■本報記者 潘鋒
油氣井杆管柱是石油鑽採作業的脊梁和中樞神經。油氣井杆管柱力學主要研究鑽柱力學、井眼軌道控制、套管設計、有杆泵抽油系統等內容。對油氣井杆管柱進行系統全面、準確的力學分析, 可以實現快速、準確、經濟地控制油氣井的井眼軌道；準確地校核各種杆管柱的強度, 優化杆管柱設計；優化油氣井井眼軌道；及時、準確地診斷、發現和正確處理各類井下問題；優選鑽採設備和工作參數。
燕山大學石油工程研究所教授、博士生導師李子豐等在國家「八五」重點科技攻關項目「石油水平井鑽井成套技術」、國家「九五」重點科技攻關項目「側鑽水平井鑽井採油配套技術」、「863」計劃項目「旋轉導向鑽井系統整體方案設計及關鍵技術研究」和「海底大位移井鑽井技術」、國家自然科學基金項目「防止熱採井套管熱破壞的固井新技術」等支持下，在建立油氣井杆管柱力學理論體系研究方面取得多項重要創新性科學發現。
一、提出了油氣井杆管柱動力學基本方程, 該方程統一了原有的油氣井杆管柱力學分析領域的各種微分方程, 為油氣井杆管柱的各種動靜態力學分析奠定了基本理論基礎
應油氣田開發的迫切需要, 科學界自20世紀50年代以來針對油氣井杆管柱的某些特殊問題已進行了較廣泛、較深入的研究, 發表了數以百計的學術論文。特別是「七五」和「八五」期間國家組織的對定向叢式井和水平井的科技攻關, 使我國的油氣井杆管柱力學研究水平大大提高。但所有的研究工作都是基於某項特殊需要而進行的。對某些問題，如動力問題和幾何非線性問題研究較少。為此，需要對杆管柱動力學問題進行系統的研究, 建立統一的理論。
李子豐教授通過對油氣井杆管柱進行力學和運動分析，推導了用於對油氣井杆管柱進行各種力學分析的幾何方程、運動平衡方程和本構方程。由於油氣井杆管柱動力學基本方程統一了現有一切油氣井杆管柱力學分析的微分方程，現有的油氣井杆管柱力學分析的微分方程都可由該動力學基本方程通過適當簡化而得到，所以，該基本方程在石油鑽採工程界具有廣泛的應用。
二、建立了斜直井段杆管柱穩定性力學分析的數學模型，指出了「虛構力」理論的錯誤
石油工程中的鑽柱、套管柱、油管柱和抽油杆柱在井筒中工作時在某些井段經常處於壓扭狀態，發生正弦或螺旋屈曲。屈曲後，杆管柱內的應力急劇增加，與井壁的摩擦阻力增加，會發生自鎖現象，嚴重時可發生強度破壞。
李子豐教授從油氣井杆管柱動力學基本方程出發，推導了斜直井中受壓扭細長杆管柱幾何非線性屈曲的微分方程，建立了水平井段杆管柱穩定性力學分析的數學模型，分析了無重受壓扭圓杆管柱的螺旋屈曲,給出了螺旋屈曲管柱的力學分析方法。
通過對內外壓力對管柱穩定性的影響研究發現，(1)傳統的油井管柱穩定拉力或虛構拉力的計算公式是錯誤的；(2)內外壓力對懸掛油井管柱的穩定性沒有影響；(3)內外壓力本身對兩端固定的油井管柱的穩定性沒有影響，兩端固定後，內外壓力的變化對油井管柱的穩定性有影響；封固後管柱的等效軸向力與封固時管柱的軸向力、材料泊松比、內壓變化量、外壓變化量和內外管截面積有關；(4)對於兩端固定的油井管柱，內壓增加降低管柱的穩定性，外壓增加提高管柱的穩定性。
三、建立了油氣井杆管柱的穩態拉力——扭矩模型
