“把科研论文写在实验室和井场上”——访中国工程院院士、油气钻井工程专家苏义脑

□ 文/唐大麟

记者：苏院士您好，我们都知道您曾经创立过一门二级学科——井下控制工程学。您当时怎么会想到让地下钻井技术与天上制导技术相结合？

苏义脑：1984——1987年，我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。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、偏航角和滚转角）一一对应，对它们的控制在科学的本质上是一致的。所以，我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。在站两年中，我除了完成国家“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”。

苏义脑院士在井场亲自操作指导

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。尽管在1990年6月我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，但是这一新方向还没有得到广泛认同。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，我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，我和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，我应邀在《中国科学报》上发表了《正在兴起的“井下控制工程学”》一文；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“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”列为油气钻井工程新分支；1999年，在多方努力下，“C GDS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2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。我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，目前也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。

记者：作为油气钻井技术国家工程实验室的首任实验室主任和现任学术委员会主任，请您为我们介绍一下该实验室目前运行情况，以及其在攻关尖端工程技术、保障国家能源安全中发挥了哪些作用？

苏义脑：油气钻井技术国家工程实验室（简称“实验室”）成立于2008年。作为首届实验室主任和现任学术委员会主任，我亲自主持和参加了该实验室的策划、申请、筹建、运行和发展的全过程。实验室以服务于我国石油工业发展的总体战略为宗旨，以为油气勘探开发提供强有力的钻井工程技术支撑为使命，以建设我国油气钻井技术国家队为定位，以开展重大的、全局性的、关键性的钻井技术为己任，以解决生产主战场上的技术难题并赶超世界先进水平为目标，在各级主管部门的指导和支持下，10多年来，走出了一条不断探索和持续创新的发展之路。同时，这个实验室还是“强强联合”的产物。它集中了中国石油、中国石化、中国海油3大石油公司和国内6所石油大学的钻井科技力量，共同探讨中国石油工业钻井技术发展路径；实验室整合了中国石油钻井工程重点实验室和钻井工程技术试验基地，以中国石油钻井工程技术研究院（现名为工程技术研究院）为依托单位和主体实验室，以6家油田和钻探公司作为试验基地，形成了分布于研究院所和多所大学的17个研究室，研究方向涵盖了当代油气钻井技术等多个领域。实验室围绕国内油气钻井面临的关键技术和迫切需求，开展井下控制工程、复杂深井超深井、深水钻井等关键技术研发，研制相关装备、工具、仪器、材料、技术及配套应用工艺，为提高油气单井产量和采收率奠定技术基础，为工程技术创新发展提供必要保障。同时，我们立足于自主创新，针对油气工程技术领域重大技术需求难题，研发了一批具有独立知识产权的油气钻井高新技术，特别是井下控制技术、连续管装备与作业技术、高性能钻井液技术、精细控压钻井技术等，打破了国外技术垄断，争取了新形势下油气勘探开发的主动权，为国内实现安全、优质、高效钻井提供了强有力的技术支撑。

本着“需求引领，创新驱动，工艺牵头，装备先行”发展理念，实验室以加强基础研究、立足前沿攻关、部署储备课题、解决现场急需为工作方针，群策群力。截至2020年，实验室共承担国家和省部级项目463项，获国家和省部级科技奖励189项，获授权发明专利432件，形成了包括院士、专家、教授为主力的900余人的攻关团队，把科研论文写在了实验室和井场上，为提升我国油气钻井技术的竞争力做出了贡献。

记者：作为中国工程院能源与矿业工程学部负责人，您对当下备受瞩目的“双碳”目标推进有何建议？

苏义脑：2020年9月，习近平主席在联合国一般性辩论会上提出“力争在2030年前实现碳达峰，努力争取在2060年前实现碳中和。”这是中国对世界的庄严承诺，表明了中国政府和人民构建人类命运共同体、控制全球CO2排放和气候变化、走绿色发展道路的决心和信心。

