井下控制工程学的建立发展及创新启示

苏义脑

（中国石油集团工程技术研究院有限公司）

石油和天然气是当今人类社会主要的能源和资源，在当前世界的能源结构中占比高达50%以上。在我国，石油工业是国民经济的支柱性产业，影响国计民生和国防安全。几十年来，油气资源勘探和开发的难度不断加大，“低、深、海、非”（低渗透、深层、海洋、非常规）日益成为重要的接替领域，同时对工程技术的发展提出了更高的要求。

钻井是油气资源勘探开发的基本手段。由于井下情况十分复杂，油气井工程是一个由多个施工环节构成的高难度、高投入、高风险和高技术的系统工程。回顾百年来世界钻井技术的发展历程，每一次重大进步，都离不开新概念的引入，离不开科技创新。特别是20世纪80年代以来，随着信息化的引入和计算机技术的应用，油气钻井工程愈来愈显示出高技术的特征和“六更”（更深、更快、更清洁、更便宜、更安全、更聪明）的发展趋势；我国的油气钻井技术正在经历着“三个转变”，即：（1）钻井工程的功能由构建一条传统意义上的油气通道向提高勘探成功率、油气采收率和降低“吨油成本”转变；（2）钻井技术由单一解决工程自身问题向解决“增储上产”问题转变；（3）中国钻井科研由主要跟踪国外向自主创新转变[1]。

1 井下控制工程学的提出与发展历程

忆往昔峥嵘岁月稠。1984—1987年，笔者在攻读博士学位和参加国家“七五”重点科技项目“定向井丛式井钻井技术研究”攻关期间，为了进一步提高井眼轨道的控制水平和质量，受工程控制论在导弹制导和航天测控中成功应用的启示，产生了把工程控制论引入石油钻井工程，实现航天制导与钻井轨道控制相结合的想法。当时基于这样的认识：油气井井眼轨道控制的3个角（即井斜角、方位角和工具面角）和航空器姿态控制的3个角（即俯仰角、偏航角和滚动角）一一对应，对它们的控制在科学的本质上是一致的。所以笔者在完成博士学位论文《用井下动力钻具钻井时若干力学问题的分析和定向井轨道预测控制的初步研究》答辩后，1988年6月，即带着要尝试探索新途径的想法进入了北京航空航天大学博士后流动站，师从我国著名航空力学专家黄克累教授。感谢北航宽松而又浓厚的学术氛围和黄先生的高度信任，在站的两年中，笔者除了完成国家“七五”重点科技项目专题“定向井井眼轨道控制理论与技术研究”的后续实验和结题任务及撰写专著《井斜控制理论与实践》之外，就集中精力学习航空航天控制知识，探索提出并致力开拓“井眼轨道制导控制理论与技术”这一新领域，寄希望于实现“井下闭环控制”和“用手段解决问题”。

大凡要开辟一个新的研究方向，特别是突破传统观念去开拓一个新领域时，所遭遇的压力是可想而知的。开始的路走得艰难而又谨慎，从问题性质的判断到新概念的引入或建立，从对新领域内涵的思索和界定到一系列研究课题的分解，从系统模型、方程、边界条件的推演和确定到某项专利方案的构思和设计，无不伴随着反复的徘徊、反思、自我诘问和自我验证，并且基本上是以“业余”方式进行和完成的[2]。尽管在1990年6月笔者从北航出站时已经建立了这一新领域的框架并完成了在这方面的第一个发明专利[3]，但是这一新方向还没有得到广泛的认同。1991年末，当从技术消息报道中发现国外一些同行也在或开始致力于这一方向的研究并也采用了“Closed Loop Control（闭环控制）”的思路和提法，笔者进一步坚定了继续前进的信心。直到1993年前后，在前几年探索工作的基础上，考虑到油气井各种工艺环境的共性及都存在控制问题的普遍性，笔者及研究团队又把研究对象从钻井轨道控制进一步扩展到各种井下工艺过程，把认识从对具体问题的研究提高到对理论与技术体系乃至于学科分支的考虑，于是产生了“井下控制工程学”这一提法。

