方興未艾的井下控制工程學(xué)
——訪中國工程院院士、中國石油集團工程技術(shù)研究院蘇義腦教授

■ 本刊特約記者 王大銳

在CGDS地質(zhì)導(dǎo)向產(chǎn)品發(fā)布會上作產(chǎn)品介紹

油氣井工程是石油工業(yè)上游業(yè)務(wù)的重要組成部分，是一個集鉆井、完井（含固井）、測井、測試、采油和井下作業(yè)及增產(chǎn)改造等多個工藝環(huán)節(jié)、多學(xué)科和多專業(yè)交叉的技術(shù)領(lǐng)域，而井下控制工程學(xué)則是研究油氣井下控制問題和技術(shù)的新興學(xué)科分支。為讓讀者更深入地了解相關(guān)科技知識，我采訪了我國著名鉆井工程專家、中國工程院院士、中國石油集團工程技術(shù)研究院蘇義腦教授。

問： 井下控制工程學(xué)的產(chǎn)生背景與發(fā)展過程

答：井下控制工程學(xué)這一概念是我于1988年開始形成并在1993年前后正式提出的，至今也只有短短的20多年時間，其研究的主要對象是油氣井井下控制問題。它首先是從解決油氣鉆井的井眼軌道控制成功率和精度問題發(fā)端，而后發(fā)展迅速，逐步成為油氣鉆完井中的一個新領(lǐng)域。最近十多年來在其他井下專業(yè)方面也獲得了日益廣泛的應(yīng)用。

鉆直井技術(shù)一直在持續(xù)發(fā)展，重點在于“復(fù)雜地質(zhì)結(jié)構(gòu)”條件下的深井和超深直井。與20世紀(jì)初相比，油氣鉆井的地面裝備、井下工具、鉆井液等方面都發(fā)生了顯著的變化，而且從無到有建立了井眼軌道的測量、控制和油氣層保護(hù)、完井等技術(shù)環(huán)節(jié)，使鉆井工程形成了現(xiàn)代化的工程技術(shù)學(xué)科。

鉆井技術(shù)的每一次重大進(jìn)步都是其他學(xué)科和新技術(shù)引入并結(jié)合的結(jié)果?？紤]到鉆井軌道控制與飛行器的姿態(tài)和軌道控制方面的共性，以及工程控制論在導(dǎo)彈制導(dǎo)中的成功應(yīng)用，促使我產(chǎn)生了把工程控制論和飛行器制導(dǎo)技術(shù)引入油氣鉆井工程、從而另辟蹊徑以發(fā)展井眼軌道控制理論與技術(shù)的想法。在經(jīng)過一段時間的類比、分析和較深入的研究工作之后，1988年我提出 “井眼軌道制導(dǎo)控制理論與技術(shù)”這一新的研究方向，寄希望于“井下閉環(huán)控制”和“用手段解決問題”。在此基礎(chǔ)上，考慮到油氣井井下各種工藝過程中有關(guān)控制問題的共性，于1993年正式提出“井下控制工程學(xué)”這一新概念和學(xué)科框架。

問： 井下控制工程學(xué)的主要研究內(nèi)容

答：作為一個新的學(xué)科分支，井下控制工程學(xué)由以下四個基本部分組成：一是理論基礎(chǔ)，主要是研究井下系統(tǒng)動力學(xué)與控制信號分析理論及方法；二是技術(shù)基礎(chǔ)，針對井下控制機構(gòu)與系統(tǒng)設(shè)計學(xué)、井下參數(shù)采集與傳輸技術(shù)進(jìn)行攻關(guān)；三是產(chǎn)品開發(fā)，這一新的學(xué)科分支的應(yīng)用目標(biāo)是研制和開發(fā)不同井下作業(yè)過程所需要的各種控制工具和控制系統(tǒng)，以解決實際生產(chǎn)問題；四是實驗室建設(shè)和實驗方法，相應(yīng)的實驗室是井下控制工程學(xué)的依托和基礎(chǔ)。

問：井下控制工程學(xué)的性質(zhì)和目標(biāo)都有哪些？

答：井下控制工程學(xué)是用工程控制論的觀點和方法，去研究和解決油氣井井下工程控制問題的有關(guān)理論、技術(shù)手段的一個新學(xué)科分支。它是油氣井工程井下工藝問題與工程控制論相結(jié)合的產(chǎn)物，是一個多學(xué)科的交叉應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域。從工程性質(zhì)上看，它涉及到鉆井、完井、試井、測井、采油、修井等一切與油氣井井下工藝有關(guān)的施工作業(yè)過程；從控制方式上看，它涉及到開環(huán)遙控和井下閉環(huán)自控。

油氣井的特殊結(jié)構(gòu)和井下的惡劣工況決定了井下控制問題的難度、復(fù)雜性和特點。因此，也決定了井下控制工程學(xué)這一分支學(xué)科的研究性質(zhì)：它是一個理論性和實踐性都很突出的多學(xué)科交叉的應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域。多專業(yè)多學(xué)科的交叉是其主要特點，可概括歸納為：“以井下為對象，以控制為目標(biāo)，以力學(xué)為基礎(chǔ)，以機械為主體，以流體為介質(zhì)，以計算機為手段，以實驗為依托。”

研究井下控制工程學(xué)的目的是從理論上認(rèn)清井下控制問題的物理性質(zhì)和控制過程的基本規(guī)律，從實踐上開發(fā)和提供行之有效的控制系統(tǒng)、工藝和手段，從技術(shù)和經(jīng)濟上最優(yōu)地解決有關(guān)工程問題。

