《中國石油企業(yè)》：院士訪談丨李根生：為我國深層和非常規(guī)油氣資源高效鉆完井提供理論與技術支撐
發(fā)布時間:2023-02-23 | 來源：《中國石油企業(yè)》 | 瀏覽量：
記者：李院士您好,，作為我國鉆井領域第一個973計劃的首席科學家,，請您介紹一下該項目立項研究的背景是什么？取得了哪些成績,？對我國鉆井工業(yè)產(chǎn)生了怎樣的影響,、發(fā)揮了怎樣的作用,？
李根生：973計劃是老一輩科學家向國家建議發(fā)起的一項具有明確國家目標,、對國家發(fā)展和科技進步具有全局性和帶動性作用的基礎研究發(fā)展計劃,，旨在解決國家戰(zhàn)略需求中的重大科學問題，以及對人類認識世界將會起到重要作用的科學前沿性問題,，它對提升我國基礎研究自主創(chuàng)新能力、國民經(jīng)濟和社會可持續(xù)發(fā)展提供了科學基礎,，為未來高新技術的形成提供了源頭創(chuàng)新,。過去，鉆井普遍被認為偏工程技術,，其基礎研究該如何開展,？這對于我們而言一開始也是個挑戰(zhàn)。在此之前,，油氣領域已有相關專家在做前期研究工作了,，所以我很幸運能在他們研究基礎上開展工作,。當時我們依托中國石油和教育部，由中國石油大學（北京）牽頭,，聯(lián)合中國科學院,、中國石油、中國石化,、中國石油大學（華東）和西南石油大學6家單位一起,，承擔了“深井復雜地層安全高效鉆井基礎研究”這個研究項目。之所以要開展這項研究,，是因為我們認識到深層油氣資源已成為我國油氣資源戰(zhàn)略接替的重要領域,，加快深層油氣勘探開發(fā)已成為保障國家能源安全的重大需求，而鉆井是油氣資源勘探開發(fā)必不可少的關鍵環(huán)節(jié)和手段,。由于我國深部地質條件的復雜性和特殊性,，深層安全高效鉆井面臨前所未有的技術挑戰(zhàn)，國外沒有可借鑒經(jīng)驗,。因此,，亟需開展深井復雜地層安全高效鉆井基礎研究，為我國深井復雜地層安全高效鉆井提供理論基礎和科學依據(jù),。
該項目研究歷時5年,，我們在地層巖體力學特征識別、破巖機理與方法,、壓力系統(tǒng)與井眼穩(wěn)定,、風險控制機制等基礎科學問題上取得了突破，形成了一系列創(chuàng)新成果,?？偨Y起來，它在我國鉆井工業(yè)發(fā)展中主要發(fā)揮了四方面作用：一是形成了深井復雜地層巖體力學特征預測與識別理論,；二是形成了深井復雜地層鉆進過程的控制理論及方法,；三是建立了深井復雜地層鉆井設計平臺和風險調控機制；四是建立了一套風險預測,、評估和控制的模型方法,。本項目在研究過程中共發(fā)表SCI/EI論文234篇，授權國家發(fā)明專利49項,，申請PCT專利2項,；登記國家計算機軟件著作權9項；形成企業(yè)技術規(guī)范1項,，成果編入國家標準《石油天然氣鉆井工程術語》和《鉆井手冊》,，獲國家級和省部級科技獎勵9項，同時我們以該項目為平臺，也培養(yǎng)了一批優(yōu)秀人才,?？傊槍Α皬碗s深層油氣資源勘探開發(fā)”這一國家重大戰(zhàn)略問題,，我們通過研究,，系統(tǒng)回答了深井復雜地層安全高效鉆井的巖體力學特征識別與表征方法、鉆井載荷與井眼圍巖作用機理,、鉆井設計平臺與風險控制機制等三個關鍵科學問題并取得突破,，建立了深井復雜地層安全高效鉆井的理論體系，為我國陸上和海外深井復雜地層安全高效鉆井提供了科學決策依據(jù),。同時,，也建立了國內一流綜合性深井鉆井基礎研究平臺和研究團隊，為深井超深井鉆井研究的持續(xù)開展奠定了基礎,。在理論突破的基礎上,，直接帶動了一批相關鉆井技術的產(chǎn)出，促進了相關學科基礎理論的發(fā)展,，顯著提高了我國鉆井技術的自主創(chuàng)新能力和核心競爭力,。
