为祖国加油 为民族争气
文/高妍 杨进平
实验室自主研发的主动螺旋式管道机器人
建国初期，我国石油工业基础薄弱，石油勘探开发技术及装备几乎全部依赖进口。随着国民经济的快速发展，特别是改革开放以来，国内油气供需矛盾日益突出，油气对外依存度逐年攀升。
为了缓解国内油气供需压力，上世纪初我国油气勘探开发已开始从内陆向偏远的沙漠、海洋转移，由浅层向复杂的深层、超深层推进，勘探领域的扩大对油气开发技术及装备提出了更高的要求。
然而，国外先进技术及装备长期对我国实行封锁，核心技术及装备仅提供服务，并不出售产品，且服务价格十分昂贵，严重制约了我国油气工业的发展。
为了促进复杂油气领域的勘探开发，保障国家油气供应，保证国家能源安全，在西南石油大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室、石油天然气装备教育部重点实验室、石油管力学和环境行为重点实验室、岩石破碎学与钻头研究实验室等的大力支持下，刘清友教授在1999年成立了油气装备现代设计与仿真实验室，旨在解决我国油气开发过程中的复杂杆、管、柱力学行为问题和核心装备研发技术，打破国外封锁，实现我国油气装备的国产化。
十几年来，实验室立足国家战略需求，围绕我国石油天然气装备领域科学发展和技术进步中的基础理论问题和应用技术问题，开展了一系列创新性研究工作，取得了多项令人瞩目的研究成果并实现应用，经济效益和社会效益显著。
铸造油气井的“脊梁”
油气井杆管柱好比人的“脊梁”，是连接地面和几千米井底的关键设备，易因纵、横、扭耦合振动而发生磨损、断裂等事故。随着油气资源勘探的发展，深井、超深井、水平井、大位移井等复杂结构井的管柱力学行为研究已成为研究焦点。
从上世纪80年代开始，刘清友教授就带领团队从事深井和复杂结构井杆管柱力学行为和安全可靠性基础理论研究工作。
在国家科技重大专项“低渗气藏完井整体优化技术”“深水油气井测试关键技术研究”，国家自然科学基金项目“基于气体钻井的钻井系统动力学特性研究”、“基于钻井系统动力学的井眼轨迹预测理论及控制方法研究”等项目的资助下，他们从系统动力学角度建立了深井管柱力学行为研究理论模型，取消了国内外多年来一直采用周期函数作为钻柱下端边界条件的假设，率先提出并建立了基于钻井系统动力学的井眼轨迹预测与控制理论。
同时，他们建立了包括深井注水、酸压、深水测试等在内的多套杆—管—柱动力学模型及设计方法，完善和发展了油气井杆管柱力学理论体系和研究方法，提高了我国深井和深海复杂结构井钻井的整体理论水平。
在对陆上复杂结构井杆管柱力学行为研究的基础上，2010年他们开始针对海洋深水钻井理论，尤其是深水、超深水钻井隔水管系统力学行为及安全控制技术这一世界难题开展研究工作。
通过多年的理论和实验研究，刘清友带领团队取得了丰硕成果：
在世界上首次提出基于海洋环境与钻井工况耦合作用下的隔水管理论分析方法与实验技术，发现了深水钻井隔水管的“三分之一效应”与“上下边界效应”，建立了深水、超深水钻井隔水管系统力学行为模型。
研制出了世界上第一套深水钻井隔水管力学行为分析实验系统。
根据深水、超深深水的海洋环境载荷及实际钻井工况，创立了相应的安全钻井技术体系，编写了《深水钻井隔水管安全操作指南》，并成功应用于“海洋石油981深水半潜式钻井平台”的施工作业。
系列研究成果先后获得国家科技进步特等奖、二等奖各1项，获省部级科技进步奖一等奖2项、三等奖1项。
研制石油装备“小巨人”
“钻头不到，油气不冒。”钻头好比入地的火箭，有石油装备“小巨人”的称号，其性能直接影响整个油气勘探开发的进程和效益。
