10月下旬，第二十二屆全國(guó)探礦工程（巖土鉆掘工程）學(xué)術(shù)交流年會(huì)在山東威海舉行。中國(guó)科學(xué)院院士高德利作了題為“超深鉆采工程技術(shù)與裝備創(chuàng)新發(fā)展”的主旨報(bào)告。此前，他在“科學(xué)與中國(guó)”20周年大會(huì)暨“千名院士·千場(chǎng)科普”行動(dòng)啟動(dòng)儀式上作了題為“定向鉆井與油氣田高效綠色開(kāi)發(fā)”的科普?qǐng)?bào)告，介紹了油氣鉆采工程領(lǐng)域定向鉆井技術(shù)及其在油氣田高效綠色開(kāi)發(fā)工程中的成功應(yīng)用。在報(bào)告中，他表示：“能源很重要?？梢哉f(shuō)，當(dāng)今社會(huì)如果沒(méi)有能源，則幾乎一切都要停擺?！?/p>
近日，科技日?qǐng)?bào)記者專訪了高德利，聽(tīng)他講述科學(xué)家克服“入地?zé)o門”難題，巧用計(jì)“定向鉆進(jìn)”的故事。
定向鉆井技術(shù)助力油氣高效綠色發(fā)展
記者：您在前不久的“千名院士·千場(chǎng)科普”首場(chǎng)報(bào)告會(huì)上作了關(guān)于定向鉆井技術(shù)的科普?qǐng)?bào)告。定向鉆井技術(shù)是什么，具有哪些特點(diǎn)？
高德利：所謂定向鉆井，就是控制鉆頭按照設(shè)計(jì)軌道或地質(zhì)導(dǎo)向破巖鉆進(jìn)，力求安全高效鉆達(dá)地下的預(yù)定目標(biāo)，是現(xiàn)代油氣田高效綠色開(kāi)發(fā)不可或缺的主體技術(shù)之一。
最初人們只能打簡(jiǎn)單的直井，后來(lái)隨著鉆井技術(shù)的發(fā)展，按照預(yù)定軌道鉆進(jìn)的定向鉆井技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。通過(guò)定向鉆井，可以基于同一個(gè)作業(yè)平臺(tái)有效擴(kuò)大油氣田的開(kāi)發(fā)控制半徑及泄流面積。這既有利于提高油氣田的綜合開(kāi)發(fā)效益及最終采收率，也有利于降本增效、保護(hù)環(huán)境、節(jié)約作業(yè)場(chǎng)地等。
實(shí)際上，定向鉆井技術(shù)應(yīng)用很廣。除油氣開(kāi)采外，這一技術(shù)還在資源環(huán)境和工程建設(shè)中具有廣泛的用途。比如城市建設(shè)中的非開(kāi)挖工程就需要使用定向鉆井技術(shù)，盾構(gòu)機(jī)或挖掘機(jī)在隧道工程中的作業(yè)也類似于定向鉆井。
定向鉆井具有實(shí)時(shí)測(cè)控難的技術(shù)特點(diǎn)。通過(guò)定向鉆井形成的三維井眼軌跡深入地層之中，看不見(jiàn)、摸不著。地下工況往往很復(fù)雜，定向鉆井不僅要在漆黑一團(tuán)的地質(zhì)環(huán)境中作業(yè)，而且還會(huì)在鉆進(jìn)過(guò)程中遇到不少阻礙。另外，定向鉆井是在鉆頭破碎巖石的過(guò)程中控制鉆進(jìn)方向并形成三維井眼軌跡的，其控制難度很大。
定向鉆井的另一個(gè)特點(diǎn)是通過(guò)隨鉆測(cè)量來(lái)確定其鉆進(jìn)方向。由于定向鉆井需要在地層中定向鉆進(jìn)，因此相比于在地面和空中作業(yè)，定向鉆井工程信息化難度要大得多。這背后的原因很簡(jiǎn)單——電磁波在地面和空中的傳播效果都很好，而一旦進(jìn)入地層就不靈了，地層強(qiáng)大的傳播阻力會(huì)使電磁波很快衰減成微弱信號(hào)。直到現(xiàn)在，這仍然是困擾隨鉆測(cè)量數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸?shù)闹卮笃款i技術(shù)問(wèn)題，也導(dǎo)致定向鉆井在隨鉆測(cè)控方面遇到不少難以回避的困難。