随着时间的推移，这一新领域逐步获得较多同行专家和有关领导的理解和支持。1995年3月，笔者应邀在《中国科学报》上发表了《正在兴起的“井下控制工程学”》一文[4]；同年，“井眼轨道遥控技术研究”被立为中国石油天然气总公司的“九五”前沿技术攻关项目；1997年，中国石油工程学会钻井基础理论学组在讨论钻井专业学科方向时，第一次把“钻井控制工程”列为油气钻井工程的新分支。1999年，在多方努力下，“CGDS地质导向钻井系统研制”被列为中国石油天然气集团公司的科研项目，历经10年艰苦攻关，研发成功具有我国自主知识产权的“CGDS-1地质导向钻井系统”并实现了产业化，该成果荣获2009年度国家技术发明二等奖。2008年1月，“井下控制工程”被教育部公示为学位教育中“石油天然气工程”这个一级学科下新增的二级学科，获准独立招收硕士、博士生。笔者带领的这支集理论研究、技术开发和工程服务于一体的专业团队，已成为中国石油钻井工程技术研究院所属的专业研究所；几个相关高等院校也在开设井下控制方面的选修课程，有的院校也在组建相关的研究团队。进入21世纪以来，油气井下控制技术已成为国际石油工程中最具发展活力的热点之一；在我国，从油气钻井工程轨道控制为起点的这一新领域，也在向采油采气等相关专业扩展。

回顾井下控制工程学的提出与研究历程，大致可划分为3个阶段：第一个阶段（1988—1999年），是新领域的提出和理论奠基时期，以理论方法研究为主和以产品开发为辅（受立项和经费限制），而且主要是通过笔者指导研究生（硕士、博士和博士后）的方式和作为“副业”（当时笔者同时承担着“八五”和“九五”攻关任务）进行的；第二个阶段（1999—2010年），是以产品开发为主和以理论研究为辅，其标志是以“CGDS-1地质导向钻井系统”为代表的一系列井下控制系统和工具等高端技术与装备，以及为研发这些产品所开展的相关理论研究成果和专有技术；第三个阶段（2010年至今），是在前22年的基础上进行系统的理论总结和升华，去开发更多的创新产品并发展完善已有的理论体系。

2 井下控制工程学研究范畴及理论与技术创新

2.1 概念与研究范畴

油气井井下各个作业过程普遍存在控制问题。针对每一个控制问题，都可以研发一种或多种不同控制方式的控制工具或系统。这些均属于井下控制工程学的研究范畴，例如图1所示的钻井过程控制。

图1 钻井作业的井下控制分类示意图

井下控制工程学是用工程控制论的观点和方法，去研究和解决油气井井下工程控制问题的有关理论、技术手段的一个新学科分支；它是油气井工程井下工艺问题与工程控制论相结合的产物，是一个多学科的交叉应用技术领域；其特征可概括为“以井下为对象，以控制为目标，以力学为基础，以机械为主体，以流体为介质，以计算机为手段，以实验为依托”。其理论基础是井下系统动力学与控制信号分析理论及方法；技术基础为井下控制机构与系统设计学、井下参数采集与传输技术。

在应用基础理论与设计方法研究方面主要包括如下内容。

（1）井下系统动力学与控制信号分析方法研究：①井下系统（钻柱—内液柱—管外环空系统）的动力学模型；②井下系统在各种不同情况下的载荷性质和模型的初始、边界（井底、井壁状态）条件；③井下系统几种物理场（压力场、速度场、流速场、力场）的定量描述；④井下控制信号动态分析和稳定性评价方法；⑤井下控制信号的传输过程、传递函数和频谱特性分析；⑥井下实用控制信号的筛选。

（2）井下控制机构与系统设计学研究和井下参数采集与传输技术研究：①信号发生—传递—执行机构设计方法和原则；②各种实用控制信号的发生、传递、执行机构的设计和分析；③各种实用控制信号的发生、传递、执行机构的计算机仿真；④井下控制系统总体设计方法和设计原则；⑤不同控制信号的系统综合与模块化设计方法；⑥井下控制系统智能化基本算法和系统仿真；⑦井下控制系统的动态调试方法和技术评价；⑧各种控制信号的子系统（机构）的结构模块库与仿真软件库；⑨各种参数采集方法和装置（传感器）设计方法；⑩提高参数传输特性（频率与品质）的方法[5-8]。

井下控制工程的产品开发中，主要结合各种井下作业过程（如钻井、完井、试井、测井、采油、修井等）对控制的要求，研制所需的控制工具和系统。例如对钻井过程而言，目前主要是针对井眼轨迹的几何导向和地质导向，研制开发各种开环遥控型井下工具和闭环自控型的工具和仪器系统，并以此为基础向智能化的工具和系统发展。

