10月下旬，第二十二屆全國探礦工程（巖土鉆掘工程）學術(shù)交流年會在山東威海舉行。中國科學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”的主旨報告。此前，他在“科學與中國”20周年大會暨“千名院士·千場科普”行動啟動儀式上作了題為“定向鉆井與油氣田高效綠色開發(fā)”的科普報告，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發(fā)工程中的成功應(yīng)用。在報告中，他表示：“能源很重要?？梢哉f，當今社會如果沒有能源，則幾乎一切都要停擺。”
近日，科技日報記者專訪了高德利，聽他講述科學家克服“入地無門”難題，巧用計“定向鉆進”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·千場科普”首場報告會上作了關(guān)于定向鉆井技術(shù)的科普報告。定向鉆井技術(shù)是什么，具有哪些特點？
高德利：所謂定向鉆井，就是控制鉆頭按照設(shè)計軌道或地質(zhì)導(dǎo)向破巖鉆進，力求安全高效鉆達地下的預(yù)定目標，是現(xiàn)代油氣田高效綠色開發(fā)不可或缺的主體技術(shù)之一。
最初人們只能打簡單的直井，后來隨著鉆井技術(shù)的發(fā)展，按照預(yù)定軌道鉆進的定向鉆井技術(shù)應(yīng)運而生。通過定向鉆井，可以基于同一個作業(yè)平臺有效擴大油氣田的開發(fā)控制半徑及泄流面積。這既有利于提高油氣田的綜合開發(fā)效益及最終采收率，也有利于降本增效、保護環(huán)境、節(jié)約作業(yè)場地等。
實際上，定向鉆井技術(shù)應(yīng)用很廣。除油氣開采外，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)中的非開挖工程就需要使用定向鉆井技術(shù)，盾構(gòu)機或挖掘機在隧道工程中的作業(yè)也類似于定向鉆井。
定向鉆井具有實時測控難的技術(shù)特點。通過定向鉆井形成的三維井眼軌跡深入地層之中，看不見、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的地質(zhì)環(huán)境中作業(yè)，而且還會在鉆進過程中遇到不少阻礙。另外，定向鉆井是在鉆頭破碎巖石的過程中控制鉆進方向并形成三維井眼軌跡的，其控制難度很大。
定向鉆井的另一個特點是通過隨鉆測量來確定其鉆進方向。由于定向鉆井需要在地層中定向鉆進，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。這背后的原因很簡單——電磁波在地面和空中的傳播效果都很好，而一旦進入地層就不靈了，地層強大的傳播阻力會使電磁波很快衰減成微弱信號。直到現(xiàn)在，這仍然是困擾隨鉆測量數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)闹卮笃款i技術(shù)問題，也導(dǎo)致定向鉆井在隨鉆測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)，它在促進油氣田高效綠色開發(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層面積很小，夠不著遠處的油氣。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，叢式水平井就像樹叢一樣，通過一個平臺布設(shè)多口水平井。這樣可使一個平臺控制的地下儲層面積更大，從而有利于降本增效、保護環(huán)境、節(jié)約作業(yè)場地等。
如果待開采的油氣藏位于生態(tài)保護區(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)，做到保護與開采兩不誤。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特作用，有效實現(xiàn)“水域油氣陸地開采”、山區(qū)頁巖氣高效綠色開發(fā)等目標。定向鉆井技術(shù)還成功地應(yīng)用于地熱、鹽礦、堿礦及其他相關(guān)礦產(chǎn)資源的高效綠色開發(fā)工程。