在油井作業中, 由杆管柱和井壁接觸所產生的軸向阻力和扭矩損失對鑽採作業有很大的影響, 甚至成為作業成敗的關鍵。先進的拉力和扭矩模型, 尤其在與先進的地面扭矩、大鉤載荷、井底扭矩和鑽壓的測量儀器結合使用時可以實現如下目的: (1) 優選井眼軌跡, 使整個杆管柱的摩擦阻力和扭矩損失最小; (2) 選擇和校核地面設備, 優化杆管柱設計; (3) 監測井下問題; (4) 指導下套管作業; (5) 確定杆管柱與井壁的接觸壓力, 估計套管的磨損程度和鍵槽是否存在; (6) 決定是否改變泥漿性能; (7) 根據地面懸重計算鑽頭實際鑽壓。
李子豐教授依據油氣井杆管柱動力學基本方程, 建立了定向井、水平井杆管柱穩態拉力—扭矩模型，並在下列領域得到了成功的應用：（1）鑽柱強度分析和優選；（2）井下作業管柱力學分析；（3）井下巖屑床和其它複雜情況監測；（4）優選井眼軌道；（5）鑽柱和套管減磨設計等。
四、建立了試油管柱力學分析的數學模型
地層測試是油氣田勘探和開發的重要過程。在地層測試過程中，測試管柱在多種載荷的作用下，形成複雜的應力和應變，有時會引起管柱的屈服破壞、斷脫破壞或發生永久性的螺旋屈曲，造成較大的經濟損失。
李子豐教授根據地層測試作業過程，考慮井眼軌道、測試管柱的組成、井內流體的性能、管柱內外壓強、管柱與井壁的摩擦係數、地溫梯度、空氣溫度、油管溫度、測試閥的類型、封隔器的類型、封隔器的活塞效應、管柱螺旋失穩效應等參數，建立了測試管柱在整個作業階段的力學分析的數學模型，並用差分法求解，給出沿整個管柱的拉力、扭矩、應力、安全係數、穩定性、伸長等參數，並在西北油田、大慶油田等得到了成功的應用。
五、建立了壓裂管柱力學分析的數學模型
油層壓裂是重要的增產措施。壓裂管柱在管內外壓力、軸向力、彎矩、扭矩、溫度等因素的作用下，有時會引起屈服、斷脫破壞或發生永久性的螺旋屈曲，造成較大的經濟損失。
李子豐教授針對不同的壓裂方法，分別建立了下入過程、坐封過程、注入過程、解封和起出過程中管柱力學分析的數學模型，給出了強度校核方法，並在西北油田、大慶油田等得到了成功的應用。
六、建立了定向井有杆泵抽油系統動態參數監測與仿真的數學模型
在油田採油的人工舉升方式中, 有杆泵抽油系統的效益最高、最可靠、適應性最強、應用最廣泛。準確地了解有杆泵抽油系統運行時的各項動態參數對於防止各種機械事故、優選抽油設備和抽吸參數以及其它各種工藝措施是十分必要的。由於對抽油系統的動態力學參數了解不足，使得抽油過程中經常發生問題。因此，研究有杆泵抽油系統動態參數分析方法即診斷技術和預測技術具有非常重要的意義。
李子豐教授從油氣井杆管柱動力學基本方程出發，已經分別建立了有杆泵抽油系統井下動態參數診斷和預測的數學模型；其中斜直井有杆泵抽油系統診斷技術已獲得了較成功的應用。
七、改進了鑽柱縱向振動、扭轉振動、縱向與扭轉耦合振動的數學模型，發現以往防縱向振動數學模型的邊界條件錯誤是導致鑽鋌破壞的主要原因之一
在鑽井過程中，由於鑽頭牙齒間斷地與地層接觸或巖石的間歇破碎，導致鑽頭並帶動鑽柱振動。鑽柱振動按形式分為縱向振動、扭轉振動和橫向振動三類。產生振動的原因，一是鑽頭間歇破碎巖石所產生的軸向交變力和位移，二是鑽柱繞井眼中心的渦動。當鑽頭振動的頻率為鑽柱固有頻率的整數倍時，鑽柱將處於共振狀態。鑽柱內的交變應力和振幅相當大，導致鑽柱斷裂或粘扣。研究鑽柱的縱向振動對設計鑽柱、設計減振器和選擇合適的轉速有重要的指導意義。