实验室是上述理论研究和产品开发的依托基础。实验室应具备检验上述各种理论研究结果、确定关键结构尺寸、组装和统调实验样机等功能。由于油气井结构和工况的特殊性，需要研究相应的行之有效的实验方法，形成相关的技术标准和操作规程；还要根据实验要求，在必要的情况下，自行设计和开发特种实验装备。

产品开发是井下控制工程学研究的主要目的，而设计方法研究是产品开发的基础，井下系统动力学与控制信号分析方法研究又是设计方法的基础，实验室建设和实验研究则是开展理论基础研究、技术基础研究和产品开发的重要手段和依托（图2）。

图2 井下控制工程学4个研究部分之间的关系

2.2 理论创新

井下控制工程学的理论创新主要有4个方面：（1）率先开拓井眼轨道制导控制理论与技术新领域，将工程控制论和航天控制的基本思路和理念引入钻井工程（1988年），进而提出井下控制工程学（1993年），为油气井工程开辟了一个新的研究方向；（2）率先提出井下系统动力学，运用系统和流固耦合方法，把基于固体力学的管柱力学和基于流体力学的环空水力学统一起来，建立新的力学模型并求解，从而更全面和系统地反映油气井下各种作业过程的物理性质，以达到更好的控制效果；（3）率先提出井下控制中的一些新概念和定义，对井下控制的4类30种信号进行分析和归纳，给出具体的分析方法和原则，并探索了4种控制方法在井下应用的可行性和工程设计案例；（4）率先提出井下控制机构与系统设计学概念和模块化设计方法，建立井下控制机构库，分析研究了28种实用的井下控制机构的典型机械结构和内特性，可使缺乏相关理论基础和设计经验的人员借助机构库实现模块化设计，大幅度提升了新产品开发的可能性[9-11]。

2.3 技术创新

应用研究和产品开发实践的技术创新主要有3个方面：（1）系统阐明了3类18种井下参数的测量和3类5种信道的信息传输的物理特性，研究建立了提高信息传输速率和质量的方法与技术，并应用于自主研发的系统中；（2）自主开发了22种高端井下控制系统和工具，并在生产中得到应用，解决了外商对我国禁售或高价出售及高价工程技术服务的问题，经济和社会效益显著，提升了我国钻井工程技术在国际上的核心竞争力；（3）在课题研究和产品开发中形成了自主创新的20余种实验方法，研发成功7种实验装备，提升了自建的井下控制工程实验室的实验能力。

特别值得一提的是CGDS近钻头地质导向钻井系统（图3）。这是研究团队历经10年攻关、研发成功并实现产业化的高新井下测量和控制系统，被业内专家称为“我国钻井界的两弹一星”。近钻头地质导向钻井系统是国外在20世纪90年代中期推出的机电液一体化的高端工具系统，具有测量、传输和导向功能，能在几千米的井下追寻油气层，俗称“闻着油味儿走的航地导弹”，也被国外专家称为“21世纪的钻井新技术”和“衡量一个国家钻井水平的标志”，研制难度很大。在国外高度保密和技术封锁条件下，从1999年开始，科研团队克服多重困难，从基础研究做起，刻苦攻关，独立自主研制成功并实现产业化和规模工业化应用，取得显著经济效益和重大社会效益，使我国成为继美国、法国之后第三个掌握这一高端钻井技术的国家。该成果于2009年荣获国家技术发明奖，并被评为国家级优秀新产品，为提升我国钻井技术在国际上的核心竞争力做出了突出贡献。

图3 近钻头地质导向钻井系统

自1988年以来，笔者和研究团队在井下控制工程学方面从事基础性研究和开展技术攻关，在井下系统动力学研究、可控信号分析、井下控制系统与机构设计、前沿技术研发、实验方法研究和实验室建设等工作中取得了丰硕成果；开创石油工程中的一个新领域，形成一个新的二级学科（井下控制工程）；出版中、英文版专著11部，发表论文300余篇；与新著内容相关的国家级科技奖励6项（其中科技进步一等奖2项、二等奖3项，技术发明二等奖1项）、省部级科技奖励18项（其中特等奖2项、一等奖7项、二等奖5项）；授权国家专利155件（其中发明专利87件），中国石油天然气集团有限公司专有技术与院级技术秘密42项；具有自主知识产权的高新井下工具和仪器系统22项。

2.4 技术发展方向和趋势

当前，作为石油天然气工程中的一个新领域和一个新兴的学科分支，井下控制工程学正在向进一步的广度和深度发展，这是由当代科学技术的发展趋势、油气井井下控制问题的普遍性和相关工艺工程对控制技术的需求所决定的。