記者：作為重組中的油氣資源與工程全國重點實驗室主任，請您介紹一下該實驗室的建設情況,。
李根生：油氣資源與工程全國重點實驗室,，是依托油氣資源與探測國家重點實驗室重組的實體化實驗室。油氣資源與探測國家重點實驗室是2007年經(jīng)科技部批準建設成立的,，2010年評估為“良好”,，2015年進入“爭優(yōu)考察行列”。我是2016年開始擔任實驗室主任的,，賈承造院士是學術委員會主任,。目前，“雙碳”背景下的油氣資源綠色智能勘探開發(fā),，是國家重大戰(zhàn)略需求,，深層、深水,、非常規(guī)等復雜油氣已成為我國重要戰(zhàn)略接續(xù)資源,，但其地質環(huán)境與工程條件極為復雜，勘探開發(fā)面臨前所未有的挑戰(zhàn),。地質-工程多學科交叉,、一體化智能化是實現(xiàn)增儲上產(chǎn)、提質增效和綠色低碳發(fā)展的重要途徑,，也是國內外油氣行業(yè)發(fā)展的必然趨勢。
油氣資源與工程全國重點實驗室重組后,，將以“油氣資源與智能工程”為主攻任務開展應用基礎研究工作,，聚焦“非常規(guī)油氣資源與工程”,，貫通油氣成藏、油氣探測,、油氣井工程,、油氣藏開發(fā)、清潔地質能源等油氣上游技術鏈,，構建地質-工程一體化協(xié)同機制和油氣人工智能生態(tài),，重點圍繞非常規(guī)油氣地質-工程一體化、智能油氣工程與智慧油氣藏,、清潔地質資源與碳封存利用等方向,，打造國家戰(zhàn)略科技力量，致力于取得原始理論創(chuàng)新與技術突破,。目前實驗室擁有16萬平方米的獨立物理空間,，是油氣領域重大科研儀器自主研發(fā)的重要基地，具備行業(yè)領先的開放通用實驗平臺,。油氣資源與探測國家重點實驗室于2021年4月設為獨立二級實體單位,，實施“主任負責制”，具有人財物自主管理權,。我們創(chuàng)新了矩陣式多學科交叉科研組織模式,，與中國石油、中國石化,、中國海油等簽署了戰(zhàn)略合作協(xié)議,，共建“產(chǎn)學研”創(chuàng)新聯(lián)合體，推動科技成果快速落地轉化,，為保障國家能源安全和實現(xiàn)“雙碳”目標提供戰(zhàn)略支撐,。我們匯聚了一批本領域杰出領軍人才和中青年科學家，這股力量應該說是我國石油工業(yè)上中游科技研發(fā)的領頭團隊之一,。目前,，我們正聚焦油氣增儲上產(chǎn)、提質增效的重大科技難題,，聚焦多學科交叉協(xié)同創(chuàng)新,，并已成為本領域重要的原始理論策源地、國家重大科技任務組織和戰(zhàn)略咨詢的主導力量,，形成了深井/復雜結構井鉆井,、非常規(guī)油氣增產(chǎn)等12項標志性成果，并以第一完成單位獲國家科技獎勵8項,，為保障國家油氣安全做出了實質性貢獻,。
記者：您當前關注的研究領域是什么？