記者：為什么一定要發(fā)展定向鉆井技術(shù)，它在促進(jìn)油氣田高效綠色開(kāi)發(fā)方面是怎樣發(fā)揮作用的？
高德利：以往的直井控制的油氣儲(chǔ)層面積很小，夠不著遠(yuǎn)處的油氣。而使用定向鉆井技術(shù)可以建設(shè)復(fù)雜結(jié)構(gòu)井與叢式井。其中，叢式水平井就像樹(shù)叢一樣，通過(guò)一個(gè)平臺(tái)布設(shè)多口水平井。這樣可使一個(gè)平臺(tái)控制的地下儲(chǔ)層面積更大，從而有利于降本增效、保護(hù)環(huán)境、節(jié)約作業(yè)場(chǎng)地等。
如果待開(kāi)采的油氣藏位于生態(tài)保護(hù)區(qū)或其他特殊區(qū)域內(nèi)，還可以采用大位移定向鉆井技術(shù)，做到保護(hù)與開(kāi)采兩不誤。例如，在灘海、湖泊、山區(qū)等復(fù)雜區(qū)域，可以發(fā)揮大位移定向鉆井的獨(dú)特作用，有效實(shí)現(xiàn)“水域油氣陸地開(kāi)采”、山區(qū)頁(yè)巖氣高效綠色開(kāi)發(fā)等目標(biāo)。定向鉆井技術(shù)還成功地應(yīng)用于地?zé)?、鹽礦、堿礦及其他相關(guān)礦產(chǎn)資源的高效綠色開(kāi)發(fā)工程。
記者：當(dāng)前國(guó)際定向鉆井技術(shù)發(fā)展到了什么階段，我國(guó)定向鉆井技術(shù)在這一領(lǐng)域處于什么水平？
高德利：井眼軌跡控制作為定向鉆井控制技術(shù)的核心內(nèi)容，已經(jīng)歷了4次技術(shù)迭代與升級(jí)。
第一代定向控制技術(shù)利用一些特殊的工具和技術(shù)措施來(lái)控制井眼軌跡，主要方法是通過(guò)改變鉆具組合或使用造斜器來(lái)改變工具軸線與井眼軸線的偏離程度。這種方式只能實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的定向控制，井斜方位控制能力不足。第二代定向控制技術(shù)以渦輪鉆具、螺桿鉆具、測(cè)斜儀等工具為代表。第三代定向控制技術(shù)是以隨鉆測(cè)量工具和井下帶彎接頭動(dòng)力鉆具或彎外殼螺桿鉆具為代表，定向鉆井軌跡測(cè)量精度大幅度提高，并且實(shí)現(xiàn)了隨鉆定向控制。目前，第三代技術(shù)是定向井、水平井及叢式井定向鉆井軌跡控制的主流技術(shù)。
第四代定向控制技術(shù)工具的典型代表是旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)。這是一種可以在鉆柱旋轉(zhuǎn)時(shí)實(shí)時(shí)控制井眼軌跡的導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)，類似于航空航天領(lǐng)域的導(dǎo)彈制導(dǎo)系統(tǒng)，可以自動(dòng)控制鉆頭，使其在地下油氣儲(chǔ)層中穿行。與常規(guī)定向控制工具相比，旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)在軌跡控制精度、鉆井時(shí)效、井身質(zhì)量等方面具有明顯優(yōu)勢(shì)，是現(xiàn)代定向鉆井技術(shù)的發(fā)展方向。