控制论改善了工程技术的功能，系统论提高了工程技术的整体性，信息论提升了工程技术的精度。以此为基础的计算机技术、工程力学与机械科学技术的交叉和融合，为油气井井下控制技术提供了强有力的技术保障，并展示出未来的技术发展方向和趋势：

（1）井下控制技术正在从钻井领域向其他井下工艺领域扩展应用，如完井、采油、测井、测试、井下作业和储层改造等；

（2）控制技术正在从单体工具或仪器向高度集成化、系统化和特殊作业化发展；

（3）控制系统正在向实时化、自动化和智能化方向发展；

（4）井下控制系统的工作特点正在向高性能指标（如高温、高压、大容量、高传输速率等）、高可靠性、长工作寿命和强适应性方向发展。

井下控制技术与油气勘探开发的结合将更加紧密，逐渐成为提高勘探发现率、开发采收率和单井产量的直接手段，目标是降低吨油成本[1]。

鉴于信息化、智能化、绿色化是当代科技发展的大趋势，提高井下控制技术水平是提高我国油气井工程整体水平的迫切需求，高端井下工具系统目前仍是我国石油装备的主要薄弱环节，这些都决定了井下控制工程学这一新兴学科具有强大的生命力和广阔的发展应用前景。

3 创新启示

深入认识井下控制工程学产生的技术与学术背景，感悟和认识技术创新的规律与方法，是非常必要和有益的。

3.1 学科交叉是科技创新的重要方式及突出特点

当代学科门类林立，这是科技高度发展的结果，它要求科技人员“术业有专攻”，可以促进科学研究向纵深发展，这是好的一个方面；但同时也会带来另一倾向，即相近学科门类之间的研究人员“不敢越雷池一步”，留下了不少的“空白地带”乏人问津，把原本是一个完整的自然领域分割开来，其结果又阻碍了科技的发展。因此，现代科技创新提倡学科交叉，我国博士后制度鼓励学科交叉，“井眼轨道制导控制理论与技术”和“井下控制工程学”的提出与建立就是笔者攻读博士和在博士后期间把“上天”和“入地”学科交叉的结果。

3.2 优秀的科技团队是科技创新的主体

井下控制工程是多学科交叉的新领域，井下控制工程学科技团队也是由多个专业（如油气钻井、工程力学、自动控制、机械工程、石油测井、流体传动、电子技术、信息测量、仪器仪表、计算机技术、工程物理等）的科研人员组成，他们有本专业的深厚造诣，又在团队中交叉融合，更重要的是具有强烈的爱国情怀和努力攀登科技高峰的进取精神，所以才能在新领域中取得多项国家级和省部级的重要科技成果。

3.3 坚持不懈是科技创新成功的保证

科技创新是对旧理论旧技术的改造和否定，需要有勇敢的创新精神，但同时也给创新者很大的心理压力和体力考验。因为科学研究和技术开发往往一个实验可能要重复千百次，一个工程节点问题可能要试验几天几夜。创新愈多，困难愈大，压力也愈大，创新者只有坚定信心，坚守信念，坚持前行，才有可能取得最终的成功。

3.4 转化和应用是科技创新成功的标准

并不是任意的改变就称得上是创新，只有经过大量的实践验证说明新技术优于旧技术，才能算是创新，只有形成新理论、新产品、新工艺、新材料乃至新学科、新产业，才是最成功的科技创新。

4 结束语

回顾井下控制工程学的提出和相关技术的发展过程，再一次说明了理论创新、技术创新的重要性、作用与价值。创新是一件很难的事情，它要求大胆和坚持。创新就是对旧物的否定或改造，在创新初期必然是“和者盖寡”，不要奢望“应者云集”，这是对创新者定力的考验。打破常规，大胆设想，严密求证，锲而不舍，攻坚克难，坚持前行，才有可能取得成功。创新要经受实践的检验，只有被实践证明正确才是创新。理论创新和技术创新最终要转化为生产力，才算完成创新。这应是笔者和团队成员的共识，并时刻以此自勉。

有理由可以预言，在需求引领和创新驱动下，通过不断努力，井下控制工程学这一新的学科分支必将日趋完善，井下控制技术也将成为有广阔应用前景的高新技术，对石油井下工程乃至勘探和开发，提供重要的技术支持和手段保证，从而产生重大的经济和社会效益，为提升我国石油工程技术的核心竞争力做出贡献。