劉榮

石油對(duì)于國(guó)民經(jīng)濟(jì)的重要，已經(jīng)不需再費(fèi)筆墨渲染。我國(guó)有眾多科學(xué)家活躍在保障石油供給的戰(zhàn)線上，或致力于勘探技術(shù)的開發(fā)，或?qū)Ｗ⒂阢@采技術(shù)的創(chuàng)新。燕山大學(xué)石油工程研究所教授李子豐，就是一位將青春和年華都奉獻(xiàn)給石油事業(yè)的代表之一。

這位出生于1962年的河北人，從本科到博士后出站，始終不曾脫離“石油”的標(biāo)簽，長(zhǎng)期致力于石油工程的教學(xué)與研究工作，將“促進(jìn)人類進(jìn)步事業(yè)，增強(qiáng)祖國(guó)經(jīng)濟(jì)實(shí)力，培養(yǎng)高級(jí)技術(shù)人才，服務(wù)石油工業(yè)建設(shè)”奉為人生準(zhǔn)則。

李子豐對(duì)我國(guó)石油事業(yè)的貢獻(xiàn)，除了培養(yǎng)大批專業(yè)人才外，不得不提的是他在“八五”、“九五”、863等國(guó)家重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目支持下所建立的油氣井桿管柱力學(xué)理論體系—主要包括鉆柱力學(xué)、井眼軌道控制、套管設(shè)計(jì)、有桿泵抽油系統(tǒng)等內(nèi)容。

他認(rèn)為，油氣井桿管柱就像人的脊柱，聯(lián)通井下與地面，能有效監(jiān)測(cè)井下情況，便于井下與地面信息傳遞，在石油鉆采中的重要作用不可忽視。而且油氣井桿管柱長(zhǎng)期在充滿流體的狹長(zhǎng)井筒內(nèi)工作，受各種力影響，變形和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)十分復(fù)雜。對(duì)井桿管柱進(jìn)行系統(tǒng)、準(zhǔn)確的力學(xué)分析，能快速、準(zhǔn)確、經(jīng)濟(jì)地控制和優(yōu)化井眼軌道，準(zhǔn)確校核各種桿管柱強(qiáng)度及診斷、處理各類井下問題，優(yōu)選鉆采設(shè)備和工作參數(shù)。

在這套理論中，李子豐對(duì)油氣井桿管柱的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、油氣井桿管柱力學(xué)基本方程及其在油氣井桿管柱的穩(wěn)態(tài)拉力和扭矩、下部鉆具三圍力學(xué)分析、鉆柱振動(dòng)、油氣井桿管柱的穩(wěn)定性、有桿泵抽油系統(tǒng)參數(shù)診斷和優(yōu)選等領(lǐng)域進(jìn)行了系統(tǒng)研究與分析，取得了多項(xiàng)重要?jiǎng)?chuàng)新發(fā)現(xiàn)，具有重要的理論指導(dǎo)意義和實(shí)用價(jià)值。

其中，李子豐通過對(duì)油氣井桿管柱進(jìn)行力學(xué)和運(yùn)動(dòng)分析，建立了油氣井桿管柱動(dòng)力學(xué)基本方程（下稱基本方程），在統(tǒng)一原有油氣井桿管柱力學(xué)分析領(lǐng)域各種微分方程的同時(shí)，也完善了油氣井桿管柱力學(xué)理論，為建立各種油氣井桿管柱力學(xué)分析數(shù)學(xué)模型奠定了理論基礎(chǔ)，在石油鉆采工程界得到了廣泛應(yīng)用。

據(jù)李子豐介紹，石油工程的鉆柱、套管柱、油管柱和抽油桿柱在井筒中工作時(shí)，某些井段常處于壓扭狀態(tài)，易發(fā)生正弦或螺旋屈曲。一旦出現(xiàn)屈曲，桿管柱內(nèi)的應(yīng)力將急劇上升，與井壁的摩擦阻力增強(qiáng)，從而發(fā)生自鎖現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使桿管柱遭到強(qiáng)烈破壞。