國(guó)外也很重視這一技術(shù)，美國(guó)的斯倫貝謝、貝克休斯、哈里伯頓等著名技術(shù)服務(wù)公司的相關(guān)產(chǎn)品代表了這一技術(shù)領(lǐng)域的國(guó)際領(lǐng)先水平。我國(guó)在這一技術(shù)領(lǐng)域起步較晚，從20世紀(jì)80年代開(kāi)始跟蹤研究，在“十二五”期間取得了長(zhǎng)足進(jìn)步，目前國(guó)內(nèi)多家單位已成功研制了旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)。
當(dāng)然，無(wú)論是國(guó)內(nèi)還是國(guó)外，在提高定向鉆井技術(shù)水平上仍存在一些瓶頸問(wèn)題，比如隨鉆測(cè)量?jī)x器的測(cè)量精度、耐高溫高壓能力等技術(shù)指標(biāo)仍需進(jìn)一步提高。
21世紀(jì)能源科技應(yīng)朝向綠色與智能
記者：促進(jìn)油氣資源高效綠色開(kāi)發(fā)，您還關(guān)注到了哪些技術(shù)路徑？這些路徑有什么應(yīng)用前景？
高德利：除了定向鉆井技術(shù)，碳的捕集、利用與封存（CCUS）技術(shù)在石油行業(yè)也非常有發(fā)展前景。無(wú)論是人類排放的二氧化碳，還是開(kāi)采油氣過(guò)程中伴生的二氧化碳，都可以利用CCUS技術(shù)加以適當(dāng)處理。
一方面，我國(guó)油氣田里存在很多枯竭的油氣藏，可以作為儲(chǔ)存二氧化碳的空間。另一方面，將二氧化碳注入油氣層中，可以起到驅(qū)油氣的作用，有利于提高油氣采收率。另外，CCUS技術(shù)還可以用于捕集煤電廠等排放大戶排放的二氧化碳，以盡可能避免造成大氣污染。
記者：1997年，您曾主編出版《面向二十一世紀(jì)的能源科技》報(bào)告文集。26年過(guò)去了，您認(rèn)為未來(lái)包括油氣勘探開(kāi)發(fā)在內(nèi)的能源科技將呈現(xiàn)怎樣的發(fā)展趨勢(shì)？
高德利：我們?cè)?997年的中國(guó)科協(xié)第21次“青年科學(xué)家論壇”上就已經(jīng)提出，面向21世紀(jì)的能源科技需要綠色與智能發(fā)展，要將“健康、安全、環(huán)境”的目標(biāo)作為重要內(nèi)容加以認(rèn)真考慮，也提出了研發(fā)地下鉆掘機(jī)器人的設(shè)想。
我國(guó)目前還處于煤炭時(shí)代，煤炭在能源中的占比最高，達(dá)50%以上。從全世界范圍看，天然氣發(fā)展很快，可能會(huì)成為新“老大”。實(shí)際上，我希望我國(guó)能源發(fā)展能夠直接跨入氣態(tài)能源時(shí)代。氣態(tài)能源包括常規(guī)和非常規(guī)天然氣、地下煤制氣、氫氣等。其中，將煤炭在地下原位轉(zhuǎn)化為低碳清潔的氣態(tài)能源，可以有效減少二氧化碳排放。其主要原因是：一方面在于煤層氣資源量大但目前產(chǎn)量仍比較低，未來(lái)具有較大的增長(zhǎng)空間和發(fā)展?jié)摿Γ涣硪环矫媸峭ㄟ^(guò)煤炭地下氣化，可以把煤渣等污染物留在地下，實(shí)現(xiàn)煤炭有效清潔利用?？傊?，我認(rèn)為發(fā)展氣態(tài)能源是我國(guó)能源低碳綠色轉(zhuǎn)型的重大戰(zhàn)略舉措之一。
能源領(lǐng)域越來(lái)越需要協(xié)同創(chuàng)新
記者：一路走來(lái)，在成為科學(xué)家的道路上您面臨過(guò)哪些挑戰(zhàn)和機(jī)遇？