李子豐教授從油氣井杆管柱動力學基本方程出發，已經建立了垂直井鑽柱縱向、扭轉振動及其耦合振動的數學模型，並初步用於防共振設計。發現以往防縱向振動數學模型的邊界條件錯誤是導致鑽鋌破壞的主要原因之一。大慶油田鑽井一公司在應用本項目成果之前鑽鋌斷裂頻繁，在應用本項目成果之後鑽鋌基本不斷裂了。該成果還應用到空氣鑽井鑽鋌防斷設計中。申請了減振-避振器專利。
八、建立了導向鑽具三維小撓度靜力學分析的數學模型
鑽直井時的防斜, 鑽定向叢式井、水平井時的按設計軌跡鑽進等都是鑽井工程的基本問題。為了解決這些技術問題, 首先要對下部鑽具組合的力學特性進行分析。下部鑽具組合力學分析應具有如下功能: (1)定量描述下部鑽具組合的受力和變形, 算出鑽頭與地層的作用力和轉角；(2) 確定穩定器與裸眼井壁或套管間的接觸位置和接觸力, 估計穩定器、套管的磨損率和井眼擴大率；(3) 計算下部鑽具組合中的應力, 確定危險斷面, 以便採取合適的措施；(4) 確定井下測量接頭軸線與井眼中心方向的偏差, 校正測斜數據；(5) 選擇下部鑽具組合和鑽進參數, 使鑽頭按設計方向鑽進。
李子豐教授從油氣井杆管柱動力學基本方程出發，已經推導出了下部（包含幾何導向和旋轉導向）鑽具三維小撓度靜力學分析、三維大撓度靜力學分析和三維小撓度動力學分析的數學模型, 並應用於定向井、水平井的井眼軌道預測、控制和工具研製中，取得了良好的效果。
九、建立了熱採井套管柱力學分析的數學模型並提出了預膨脹固井技術
注蒸汽採油是開採稠油時應用最廣泛、效益較高的方法之一。影響注蒸汽採油效益至關重要的因素是高溫在油井管柱內產生的熱應力，此應力可能使套管產生屈服變形或斷裂、注汽管柱發生屈曲。
李子豐教授從水蒸汽的熱力學性質入手，已經建立了井筒地層熱學計算的理論數學模型；結合現場實際，建立了井筒地層熱學計算的簡化數學模型；利用熱彈性力學理論，對套管和隔熱油管進行了力學分析，提出了預膨脹固井技術。
十、建立割縫膨脹篩管力學分析的數學模型
採油過程中, 為了減少流入井內的細砂, 經常採取防砂措施。遼河油田鑽採工藝研究院研製了一種割縫膨脹防砂篩管, 並取得了較好的應用效果；如果使用不當，會造成膨脹不成功、癟屈變形和無法起出等問題。
在具體分析膨脹篩管結構、安裝及卸出過程的基礎上, 李子豐教授建立了膨脹篩管膨脹過程、收縮過程力學分析的數學模型, 編寫了計算軟體, 與室內和現場試驗結果進行了對比。結果表明, 脹管拉力和拔管拉力的實測值與計算值符合性較好, 說明計算結果具有較高的可信度, 滿足工程需要。
十一、提出了可以成倍提高連續油管使用壽命的預彎曲連續油管技術
應用於石油與天然氣工程領域中的一種彎曲的連續油管。將連續油管制造成彎曲形狀，就可以降低連續油管在卷盤內和通過導軌時的彎曲應力，提高連續油管的使用壽命。例如，使連續油管在自然狀態下的曲率是連續油管導軌曲率的一半; 這樣，當這種連續油管卷在卷盤內時，其彎曲應力是直連續油管的一半； 在通過連續油管導軌時，其彎曲應力也是直連續油管的一半。將直連續油管在預定的曲率下，進行回火等處理，消除應力，就可得到這種預彎曲的連續油管。李子豐教授這一研究獲得了實用新型專利。
十二、否定了不均勻地應力與套管相互作用理論
很長時期，人們花很多精力和經費研究不均勻地應力對套管的作用。目前採用的蠕變地層與套管相互作用的力學模型存在理論上的錯誤，無法正確計算套管的外部擠壓載荷。