記者：當前國際定向鉆井技術(shù)發(fā)展到了什么階段，我國定向鉆井技術(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。
第一代定向控制技術(shù)利用一些特殊的工具和技術(shù)措施來控制井眼軌跡，主要方法是通過改變鉆具組合或使用造斜器來改變工具軸線與井眼軸線的偏離程度。這種方式只能實現(xiàn)簡單的定向控制，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、測斜儀等工具為代表。第三代定向控制技術(shù)是以隨鉆測量工具和井下帶彎接頭動力鉆具或彎外殼螺桿鉆具為代表，定向鉆井軌跡測量精度大幅度提高，并且實現(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)時實時控制井眼軌跡的導(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)，可以自動控制鉆頭，使其在地下油氣儲層中穿行。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、鉆井時效、井身質(zhì)量等方面具有明顯優(yōu)勢，是現(xiàn)代定向鉆井技術(shù)的發(fā)展方向。
國外也很重視這一技術(shù)，美國的斯倫貝謝、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)域的國際領(lǐng)先水平。我國在這一技術(shù)領(lǐng)域起步較晚，從20世紀80年代開始跟蹤研究，在“十二五”期間取得了長足進步，目前國內(nèi)多家單位已成功研制了旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)。
當然，無論是國內(nèi)還是國外，在提高定向鉆井技術(shù)水平上仍存在一些瓶頸問題，比如隨鉆測量儀器的測量精度、耐高溫高壓能力等技術(shù)指標仍需進一步提高。
21世紀能源科技應(yīng)朝向綠色與智能
記者：促進油氣資源高效綠色開發(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。無論是人類排放的二氧化碳，還是開采油氣過程中伴生的二氧化碳，都可以利用CCUS技術(shù)加以適當處理。
一方面，我國油氣田里存在很多枯竭的油氣藏，可以作為儲存二氧化碳的空間。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《面向二十一世紀的能源科技》報告文集。26年過去了，您認為未來包括油氣勘探開發(fā)在內(nèi)的能源科技將呈現(xiàn)怎樣的發(fā)展趨勢？
高德利：我們在1997年的中國科協(xié)第21次“青年科學家論壇”上就已經(jīng)提出，面向21世紀的能源科技需要綠色與智能發(fā)展，要將“健康、安全、環(huán)境”的目標作為重要內(nèi)容加以認真考慮，也提出了研發(fā)地下鉆掘機器人的設(shè)想。
我國目前還處于煤炭時代，煤炭在能源中的占比最高，達50%以上。從全世界范圍看，天然氣發(fā)展很快，可能會成為新“老大”。實際上，我希望我國能源發(fā)展能夠直接跨入氣態(tài)能源時代。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，未來具有較大的增長空間和發(fā)展?jié)摿?；另一方面是通過煤炭地下氣化，可以把煤渣等污染物留在地下，實現(xiàn)煤炭有效清潔利用?？傊?，我認為發(fā)展氣態(tài)能源是我國能源低碳綠色轉(zhuǎn)型的重大戰(zhàn)略舉措之一。
能源領(lǐng)域越來越需要協(xié)同創(chuàng)新
記者：一路走來，在成為科學家的道路上您面臨過哪些挑戰(zhàn)和機遇？
高德利：我們這一代比較特殊。1975年高中畢業(yè)后，我在農(nóng)村過了3年，這期間當過獸醫(yī)助理，在果園工作過，搞過建筑，后來還當了一年半的中學老師。1977年恢復(fù)高考，我們有了考大學的機會。那時候復(fù)習時間很少，幸好我當時是中學老師，有學習的有利條件，就考上了華東石油學院，也就是今天的中國石油大學。