高德利：我們這一代比較特殊。1975年高中畢業(yè)后，我在農(nóng)村過(guò)了3年，這期間當(dāng)過(guò)獸醫(yī)助理，在果園工作過(guò)，搞過(guò)建筑，后來(lái)還當(dāng)了一年半的中學(xué)老師。1977年恢復(fù)高考，我們有了考大學(xué)的機(jī)會(huì)。那時(shí)候復(fù)習(xí)時(shí)間很少，幸好我當(dāng)時(shí)是中學(xué)老師，有學(xué)習(xí)的有利條件，就考上了華東石油學(xué)院，也就是今天的中國(guó)石油大學(xué)。
那時(shí)候，“科學(xué)的春天”來(lái)了。1978年，介紹陳景潤(rùn)故事的《哥德巴赫猜想》發(fā)表了，全國(guó)科學(xué)大會(huì)也召開(kāi)了。當(dāng)時(shí)，我們大學(xué)生沒(méi)有別的想法，都聚精會(huì)神地學(xué)習(xí)。在露天廣場(chǎng)里看電影也忘不了學(xué)習(xí)。電影開(kāi)始前，很多人在昏暗的燈光下學(xué)英語(yǔ)、解數(shù)學(xué)題等，爭(zhēng)分奪秒地刻苦學(xué)習(xí)。當(dāng)年，盡管住得很差，校園設(shè)施也很差，但師資還比較好，尤其是大家的學(xué)習(xí)勁頭特別大。
我起初報(bào)的志愿是基礎(chǔ)類專業(yè)，被調(diào)劑到了華東石油學(xué)院的石油開(kāi)發(fā)系工程專業(yè)。一開(kāi)始，我覺(jué)得這不是我喜歡的專業(yè)。但我的性格是不管學(xué)什么，都不愿意示弱，所以學(xué)習(xí)很努力，成績(jī)也挺好。大學(xué)畢業(yè)后，學(xué)校要留我當(dāng)老師，但我周圍好多同學(xué)都在備考研究生，對(duì)我觸動(dòng)很大。因此盡管當(dāng)時(shí)剩下的備考時(shí)間不多，強(qiáng)烈的自尊心還是迫使我報(bào)考了研究生。我本來(lái)報(bào)的是本校，最后機(jī)緣巧合之下，到西南石油學(xué)院（現(xiàn)西南石油大學(xué)）的力學(xué)教研室學(xué)了我喜歡的數(shù)理類專業(yè)。
1984年9月我通過(guò)了碩士學(xué)位論文答辯，10月離開(kāi)西南石油學(xué)院。因?yàn)槲沂窃谟谐渥汴?yáng)光的華北平原長(zhǎng)大的，難以適應(yīng)四川的氣候，所以我回到華東石油學(xué)院開(kāi)發(fā)系任教，并在1987年考取該校劉希圣教授的博士研究生，成為本校油氣工程學(xué)科首批2名博士生之一。1990年，我被錄取為清華大學(xué)工程力學(xué)系博士后，1992年完成博士后研究并被晉升為清華大學(xué)固體力學(xué)副教授，之后又入職石油大學(xué)（北京），也就是今天的中國(guó)石油大學(xué)（北京）。從此，我好像“掉到井眼里再也出不來(lái)了”。我專心致志地從事油氣工程領(lǐng)域的教學(xué)和科研工作，并擔(dān)任學(xué)科負(fù)責(zé)人，積極帶領(lǐng)本學(xué)科創(chuàng)優(yōu)爭(zhēng)先，使其成為國(guó)家“雙一流”重點(diǎn)學(xué)科，從而備受國(guó)內(nèi)外關(guān)注。
記者：油氣勘探開(kāi)發(fā)的新趨勢(shì)給人才培養(yǎng)提出了哪些新要求？
高德利：在“雙碳”目標(biāo)下，油氣勘探開(kāi)發(fā)的新趨勢(shì)給人才培養(yǎng)提出了更高的要求。從人類“入地、下?！钡母叨葋?lái)看，將來(lái)油氣勘探的范圍和難度都會(huì)增大，對(duì)專業(yè)人才的要求也會(huì)越來(lái)越高。