作为中国工程院能源与矿业工程学部的一名院士，我参与组织并参加了“碳达峰与碳中和路径选择战略研究”、“双碳”目标下的能源战略、建设能源强国等多个项目的研究，我和院士、专家团队也积累了一些粗浅的认识和思考。

“条条大路通罗马”，说的是要达到一个目标，有多条路径可供选择，但最优的路径应该只有一条。对我国要实现碳达峰与碳中和，无疑是要选择一条代价最小的路径，因为这是一场深刻的能源、科技、经济乃至于社会革命，必然存在着很多矛盾和困难，所以代价最小的路径才是最优路径。

在“双碳”目标下的能源战略研究中，我认为其指导思想应是：立足国情，安全发展，科学创新，务求实效。也就是说，首先我们要认清国情，我国目前的能源结构是以化石能源为主体，以2019年数据为例，我国化石能源占比84.7%，非化石能源占比15.3%，其中煤炭占比57.7%，油气占比28%；我国的碳汇能力是12亿吨，其中80%来自于森林，这就是国情；第二，我国还是发展中国家，经济要发展，能源需求要增加，能源安全就是国家安全；第三，要依靠科技创新，用科学态度去创新，要做到“四可”，即科学原理上是可能的，技术经济上是可行的，工程实践上是可操作的，长远发展是可持续的；第四，路径选择和方案设计要落到实处，真正见到实效，力戒空谈。

对实现碳达峰和碳中和这一问题的认识可概括为五句话，即：能源消费是核心，产业结构调整是关键，化石能源是重点，节能提效是抓手，现代能源体系建设是目标。这是因为，CO2的排放重点在于能源消费，据统计2020年全球能源CO2排放量约占总排放量的87%，我国能源活动排放的CO2约98.9亿吨，约为美国的2.2倍，欧盟的3.9倍，因为我国的能源结构是以化石能源尤其是煤炭为主。这里有几个数据可供参考：1吨煤炭燃烧放出的CO2为2.66吨，以相同热值单位计算，天然气的CO2排放量设为1，则石油是1.24，煤炭为1.54，所以说只有控制好能源结构和消费比例，才能控制住排放总量。要合理控制消费和排放比例，就必须进行产业结构调整（包括增加碳汇），在这方面国家有很多相关的数据，也有对策和部署。必须把煤炭、油气等化石能源作为重点，减少其在消费侧的占比，积极发展非化石能源。要把节能提效作为基本国策。我国目前的能源强度距世界平均水平尚有较大差距，以相同GTP为考核标准，我们的能耗是世界平均水平的1.5倍，CO2的排放量是其1.8倍，因为我们的能源结构是以煤炭为主。但也说明我们还有很大的进步空间。有专家测算，以2018年我国能源消费总量46.8亿吨标准煤为例，如果我们能把能源强度变为1即达到国际平均水平，我国可减少消耗14亿吨标准煤，减少34亿吨的CO2排放，这是非常可观的数字，远高于我国当前的碳汇量！由此可以体会到提效的重大意义和巨大作用。但是怎样才能提效？只有通过科技创新和管理创新才能实现，这是摆在各行各业面前的重大课题。另外节能也非常重要，我国目前存在着严重的能源浪费，应当在全社会树立“节能是第一能源”的理念，号召“人人节能”“全民节能”；从理念、政策、法规、管理和科技创新方面入手，切实做好节能，节能本身就是减排。

最终我们要建立起具有中国特色的现代能源体系。这一能源体系的特征是什么？可概括为八个“化”字：化石能源清洁化，非化石能源低碳化，新能源的多元化、规模化和本地化，多种能源综合化，终端能源消费的再电气化和能源系统智慧化。