這一新的學(xué)科分支的應(yīng)用目標(biāo)是要研制和開發(fā)不同井下作業(yè)過程所需要的各種控制工具和控制系統(tǒng)，以解決實際生產(chǎn)問題。機電液一體化往往是這種井下控制系統(tǒng)的基本特征，它是井下控制機構(gòu)設(shè)計學(xué)的綜合應(yīng)用。由于產(chǎn)品開發(fā)的多樣性和實用性，決定了井下控制工程這一分支必將具有針對性很強的專業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域，能產(chǎn)生重大的經(jīng)濟效益和社會效益，并有望以此為基礎(chǔ)形成一種新的高技術(shù)產(chǎn)業(yè)。

在實驗室與科研人員討論

在現(xiàn)場與油田技術(shù)人員交流

問： 主要研究進(jìn)展和技術(shù)發(fā)展趨勢

答：自1988年以來，我?guī)ьI(lǐng)研究團隊在井下控制工程學(xué)方面從事基礎(chǔ)性研究和開展技術(shù)攻關(guān)，在井下系統(tǒng)動力學(xué)研究、可控信號分析、井下控制系統(tǒng)與機構(gòu)設(shè)計、前沿技術(shù)研發(fā)、實驗方法研究和實驗室建設(shè)等工作中取得若干成果和進(jìn)展。主要包括：一是研究確定了井眼軌道控制系統(tǒng)的性質(zhì)。二是研究了可用于井下控制的多種信號，提出了一些新的概念和方法。三是提出了井下系統(tǒng)動力學(xué)的概念和研究方法，以此作為井下控制系統(tǒng)分析和建模的理論基礎(chǔ)。另外，還開展了信息傳輸通道和信息傳輸規(guī)律的理論研究和實驗研究；井眼軌道遙控系統(tǒng)和自動控制系統(tǒng)的目標(biāo)、基本結(jié)構(gòu)與設(shè)計原則的研究；提出了井下控制系統(tǒng)和機構(gòu)設(shè)計學(xué)的概念和模塊化設(shè)計方法；開展了井下若干工程參數(shù)和地質(zhì)參數(shù)的測量研究；開展了井下無線短傳技術(shù)的研究與開發(fā)，從模型建立到實用技術(shù)并應(yīng)用于工具系統(tǒng)等等。

在上述應(yīng)用基礎(chǔ)理論、設(shè)計方法研究和實驗室建設(shè)的基礎(chǔ)上，我和研究團隊進(jìn)一步致力于井下控制工具和系統(tǒng)的研發(fā)工作，例如：遙控可變徑穩(wěn)定器，CGMWD正脈沖無線隨鉆測量系統(tǒng)，CGDS近鉆頭地質(zhì)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)，PWD隨鉆壓力測量系統(tǒng)，無線電磁波隨鉆測量系統(tǒng)，連續(xù)無線隨鉆測量系統(tǒng)，自動垂直鉆井系統(tǒng)，旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)，工程用LWD隨鉆測量系統(tǒng)，SWD隨鉆地震系統(tǒng)，中子孔隙度測量工具，遙控分層配采系統(tǒng)，等等。這些具有自主知識產(chǎn)權(quán)的控制工具和系統(tǒng)，獲得多項國家發(fā)明專利，其中一部分已經(jīng)產(chǎn)業(yè)化并工業(yè)化規(guī)模應(yīng)用，取得顯著的技術(shù)效果和經(jīng)濟效益，一部分正在由樣機向產(chǎn)品轉(zhuǎn)化。這些科研成果和產(chǎn)品提升了我國在鉆井高端控制工具和和儀器方面的核心競爭力，具有廣闊的應(yīng)用前景和社會效益，同時豐富和擴展了井下控制工程學(xué)的技術(shù)內(nèi)涵和應(yīng)用范圍（例如遙控分層配采系統(tǒng)的研發(fā)成功標(biāo)志著這一技術(shù)思想由鉆井?dāng)U展到采油）。

20多年來，井下控制工程學(xué)這一新分支學(xué)科日益得到國內(nèi)業(yè)界專家學(xué)者的認(rèn)可，1997年被列為我國油氣鉆井專業(yè)的新分支；2008年被國家教育部列為學(xué)位教育中“石油天然氣工程”這個一級學(xué)科下新增的二級學(xué)科，批準(zhǔn)招收碩士、博士生。我們這一個集理論研究、技術(shù)開發(fā)和工程服務(wù)于一體的專業(yè)團隊，已成為中國石油鉆井工程技術(shù)研究院所屬的專業(yè)研究所，相關(guān)高等院校也在開設(shè)井下控制方面的選修課程，有的院校也在組建相關(guān)的研究團隊，這一切為井下控制工程學(xué)的未來發(fā)展提供了組織和人才保證。

井下控制工程學(xué)未來的技術(shù)發(fā)展方向和趨勢是：井下控制技術(shù)正在從鉆井領(lǐng)域向其它井下工藝領(lǐng)域擴展應(yīng)用，如完井、采油、測井、測試、井下作業(yè)和儲層改造等；控制技術(shù)正在從單體工具或儀器向高度集成化、系統(tǒng)化和特殊作業(yè)化發(fā)展；控制系統(tǒng)正在向?qū)崟r化、自動化和智能化方向發(fā)展；井下控制系統(tǒng)的工作特點正在向高性能指標(biāo)（如高溫、高壓、大容量、高傳輸速率等）、高可靠性、長工作壽命和強適應(yīng)性方向發(fā)展；井下控制技術(shù)與油氣勘探開發(fā)的結(jié)合將更加緊密，逐漸成為提高勘探發(fā)現(xiàn)率、開發(fā)采收率和單井產(chǎn)量的直接手段，目標(biāo)是降低噸油成本。