那時候，“科學的春天”來了。1978年，介紹陳景潤故事的《哥德巴赫猜想》發(fā)表了，全國科學大會也召開了。當時，我們大學生沒有別的想法，都聚精會神地學習。在露天廣場里看電影也忘不了學習。電影開始前，很多人在昏暗的燈光下學英語、解數(shù)學題等，爭分奪秒地刻苦學習。當年，盡管住得很差，校園設(shè)施也很差，但師資還比較好，尤其是大家的學習勁頭特別大。
我起初報的志愿是基礎(chǔ)類專業(yè)，被調(diào)劑到了華東石油學院的石油開發(fā)系工程專業(yè)。一開始，我覺得這不是我喜歡的專業(yè)。但我的性格是不管學什么，都不愿意示弱，所以學習很努力，成績也挺好。大學畢業(yè)后，學校要留我當老師，但我周圍好多同學都在備考研究生，對我觸動很大。因此盡管當時剩下的備考時間不多，強烈的自尊心還是迫使我報考了研究生。我本來報的是本校，最后機緣巧合之下，到西南石油學院（現(xiàn)西南石油大學）的力學教研室學了我喜歡的數(shù)理類專業(yè)。
1984年9月我通過了碩士學位論文答辯，10月離開西南石油學院。因為我是在有充足陽光的華北平原長大的，難以適應(yīng)四川的氣候，所以我回到華東石油學院開發(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科首批2名博士生之一。1990年，我被錄取為清華大學工程力學系博士后，1992年完成博士后研究并被晉升為清華大學固體力學副教授，之后又入職石油大學（北京），也就是今天的中國石油大學（北京）。從此，我好像“掉到井眼里再也出不來了”。我專心致志地從事油氣工程領(lǐng)域的教學和科研工作，并擔任學科負責人，積極帶領(lǐng)本學科創(chuàng)優(yōu)爭先，使其成為國家“雙一流”重點學科，從而備受國內(nèi)外關(guān)注。
記者：油氣勘探開發(fā)的新趨勢給人才培養(yǎng)提出了哪些新要求？
高德利：在“雙碳”目標下，油氣勘探開發(fā)的新趨勢給人才培養(yǎng)提出了更高的要求。從人類“入地、下?！钡母叨葋砜矗瑢碛蜌饪碧降姆秶碗y度都會增大，對專業(yè)人才的要求也會越來越高。
從事油氣工程這一行，首先肯定要在鉆探、開采、儲運等方面具備扎實的基礎(chǔ)知識。此外，這些專業(yè)人才還需要具有多學科交叉背景。過去，煤炭、石油、天然氣、冶金等領(lǐng)域往往各自“畫個圈”謀發(fā)展，以后越來越需要跨行業(yè)交叉融合，共謀發(fā)展，以達到互利共贏的目標。面對低碳綠色發(fā)展的大趨勢，能源領(lǐng)域越來越需要協(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)電進行開發(fā)利用，以確保綠色與安全高效生產(chǎn)。同時，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，新趨勢下，我們需要更有能力的有志青年來參與油氣勘探開發(fā)。當前，油氣領(lǐng)域發(fā)生了很多變化?，F(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)，越需要有志青年來推動發(fā)展，需要高水平人才和科技創(chuàng)新的支撐。來這個領(lǐng)域?qū)W習、成才、工作、貢獻，實際上是很有意思的人生之旅。
致青年科技人才
要成為一名科學家，必須從小養(yǎng)成良好的學習和生活習慣。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，要長期沿著一個你感興趣的專業(yè)領(lǐng)域與研究方向努力鉆研。大學階段用來打基礎(chǔ)，研究生階段就可以選擇一個具體的研究方向了。還要能夠繼續(xù)堅持，如果“一會兒做這個，一會兒又做那個”，很難做出原創(chuàng)性的、國際領(lǐng)先的學術(shù)成果。同時，良好的生活習慣有利于健康、學習和工作。
當然，科學技術(shù)創(chuàng)新有時候不能僅靠單槍匹馬，還需要團隊協(xié)作。尤其是對應(yīng)用科學創(chuàng)新、從事技術(shù)發(fā)明的研究人員來說，團隊精神越來越重要。實際上，很多技術(shù)都具有學科交叉特點，而非單一學科的科學問題。一個人總是有短板的，再厲害的科學家也有短板，只有通過團隊進行強強合作，才能夠把短板補上。如果不注重協(xié)同創(chuàng)新，不能形成一個配置合理的科研團隊，個人的短板就很難補齊，最終也會影響所追求目標的順利實現(xiàn)。
——高德利
（科技日報實習記者 駱香茹）