1909年，世界上第一只牙轮钻头在美国问世。在大半个世纪的油气开发进程中，钻头设计的核心技术与方法，一直被国外垄断。
为了改变被动处境，在美国SMITH公司国际合作项目、国家科技重大专项和国家自然科学基金等10余项项目的资助下，刘清友教授带领实验室围绕深井岩石力学及破碎学和高速石油钻头设计分析等重要基础理论问题和关键技术开展了系统研究工作。
15年不舍昼夜，15年潜心钻研，15年持续攻关，终于迎来了从理论到技术到产品最终到应用的全面突破。
他们研制了世界上最先进的高压高温岩石可钻性实验测试系统，建立了基于深井快速钻井的钻柱—钻头—岩石互作用三维耦合振动系统动力学模型、牙轮钻头九自由度动力学模型，揭示了牙轮钻头破岩机理。
他们解决了含随机变量、离散变量与连续变量的非线性复杂力学模型的求解难题，开发出了具有自主知识产权的钻头与井底岩石互作用仿真软件，并转让到美国SMITH TOOLS公司在内的国内外知名钻头制造商。
他们创建了牙轮钻头破碎岩石的基础理论体系和优化设计方法，并最终研制出了盘式三牙轮钻头、高速牙轮钻头、金刚石-牙轮复合钻头等具有自主知识产权、市场竞争能力强的多种系列钻头。
他们的成功打破了少数国家在深井钻井提速技术和钻头上的多年垄断地位，而相关产品的应用，更为我国钻头制造企业和钻井公司创造经济效益近20亿元。
相关成果与钻柱系统动力学成果同获国家科技进步二等奖1项，四川省科技进步一等奖2项、二等奖1项。
开发非常规油气“利器”
2 0 0 8年7月29日，“250 0型压裂泵车”进行工业应用。
2013年3月19日，世界首台“3000HP压裂泵车”亮相。
它们，特别是“3000HP压裂泵车”的研制成功，填补了国内大型压裂装备的空白，极大地满足了我国非常规油气资源的规模化开发需求。这两项成果的研制过程中，刘清友教授及其带领的团队发挥了重要作用。
据了解，我国非常规油气资源储量巨大，但普遍埋深均在3000米以上，油气储层具有高压力、高应力、高热演化度等典型特征。而大型体积压裂是开发该类油气资源的关键技术。
刘清友教授介绍，为了解决大规模体积压裂核心技术及装备国产化难题，实验室与中石化石油工程机械有限公司第四机械厂开展了联合攻关，并在多年的努力下，突破了大功率压裂车、超高压管汇、压裂泵高强韧材料轻量化技术、大型集群控制等核心技术，实现了这两种类型压裂泵车的成功研制。
目前，相关产品已出口至俄罗斯、中东、亚洲等多个国家和地区，大大提升了我国大型油气装备的核心竞争力和国际影响力，获得了2015年国家科技进步二等奖。
同时，他们的探索没有放过在非常规油气资源中占有重要地位的页岩气。我国的页岩气资源虽然丰富，但却存在一个普遍问题：页岩气富集地区位处偏远山区且严重缺水，这严重影响了资源开发与利用。
为了解决这一难题，刘清友教授带领团队在国家973项目、国家自然科学基金重点项目等的支持下开展了一系列研究，不仅研制出了我国首台微小井眼连续管复合钻机，还形成了一套气体钻水平井的长水平段极限延伸能力计算、水平井气体携岩、井斜控制、预防钻具断裂失效等系列技术体系。
此外，刘清友教授还在国内首次提出智能钻井系统的概念，并根据水平井施工作业和油气长输管道的可靠检测需求，于2005年开始开展井下及管道机器人研究工作。
到目前为止，已研制出被动轮式螺旋管道机器人、螺旋履带式管道机器人、螺旋蠕动式管道机器人、主动螺旋式管道机器人、模块化管道机器人、液压蠕动式管道机器人六代样机。