李子豐教授根據實際建井過程和力學原理，建立了正確的蠕變地層與套管相互作用的力學模型。如果地層不具有蠕變性，地應力不會作用在套管上；如果地層具有蠕變性，且持續時間比較長時，套管所受的外擠載荷為地層的上覆巖層壓力。現場檢測到的套管非軸對稱形變主要是由套管壁厚不均勻、材質不均勻、套管受到刮傷及套管一側黏土膨脹等因素所致，而不是地層的非均勻地應力造成的。
此外，上述理論還可應用於血管介入醫學中「血管—導管—導絲系統」的力學分析和安全性評估、微機械/納米管的力學分析和建築內穿線和換線作業的電纜、電線的力學分析。根據上述理論編制的計算機軟體，已經廣泛的應用於鑽井、完井、採油、測井等作業中；應用單位覆蓋中國石油天然氣集團公司、中國石油化工集團公司和中國海洋石油總公司下屬從事石油鑽井和採油的單位、美國Smith公司。
李子豐簡介
李子豐，1962年生，河北省遷安市人。1983年畢業於大慶石油學院鑽井工程專業；1986年獲該院石油機械工程專業碩士學位，師從陶景明、楊敏嘉、張少南教授；1992年於中國石油大學（北京）油氣井工程專業獲博士學位，師從劉希聖教授；1992年至1994年任哈爾濱工業大學力學博士後，師從黃文虎院士和馬興瑞教授；1994年至1997年任大慶石油學院副研究員；1997年至1998年任大慶石油學院研究員，大慶市政協常委；1999年至2002年任中國地質大學「211工程」特聘教授、博士生導師；2006年在美國路易斯安娜大學做訪問學者。
現任燕山大學石油工程研究所教授、博士生導師，兼任大慶石油學院客座教授、河北省學位委員會委員、石油鑽採工藝編委、石油鑽探技術編委、石油機械編委、SPE Drilling & Completion技術編輯、Journal of Canadian Petroleum Technology技術編輯、河北省石油學會理事、河北省振動工程學會理事、國家自然科學基金委員會項目評議人、《石油學報》和《工程力學》及《力學學報》等雜誌審稿專家、國家科學技術獎勵評審專家。
基於在油氣井杆管柱力學理論方面做出的貢獻，李子豐獲得1997年中國科學技術發展基金會孫越崎科技教育博士後獎和1998年黑龍江省青年科技獎；2008年被美國石油工程師協會(SPE)評為「Outstanding Technical Editor」（傑出技術編輯）；2009年被聘為國家科學技術獎勵評審專家；所著《油氣井杆管柱力學》獲1999年黑龍江省優秀著作一等獎；2008年，所著《油氣井杆管柱力學及應用》獲石油科技學術著作出版基金資助出版，「油氣井杆管柱動力學基本方程及應用」獲河北省自然科學獎三等獎。
到目前為止，李子豐已出版3部專著，發表了160多篇學術論文。其中在《石油學報》、《力學學報》、《工程力學》、《固體力學學報》等國內一級學報發表論文30多篇；在SPE Drilling & Completion、Journal of Canadian Petroleum Technology、Journal of Petroleum Science and Technology、Journal of Energy Resources and Technology 等國際一級學報發表學術論文9篇；60多篇被SCI和EI收錄。
《中國科學報》 (2014-01-01 第21版 55年形象)