李根生：我現(xiàn)在關注的研究領域，應該說也是我們國家重點實驗室重組后下一步發(fā)展的主要目標和方向,，主要有三個：第一個還是我們傳統(tǒng)專業(yè)方向——新型水射流鉆井完井,，這是在地質-工程一體化背景下持續(xù)深入研究進行的。在這種情況下,，我們創(chuàng)新發(fā)展高壓水射流徑向水平井鉆井技術,，對致密油氣、頁巖油氣,、煤層氣這些非常規(guī)油氣的增產(chǎn)增效將有非常廣闊的前景,。第二個關注點是智能鉆完井，這種基于大數(shù)據(jù)和人工智能等前沿技術的智能鉆井技術,，未來有望實現(xiàn)鉆井過程的超前探測,、智能導向、閉環(huán)控制和智能決策,，從而大幅提高油氣井產(chǎn)量和采收率,，降低鉆井成本，為實現(xiàn)石油行業(yè)數(shù)字化轉型和智能化發(fā)展,，以及為我國復雜油氣資源高效勘探開發(fā)和油氣發(fā)展戰(zhàn)略提供技術支撐,。2018年12月，我們學校在全國能源高校里面已率先成立了人工智能學院,，2020年12月,，我們又發(fā)起成立了油氣人工智能產(chǎn)學研創(chuàng)新聯(lián)盟，現(xiàn)在都發(fā)展得很好,。我們主持承擔了國家重點研發(fā)計劃“變革性技術關鍵科學問題”重點專項的第一個智能鉆井項目——“復雜油氣智能鉆井理論與方法”,，將有望為復雜油氣高效安全鉆井探索變革性技術理論和方法。在人才培養(yǎng)方面,，第一屆學生已經(jīng)畢業(yè),，實現(xiàn)了“產(chǎn)、學,、研,、用”的深度融合。第三個關注點是“雙碳”與清潔能源發(fā)展,，包括CCUS,、地熱、干熱巖等,。我們依托油氣資源與探測國家重點實驗室,，在2017年成立了地熱研究中心，2021年9月我們學校成立了碳中和未來技術學院和碳中和示范性能源學院,，同年12月成立了碳捕集利用與封存研究中心（簡稱CCUS中心）,，同時也申請成功了我國地熱領域首個高等學校學科創(chuàng)新引智基地項目“深部地熱資源開發(fā)基礎研究”和國家自然科學基金重大項目“干熱巖地熱資源開采機理與方法”,。這樣在將來學科發(fā)展上，我們一方面會繼續(xù)保持在石油與天然氣工程,、地質資源與地質工程等學科上的優(yōu)勢,，另一方面也將拓展在人工智能、地熱,、CCUS等領域的發(fā)展空間。這三個關注點都和我的本行鉆井完井有關系,。我現(xiàn)在做的更多的是戰(zhàn)略研究,、頂層設計和組織推動方面的工作，大量具體工作還得靠我們這個領域里的教授,，以及年輕的優(yōu)秀教師來完成,。
記者：能源界一直都很關注地熱特別是干熱巖地熱發(fā)展，能否請您談談這方面研究情況,？
李根生：地熱能作為一種重要的清潔可再生能源,，具有低碳環(huán)保、穩(wěn)定高效等特點,，與風能,、太陽能等能源相比，不受季節(jié),、氣候,、晝夜等外界因素干擾，發(fā)電利用效率達73%,，約為太陽能的5.2倍,、風能的3.5倍，是一種現(xiàn)實并具有競爭力的新能源,。地熱能主要包含水熱型（含水）和干熱巖型（不含/少含水）兩類,，目前我國地熱能開發(fā)仍以水熱型為主。我國中低溫地熱直接利用技術居世界首位,，而高溫干熱巖地熱開發(fā)尚處于起步探索階段,。干熱巖是指埋深位于3000米-10000米、溫度高于180攝氏度,、含有少量或不含水的低滲巖體,。我國干熱巖地熱能儲量豐富，據(jù)預測其資源量高達2.52×1025焦,，合856萬億噸標煤,，約占世界資源總量的1/6。其中,，3000米-10000米深干熱巖資源約為150萬億噸標煤,，為我國化石能源總量的80倍,。按萬分之二資源開采量計算，3000米-10000米干熱巖地熱能即可貢獻“碳中和”減排目標的17.7%,，開發(fā)潛力巨大,。實現(xiàn)干熱巖地熱能的高效開發(fā)利用，對于改善我國能源結構,、減少溫室氣體排放和控制環(huán)境污染具有重大意義,。