他们开创性地提出了一种利用钻井机器人钻多分枝鱼骨径向微小井眼的页岩气储层钻完井和增产方法，采用自主研发的主动螺旋式管道机器人驱动微钻头，沿水平井径向钻出50米～200米的微小井眼阵列，再利用液体炸药进行燃爆，形成深入储层内部的裂缝网络，节约水资源，解决了超过4000米深层页岩难以实现体积改造的瓶颈问题，引起国内外广泛关注。
系列研究成果已申请国际专利4项、国内发明专利5项。
刘清友教授
十年磨一剑锻造石油装备尖兵
在16年的发展历程中，在刘清友教授的带领下，实验室已形成一套集基础理论研究、实验研究、新产品研制、产业化推广应用于一体的石油天然气装备及井下工具研发体系，成为中国油气开发装备领域的领军者之一。
他们先后承担、完成国家973重点基础研究项目、国家863计划项目、国家科技重大专项、国家自然科学基金等各类项目90余项；研究成果先后获得国家科技进步特等奖1项，国家科技进步二等奖2项，省部级科技进步奖11项；累计获得美国专利1项、国家发明专利40余项，申请国际专利13项，开发专用仿真软件8套，发表文章500余篇，撰写专著8部。
与丰硕成果相伴的，是一支知识结构、年龄结构、学历结构、职称结构及学缘结构合理的、高水平的、学术思想活跃的、一流科学研究创新团队的形成。团队现有专职研究人员28人，涵盖机械工程、石油工程、计算机科学、材料工程、电信工程、力学和数学等多个学科、专业。多年来，已培养硕、博士研究生100余名，博士后13名，历届毕业生已成为油气勘探及装备研发的骨干成员。
在锻造团队、培养人才、修炼“内功”的同时，刘清友也带领实验室积极与外部实验室、企业广泛合作，强强联合。比如他们在高速牙轮钻头领域的突破与应用，就是与宝石机械成都装备制造分公司通力合作的结晶，而“连续油管钻机”则是与四川宏华石油设备有限公司共同完成……
2009年5月，四川省石油化工装备产学研创新联盟隆重成立，该联盟由西南石油大学联合四川石油管理局钻采工艺技术研究院、四川石油管理局装备制造公司等9家四川省石油天然气装备龙头企业共同成立，旨在通过产学研合作，加速推进高校在石油及天然气装备制造领域的科技成果转化和产业化，进一步提升四川乃至全国在石油化工装备领域的技术水平。
这一联盟的成立，为刘清友教授和实验室提供了更广阔的平台与资源，更利于相关成果的加速转化应用。
到目前为止，他们自主研制了我国首台连续油管钻机、世界首台“3000HP压裂泵车”，主持及参加了盘式牙轮钻头、浮动套轴承高速牙轮钻头、金刚石-牙轮复合钻头、深井钻机、高性能振动筛、铁钻工、海洋修井机、高压井口装置、旋转防喷器、高压阀门、高性能封隔器、井下机器人等10多种新产品的研制。
每一项成果，都是从解决关键科学和技术问题出发，以成果工业、产业化为目标，已经先后在宝鸡石油机械有限责任公司、四川宏华石油装备制造公司、江汉石油钻头股份有限公司、中石化石油工程机械有限公司第四机械厂等2 0余家主要油气装备制造企业转化10多种、6 0多个系列的新产品和新技术，在中石油、中石化和中海油等所属的2 0余个国内油气田推广应用。产品远销中东、独联体、北美、苏丹等4 0个国家和地区，不仅打破了国外的技术垄断，推动了我国油气装备产业技术由国外引进向国内自主研发转变，引领了行业的转型升级，更使我国由石油装备进口国变成出口国，为我国石油装备制造业的发展作出了重要贡献。
“为祖国加油，为民族争气。”这并不是一句虚幻的口号，而是一个需要踏实践行，为之奋斗终身的铮铮誓言。刘清友教授和他所领导的油气装备现代设计与仿真实验室，正是这句誓言的忠实践行者。“不经一番寒彻骨，哪得梅花扑鼻香。”今天的成绩是靠艰苦奋斗一点点积累而来的，油气装备现代设计与仿真实验室将继续奋勇前行，为我国石油行业的发展培养精兵强将，为我国石油装备的腾飞铸造尖兵利器！