng)的工作特點正在向高性能指標（如高溫、高壓、大容量、高傳輸速率等）、高可靠性、長工作壽命和強適應性方向發(fā)展；井下控制技術與油氣勘探開發(fā)的結合將更加緊密，逐漸成為提高勘探發(fā)現(xiàn)率、開發(fā)采收率和單井產(chǎn)量的直接手段，目標是降低噸油成本。