目前我們主要使用增強型地熱系統(tǒng)（Enhanced Geothermal Systems，簡稱EGS）作為干熱巖開發(fā)的主要手段,。即首先在干熱巖鉆出注入井和生產(chǎn)井,，然后通過水力壓裂等方法在高溫地層中人工造儲，形成裂縫網(wǎng)絡溝通注入井和生產(chǎn)井,，之后循環(huán)工質取熱,，進行發(fā)電和綜合利用。干熱巖EGS已成為國際能源領域的研究熱點,，美,、英、日,、法,、德等相繼實施了多個EGS地熱項目，但尚未規(guī)?；瘧?。從1974年全球首個干熱巖EGS示范工程至今，世界范圍內已陸續(xù)開展了60余項EGS開發(fā)示范項目,，其中仍在運行及在建的有29個,，法國Soultz是目前公認的商業(yè)化運行最為成功的EGS工程。近幾年,，美國能源部可再生能源辦公室資助了多個EGS示范項目,，2015年正式啟動了全球最大的干熱巖示范項目——“地熱能研究前沿瞭望臺”（FORGE）計劃，致力于EGS現(xiàn)場應用,、鉆完井技術測試等前沿研究,，這說明干熱巖資源的優(yōu)越性和EGS開發(fā)的可行性得到了國際認可。我國干熱巖地熱資源分布廣泛,，但研究起步較晚,。近年來在藏南、滇西,、川西,、東南沿海等地區(qū)相繼取得了勘探突破，并已開始著手建立首個干熱巖EGS示范工程,。2012年初,，在中科院組織起草的《科技發(fā)展新態(tài)勢與面向2020年的戰(zhàn)略選擇》報告中,，“深層地熱能將成為主要可再生能源之一”被列入其中，成為“十二五”和“十三五”期間著重突破的重大科技問題之一,。同年,，國家863計劃啟動了“干熱巖熱能開發(fā)與綜合利用關鍵技術研究”項目。2013年,，制定了《全國干熱巖勘查與開發(fā)示范實施方案》,，在青藏高原、東南沿海,、華北平原和松遼盆地開展了干熱巖資源調查,，初步擬定了我國干熱巖地熱勘察開發(fā)的關鍵技術體系。2016年開始實施“全國地熱資源調查評價與勘查示范工程”,，先后在青海共和、海南瓊北,、福建漳州等地區(qū)鉆遇優(yōu)質干熱巖體,，干熱巖資源潛力得到驗證。然而,，根據(jù)國際地熱協(xié)會（IGA）數(shù)據(jù),，截至2021年，全球累計地熱發(fā)電裝機容量為15.85GW,，而中國地熱發(fā)電能力約為45.46MW,，占比僅為0.29%，排世界第18位,。因此,，我們亟需研究形成干熱巖高效鉆采與調控技術，以推動我國深層高溫地熱開發(fā)利用進程,。為此,，2021年國家自然科學基金委啟動了由我校牽頭的地熱領域首個重大項目“干熱巖地熱資源開采機理與方法”，旨在借鑒油氣行業(yè)成熟的鉆采理論和技術,，超前部署,，開展多學科交叉和綜合性研究，提升我國干熱巖地熱基礎研究的源頭創(chuàng)新能力,。