從事油氣工程這一行，首先肯定要在鉆探、開(kāi)采、儲(chǔ)運(yùn)等方面具備扎實(shí)的基礎(chǔ)知識(shí)。此外，這些專業(yè)人才還需要具有多學(xué)科交叉背景。過(guò)去，煤炭、石油、天然氣、冶金等領(lǐng)域往往各自“畫個(gè)圈”謀發(fā)展，以后越來(lái)越需要跨行業(yè)交叉融合，共謀發(fā)展，以達(dá)到互利共贏的目標(biāo)。面對(duì)低碳綠色發(fā)展的大趨勢(shì)，能源領(lǐng)域越來(lái)越需要協(xié)同創(chuàng)新。比如，可以將油氣領(lǐng)域的相關(guān)技術(shù)應(yīng)用到煤炭領(lǐng)域，將一兩千米以下的煤炭轉(zhuǎn)化成煤制氣、煤制油甚至煤發(fā)電進(jìn)行開(kāi)發(fā)利用，以確保綠色與安全高效生產(chǎn)。同時(shí)，建立“地下井工廠”也需要定向鉆井等鉆采技術(shù)作為必要支撐。
總之，新趨勢(shì)下，我們需要更有能力的有志青年來(lái)參與油氣勘探開(kāi)發(fā)。當(dāng)前，油氣領(lǐng)域發(fā)生了很多變化。現(xiàn)在，我們必須改變思路，越是這種艱苦但又不可或缺的行業(yè)，越需要有志青年來(lái)推動(dòng)發(fā)展，需要高水平人才和科技創(chuàng)新的支撐。來(lái)這個(gè)領(lǐng)域?qū)W習(xí)、成才、工作、貢獻(xiàn)，實(shí)際上是很有意思的人生之旅。
致青年科技人才
要成為一名科學(xué)家，必須從小養(yǎng)成良好的學(xué)習(xí)和生活習(xí)慣。要持之以恒、專心致志、鍥而不舍，有“釘釘子精神”，不能“三天打魚，兩天曬網(wǎng)”。
人的精力是有限的，要長(zhǎng)期沿著一個(gè)你感興趣的專業(yè)領(lǐng)域與研究方向努力鉆研。大學(xué)階段用來(lái)打基礎(chǔ)，研究生階段就可以選擇一個(gè)具體的研究方向了。還要能夠繼續(xù)堅(jiān)持，如果“一會(huì)兒做這個(gè)，一會(huì)兒又做那個(gè)”，很難做出原創(chuàng)性的、國(guó)際領(lǐng)先的學(xué)術(shù)成果。同時(shí)，良好的生活習(xí)慣有利于健康、學(xué)習(xí)和工作。
當(dāng)然，科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新有時(shí)候不能僅靠單槍匹馬，還需要團(tuán)隊(duì)協(xié)作。尤其是對(duì)應(yīng)用科學(xué)創(chuàng)新、從事技術(shù)發(fā)明的研究人員來(lái)說(shuō)，團(tuán)隊(duì)精神越來(lái)越重要。實(shí)際上，很多技術(shù)都具有學(xué)科交叉特點(diǎn)，而非單一學(xué)科的科學(xué)問(wèn)題。一個(gè)人總是有短板的，再厲害的科學(xué)家也有短板，只有通過(guò)團(tuán)隊(duì)進(jìn)行強(qiáng)強(qiáng)合作，才能夠把短板補(bǔ)上。如果不注重協(xié)同創(chuàng)新，不能形成一個(gè)配置合理的科研團(tuán)隊(duì)，個(gè)人的短板就很難補(bǔ)齊，最終也會(huì)影響所追求目標(biāo)的順利實(shí)現(xiàn)。
——高德利
（科技日?qǐng)?bào)實(shí)習(xí)記者 駱香茹）