于是，他從基本方程出發(fā)，推導(dǎo)出了斜直井中受壓扭細(xì)長(zhǎng)桿管柱幾何非線性屈曲微分方程，建立了水平井段桿管柱穩(wěn)定性力學(xué)分析數(shù)學(xué)模型，并對(duì)無重受壓扭圓桿管柱的螺旋屈曲進(jìn)行了分析。值得一提的是，研究過程中，李子豐還指出了“虛構(gòu)力”理論的錯(cuò)誤之處，并對(duì)其進(jìn)行了修正。

此外，李子豐表示，在油井作業(yè)中，由井桿管柱和井壁接觸產(chǎn)生的軸向阻力和扭矩?fù)p失對(duì)鉆采作業(yè)有很大影響，甚至關(guān)系到成敗。他以基本方程為基礎(chǔ)，綜合考慮鉆柱的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、鉆井液的結(jié)構(gòu)力、粘滯力等因素，建立了油氣井桿管柱穩(wěn)態(tài)拉力—扭矩模型，在定向水平井鉆柱和套管柱設(shè)計(jì)中成功應(yīng)用。而其在研究中開發(fā)的計(jì)算機(jī)軟件，在確定鉆柱與井壁摩擦系數(shù)、預(yù)測(cè)和計(jì)算鉆柱受力狀態(tài)、優(yōu)選井眼剖面、校核鉆柱和井下巖屑床監(jiān)測(cè)等方面，也具有較高的實(shí)用價(jià)值。

在研究油氣井桿管柱力學(xué)理論體系過程中，李子豐還建立了多個(gè)數(shù)學(xué)模型，包括：

試油管柱力學(xué)分析數(shù)學(xué)模型—用差分法求解，給出管柱的拉力、扭矩、應(yīng)力、安全系數(shù)、穩(wěn)定性等參數(shù)，有效避免測(cè)試過程中，管柱屈服破壞、斷脫破壞等情況的發(fā)生，已在西北油田、大慶油田中成功應(yīng)用;

壓裂管柱力學(xué)分析數(shù)學(xué)模型—根據(jù)不同壓裂方法及下入、坐封、注入、解封等過程建立不同數(shù)學(xué)模型，并給出強(qiáng)度校核方法，成功在西北油田、大慶油田實(shí)踐;

定向井有桿泵抽油系統(tǒng)動(dòng)態(tài)參數(shù)監(jiān)測(cè)與仿真數(shù)學(xué)模型—為防止各種機(jī)械事故、優(yōu)選抽油設(shè)備和抽油參數(shù)及其他各種工藝措施提供了分析方法，為抽油工程提供了安全、可靠的診斷和預(yù)測(cè)技術(shù);

鉆柱縱向振動(dòng)、扭轉(zhuǎn)振動(dòng)、縱向與扭轉(zhuǎn)耦合振動(dòng)數(shù)學(xué)模型—指出原有防縱向振動(dòng)數(shù)學(xué)模型的邊界條件錯(cuò)誤，是導(dǎo)致鉆鋌破壞的主要原因，該模型在大慶油田應(yīng)用后，有效改善了鉆鋌頻繁斷裂問題，同時(shí)還被應(yīng)用于空氣鉆井鉆鋌防斷裂設(shè)計(jì)中，申請(qǐng)了減振—避震專利;

導(dǎo)向鉆具三維小撓度靜力學(xué)分析數(shù)學(xué)模型—能定量描述下部鉆具組合的受力和變形，算出鉆頭與地層的作用力和鉆頭轉(zhuǎn)角，選擇底部鉆具組合和鉆進(jìn)參數(shù)，使鉆頭按設(shè)計(jì)方向鉆進(jìn)，用加權(quán)余量法和最優(yōu)化方法對(duì)三維小撓度靜力分析數(shù)學(xué)模型求解，在定向井、水平井的井眼軌道預(yù)測(cè)、控制和工具研制中，取得了良好的應(yīng)用效果;