在研究中我們發(fā)現(xiàn),，相比于油氣和中低溫地熱儲層，干熱巖儲層地質條件復雜,，具有典型的“四高”特征,，即：高溫度，其溫度高于180攝氏度,，美國大部分干熱巖儲層溫度基本都在200攝氏度以上,，美國Geysers及冰島EGS示范項目部分儲層甚至高達400攝氏度,；高硬度，干熱巖資源主要賦存于高溫堅硬的花崗巖和變質巖中,，埋深大部分超過3000米,，部分地層巖石單軸抗壓強度在200兆帕以上，可鉆性達10級,，研磨性極強,；高應力，因構造運動活躍,，最大水平主應力當量鉆井液密度超過2.8克/立方厘米,，是常規(guī)泥頁巖的2倍以上；高致密,，地層巖石密度大,、孔隙度和滲透率極低。上述復雜地質條件,，使得干熱巖地熱開采在鉆井建井,、壓裂造儲和流動取熱等關鍵環(huán)節(jié)面臨重大難題和技術挑戰(zhàn)。形成上述挑戰(zhàn)的客觀原因是地層環(huán)境異常復雜,，但其根本原因是干熱巖開采基礎理論缺乏,，且國內外無成熟經(jīng)驗可借鑒。針對干熱巖開采中面臨的建井,、造儲和取熱三大挑戰(zhàn),，我們項目研究團隊正在以“巖體表征-鉆井建井-壓裂造儲-流動取熱-集成調控”為主體思路進行五方面的基礎理論攻關研究，力爭早日為干熱巖地熱經(jīng)濟高效開發(fā)奠定理論基礎,，推動國家能源轉型和綠色低碳高質量發(fā)展,。
記者：回顧您求學以來的經(jīng)歷，是否有非常難忘的人或事,？
李根生：我永遠也忘不了我的恩師沈忠厚院士對我的栽培與指導,。我1983年大學畢業(yè)后，有幸考取了沈老師的碩士研究生,，師從他學習高壓水射流新技術,。畢業(yè)后，我留校在射流研究中心給他當助手,。1994年,，我又考取了他的博士研究生，畢業(yè)后繼續(xù)留在他身邊工作,。多年來,，沈院士高尚寬厚的品德修養(yǎng)、科學嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度,、實事求是的工作作風,、誨人不倦的師德風范都深深影響和教育著我,。
在工作中，沈老師是大家的良師益友,，他帶領我們所從事研究的高壓水射流技術,，是70年代初在國外發(fā)展起來的是一門多學科交叉滲透的新技術，基礎理論涉及力學,、材料,、機械等眾多學科。多年來,，沈老師一直教導我們科學研究要重視基礎理論,，腳踏實地、堅持不懈,，即從理論研究入手,，提出新思想新觀點，理論上取得突破,，然后再進入設計實驗,，推廣應用，轉化成生產(chǎn)力,，一項成果往往需要經(jīng)過七八年甚至更長時間的艱苦努力。沈老師的第一代,、第二代,、第三代鉆頭和處理地層、徑向水平井鉆井新技術等一批有影響的成果,，都是這樣艱苦攻關研究出來的,。他經(jīng)常教導我們，搞科研要有點傻勁,、韌勁,，而好高騖遠、投機取巧,、急功近利,、急于求成、走捷徑者是不會取得最后成功的,。他經(jīng)常引用馬克思的一段話來勉勵我們：在科學上是沒有平坦的大道可走的,，只有不畏艱險勇于攀登的人才有希望到達光輝的頂點。
在學習上,，沈老師是我們的榜樣,。“書山有路勤為徑，學海無涯苦作舟”,，這是沈老師經(jīng)常勉勵我們的話,。他是這么教育我們的,，也是這么身體力行的。我至今仍對1987年暑假的一件事記憶猶新,，當時已年近60歲的他,，冒著酷暑和我們一幫二十幾歲的小伙子一起在徐州的中國礦業(yè)大學參加英語培訓班，練習口語,、背誦單詞,，給我們年輕人做出了極好的榜樣。1991年2月到8月,，63歲的沈老師帶著我東渡日本,，在當時日本水射流學會會長、后來的國際水射流協(xié)會主席,、著名水射流專家小林陵二教授的實驗室考察研究水射流技術,。半年的研修，沈教授抓緊點滴時間,，早出晚歸,，沉浸在圖書館、實驗室,，完成了5篇學術論文,。他這種刻苦學習和努力鉆研的精神不僅給我，也給日本同行留下了深刻的印象,。