参考国际上的相关经验，和我们专家团队的研究结果，有一点结论是比较明确的，那就是：减煤、稳油、增气，大力发展可再生能源。当前乃至今后一段时期内，要切实抓好煤炭的清洁化利用工作。化石能源没有原罪，不能一概斥之为“非清洁能源”，通过科技创新把它用好用清洁，它就是清洁能源。根据我们的研究结果，到2060年，我国对石油的年需求量约为2.8亿-3亿吨，仍大于我国目前的原油产量（2021年国产原油1.9898亿吨）；天然气的年需求量约为3500亿立方米，仍大于我国当前的天然气产量（2021年国产2053亿立方米），而且由于天然气的碳排放显著低于煤炭，它是减煤过程中的最切实可靠的替代能源，在实现碳中和的过程中，我国的天然气年需求量可能会高达6500亿立方米；所以从这个意义上说，以及石油的战略物资属性和金融属性，油气工业绝不会是“夕阳产业”。要抓好以新能源为主体的新型电力系统规划和建设，要做好CCUS科技攻关和示范工程，形成新的碳汇和转化利用。到了一定时期，煤炭、石油会回归物资属性，并作为后备能源起到安全保障作用。

我国现在是能源大国，但还不是能源强国。我们的目标是建设能源强国。什么是能源强国？对其内涵和特征，我个人的理解是：能源应用规模巨大（供应和消费量居国际前列）、供应安全（对外依存度低，来源有保证且应变能力强）、结构合理（非化石能源占比高）、清洁低碳（特征）、技术先进（指标好）和体系现代（智慧化）。我们学部院士们形成的共识是：持续推进能源革命，构建现代能源体系，科学实现“碳达峰、碳中和”目标、建设低碳能源强国，支撑绿色永续发展。

我们相信，在习近平总书记提出的能源“四革一合”方针指引下，在党中央的坚强领导下，发挥举国体制和机制优势，本着科学态度，通过科技创新，我们会找到最优路径和规划方案，以坚持不懈、积极稳妥的努力实施推进，实现“2030年前碳达峰和2060年前碳中和”，把我国由能源大国建设成能源强国。

记者：您主持设计和研制的导向螺杆钻具，现在已成为全国水平井攻关中不可或缺的主要工具；您领衔研发的地质导向钻井技术打破了国外的技术封锁与垄断，被誉为钻井技术中的“两弹一星”，在我国钻井技术发展史中具有里程碑意义。这些成绩的取得，您认为得益于什么？

苏义脑：我2003年当选中国工程院院士以后，曾有一个记者来采访我，他一见面就给我提了一个问题：“作为一名成功人士，请谈谈成功的秘诀是什么？”我说首先声明我不是成功人士，您如果让我谈工作的体会那我可以谈一些。记得当时我谈了三点体会：进步的起点在于追求；发展的关键在于创新；成功的秘诀在于坚持。当年地质导向钻井技术研究成功以后，课题组开总结会时我总结了四个字：用心、坚持。就是无论做什么事都要用心，用心搞研究，用心带队伍，用心做布局。而创新是一件很难的事情，它要求大胆和坚持。创新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。只有打破常规，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。这也是我和团队成员的共识，并时刻以此自勉。毛主席在《抗日游击战争的战略问题》中曾说过这样一句话：“有利的情况和主动的恢复，产生于‘再坚持一下’的努力之中。”我对这句话的印象和体会都太深了。从我父亲去世时考大学开始，到历时10年研究地质导向钻井技术时遇到的种种阻碍，这几十年一路走来，每当遇到非常艰难的情况，我就想到再咬咬牙，再坚持一下。很多时候我都是自己默默书写蒲松龄的那幅对联勉励自己：“有志者，事竟成，破釜沉舟，百二秦关终属楚；苦心人，天不负，卧薪尝胆，三千越甲可吞吴”。而地质导向钻井技术等研究实践也证明，任何成绩的取得都来自于锲而不舍的坚持。

记者：您心目中的石油科学家精神是什么？

苏义脑：国家提倡的科学家精神是12个字：“爱国、创新、求实、奉献、协同、育人。”我觉得如果要讲石油科学家精神，再加上两句话就够了：“我为祖国献石油”“把论文写在井场上”。