熱采井套管柱力學(xué)分析數(shù)學(xué)模型—利用熱彈性力學(xué)理論，對(duì)套管和隔熱油管進(jìn)行力學(xué)分析，并提出預(yù)膨脹固井技術(shù)，能有效避免油井管柱內(nèi)，因高溫產(chǎn)生的熱應(yīng)力導(dǎo)致套管屈服變形或斷裂等問題;

割縫膨脹篩管力學(xué)分析數(shù)學(xué)模型—對(duì)膨脹篩管膨脹過程、收縮過程力學(xué)進(jìn)行分析，有效避免因使用不當(dāng)造成的膨脹不成功、癟屈變形和無法起出等問題，經(jīng)過室內(nèi)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)對(duì)比，結(jié)果表明脹管拉力和拔管拉力的實(shí)際測(cè)值與計(jì)算值基本符合，能夠滿足工程需要。

除了以上數(shù)學(xué)模型，李子豐還創(chuàng)新性地提出了預(yù)彎曲連續(xù)油管技術(shù)，并獲得實(shí)用新型專利。借助該技術(shù)將連續(xù)油管制成彎曲狀，不僅能降低連續(xù)油管在卷盤內(nèi)和通過導(dǎo)軌時(shí)的彎曲應(yīng)力，還能成倍提高連續(xù)油管使用壽命。

對(duì)于原有理論的錯(cuò)誤，李子豐也一一大膽指出。研究中，他發(fā)現(xiàn)目前采用的蠕變地層與套管相互作用的力學(xué)模型，無法正確計(jì)算套管的外部擠壓載荷。于是，根據(jù)實(shí)際建井要求和力學(xué)原理，他對(duì)錯(cuò)誤理論進(jìn)行了修正，建立了新的力學(xué)模型。

關(guān)于油氣井桿管柱力學(xué)體系的研究，不但在理論上取得了創(chuàng)新成果，也為石油事業(yè)創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟(jì)利益。據(jù)此理論編制的計(jì)算機(jī)軟件，目前在中石油、中石化、中海油、美國(guó)Smith等公司的項(xiàng)目中得以運(yùn)用，范圍涵蓋鉆井、完井、采油、測(cè)井等領(lǐng)域，得到了國(guó)內(nèi)外石油工程界和力學(xué)界的一致好評(píng)。

李子豐將研究所得集結(jié)成書，出版了《油氣井桿管柱力學(xué)及應(yīng)用》、《油氣井桿管柱力學(xué)》等專著，獲得1999年黑龍江省優(yōu)秀著作一等獎(jiǎng)等獎(jiǎng)勵(lì)，得到多位高校石油專業(yè)教授的稱贊。他們認(rèn)為，這些專著解決了油氣井桿管柱力學(xué)中的許多基礎(chǔ)科學(xué)問題，促進(jìn)了相關(guān)學(xué)科的發(fā)展，為油氣鉆井和開采提供了高效、安全的理論指導(dǎo)，具有很高的學(xué)術(shù)水平和應(yīng)用價(jià)值。

多年來，李子豐在多種國(guó)內(nèi)外權(quán)威學(xué)術(shù)刊物上發(fā)表了120余篇學(xué)術(shù)論文，50余篇被SCI和EI收錄。由于在油氣井桿關(guān)注力學(xué)理論研究領(lǐng)域的突出貢獻(xiàn)，他獲得1997年中國(guó)科學(xué)技術(shù)發(fā)展基金會(huì)孫越崎科技教育基金教育獎(jiǎng)，以及1998年黑龍江省青年科技獎(jiǎng)等榮譽(yù)。

盡管已過知天命之年，但對(duì)李子豐而言，生命不息，對(duì)石油工程的研究不止，他將繼續(xù)帶著使命與責(zé)任，在中國(guó)石油工程研究和教育事業(yè)的道路上跋涉，獻(xiàn)計(jì)獻(xiàn)策！