劉榮

石油對于國民經(jīng)濟的重要，已經(jīng)不需再費筆墨渲染。我國有眾多科學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”的標簽，長期致力于石油工程的教學與研究工作，將“促進人類進步事業(yè)，增強祖國經(jīng)濟實力，培養(yǎng)高級技術(shù)人才，服務(wù)石油工業(yè)建設(shè)”奉為人生準則。

李子豐對我國石油事業(yè)的貢獻，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等國家重點科技攻關(guān)項目支持下所建立的油氣井桿管柱力學理論體系—主要包括鉆柱力學、井眼軌道控制、套管設(shè)計、有桿泵抽油系統(tǒng)等內(nèi)容。

他認為，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期在充滿流體的狹長井筒內(nèi)工作，受各種力影響，變形和運動狀態(tài)十分復雜。對井桿管柱進行系統(tǒng)、準確的力學分析，能快速、準確、經(jīng)濟地控制和優(yōu)化井眼軌道，準確校核各種桿管柱強度及診斷、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，李子豐對油氣井桿管柱的運動狀態(tài)、油氣井桿管柱力學基本方程及其在油氣井桿管柱的穩(wěn)態(tài)拉力和扭矩、下部鉆具三圍力學分析、鉆柱振動、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)域進行了系統(tǒng)研究與分析，取得了多項重要創(chuàng)新發(fā)現(xiàn)，具有重要的理論指導意義和實用價值。

其中，李子豐通過對油氣井桿管柱進行力學和運動分析，建立了油氣井桿管柱動力學基本方程（下稱基本方程），在統(tǒng)一原有油氣井桿管柱力學分析領(lǐng)域各種微分方程的同時，也完善了油氣井桿管柱力學理論，為建立各種油氣井桿管柱力學分析數(shù)學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，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，從而發(fā)生自鎖現(xiàn)象，嚴重時會使桿管柱遭到強烈破壞。

于是，他從基本方程出發(fā)，推導出了斜直井中受壓扭細長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)定性力學分析數(shù)學模型，并對無重受壓扭圓桿管柱的螺旋屈曲進行了分析。值得一提的是，研究過程中，李子豐還指出了“虛構(gòu)力”理論的錯誤之處，并對其進行了修正。

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損失對鉆采作業(yè)有很大影響，甚至關(guān)系到成敗。他以基本方程為基礎(chǔ)，綜合考慮鉆柱的運動狀態(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)計中成功應(yīng)用。而其在研究中開發(fā)的計算機軟件，在確定鉆柱與井壁摩擦系數(shù)、預(yù)測和計算鉆柱受力狀態(tài)、優(yōu)選井眼剖面、校核鉆柱和井下巖屑床監(jiān)測等方面，也具有較高的實用價值。

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

試油管柱力學分析數(shù)學模型—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;

壓裂管柱力學分析數(shù)學模型—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)學模型，并給出強度校核方法，成功在西北油田、大慶油田實踐;

定向井有桿泵抽油系統(tǒng)動態(tài)參數(shù)監(jiān)測與仿真數(shù)學模型—為防止各種機械事故、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)測技術(shù);

鉆柱縱向振動、扭轉(zhuǎn)振動、縱向與扭轉(zhuǎn)耦合振動數(shù)學模型—指出原有防縱向振動數(shù)學模型的邊界條件錯誤，是導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，同時還被應(yīng)用于空氣鉆井鉆鋌防斷裂設(shè)計中，申請了減振—避震專利;

導向鉆具三維小撓度靜力學分析數(shù)學模型—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參數(shù)，使鉆頭按設(shè)計方向鉆進，用加權(quán)余量法和最優(yōu)化方法對三維小撓度靜力分析數(shù)學模型求解，在定向井、水平井的井眼軌道預(yù)測、控制和工具研制中，取得了良好的應(yīng)用效果;

熱采井套管柱力學分析數(shù)學模型—利用熱彈性力學理論，對套管和隔熱油管進行力學分析，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)力導致套管屈服變形或斷裂等問題;

割縫膨脹篩管力學分析數(shù)學模型—對膨脹篩管膨脹過程、收縮過程力學進行分析，有效避免因使用不當造成的膨脹不成功、癟屈變形和無法起出等問題，經(jīng)過室內(nèi)和現(xiàn)場試驗對比，結(jié)果表明脹管拉力和拔管拉力的實際測值與計算值基本符合，能夠滿足工程需要。

除了以上數(shù)學模型，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)和通過導軌時的彎曲應(yīng)力，還能成倍提高連續(xù)油管使用壽命。

對于原有理論的錯誤，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模型，無法正確計算套管的外部擠壓載荷。于是，根據(jù)實際建井要求和力學原理，他對錯誤理論進行了修正，建立了新的力學模型。

關(guān)于油氣井桿管柱力學體系的研究，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)濟利益。據(jù)此理論編制的計算機軟件，目前在中石油、中石化、中海油、美國Smith等公司的項目中得以運用，范圍涵蓋鉆井、完井、采油、測井等領(lǐng)域，得到了國內(nèi)外石油工程界和力學界的一致好評。

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

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

盡管已過知天命之年，但對李子豐而言，生命不息，對石油工程的研究不止，他將繼續(xù)帶著使命與責任，在中國石油工程研究和教育事業(yè)的道路上跋涉，獻計獻策！