在為人上,，沈老師是我們的慈父與益友，我們團隊就像個大家庭,，他既是我們學習工作上的導師,，也是我們?yōu)槿颂幨赖膸熼L。他不僅指導我們工作學習,，而且教我們如何做人,。他經(jīng)常教導我們：一個人僅僅能干是不夠的，還要有遠大的志向和抱負,，要講奉獻,，淡泊名利，甘于寂寞,。要求我們要“登山”,，不要“下海”,。教育我們要依靠集體,，團結協(xié)作，以誠待人。他常說,，在今天的科技發(fā)展中,，一個人單槍匹馬很難有大作為，發(fā)揮集體優(yōu)勢,，不同年齡,、專業(yè)、層次人員團結協(xié)作,、取長補短,，在團隊中往往更能充分體現(xiàn)個人的價值。他認為團隊中,，老教授高瞻遠矚,、思想深邃，中年老師年富力強,、承上啟下,，年輕人思維敏銳、精力充沛,，接受新知識快,。大家結合在一起工作，依托學校,、學科,、重點實驗室平臺的支撐，必然能發(fā)展壯大,。他所說的這一切,，都讓我受益終身。
記者：作為校園里成長起來的院士,，在疫情環(huán)境下,，您認為石油學子應該如何度過寶貴的校園時光,？
李根生：大學校園應該是一片蘊育知識文化和學習本領技能的沃土,，同時也應該是鍛造思想和打磨智慧的殿堂，校園里的學習生活本就該擁有一個靜謐的文化氛圍和學習環(huán)境,，疫情的到來從客觀上創(chuàng)造出了這樣一種安靜的氛圍和環(huán)境,。我認為在當前疫情環(huán)境下，無論學校還是學生,，首先都還是要科學理性地認識疫情帶來的復雜性和國家根據(jù)國情制定的疫情防控政策,。在這方面，學校和老師要跟學生多宣傳,、多引導,、多交流。同學們也要積極地支持、配合和適應這樣的疫情防控環(huán)境,，我們大家都要隨時做好線下線上教學與學習方式轉換的準備,。這對學生而言其實也是一種鍛煉，可以培養(yǎng)和提升大家適應在各種復雜環(huán)境和條件下完成學習任務的能力,。當然,，疫情也對我們的正常學習造成了影響，比如開展實驗,，以及與校外的學術交流,，這對學校和團隊的組織保障能力提出了挑戰(zhàn)。我們實驗室團隊這方面做的還是不錯的,，我們在落實疫情防控要求的同時,，也在多措并舉減少疫情對教學和科研的影響。所以,，如果這幾年同學能夠在這種相對封閉的環(huán)境中靜下心來學習的話,，我相信大家的收獲肯定是會非常大的。
記者：您如何定義石油科學家精神,？
李根生：我還真關注和考慮過這個問題,，去年中辦、國辦印發(fā)了《關于進一步弘揚科學家精神,，加強作風和學風建設的意見》,，總結起來科學家要有“愛國、創(chuàng)新,、求實,、奉獻、協(xié)同,、育人”的精神,。作為一名石油高校出身的科研工作者，結合我在實際工作中的體會,，我覺得石油科學家首先要“愛國奉獻”,，其次要“求實創(chuàng)新”，另外還需要“科教融合,、協(xié)同育人”,。中國石油大學的校歌是《我為祖國獻石油》，作為一名黃大年式教師團隊成員和油氣能源領域科技工作者,，我覺得最需要堅持的是愛國奉獻,、求實創(chuàng)新、協(xié)同育人的科學家精神,，樹立“能源強國,、能源報國”“為國家分憂、為民族爭氣”的理想，以實際行動,，踐行“學好石油,，熱愛石油，獻身石油”,，讓“我為祖國獻石油”的夢想熠熠生輝,。
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（編輯 李昕陽）
