刘清友的“钻头人生”

四川日报 2020-12-08 06:26 大字

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●从国产化钻头研发，到解决世界级难题——深海钻井管柱安全问题，刘清友突破了我国在石油钻井装备领域诸多“卡脖子”技术，成为我国石油机械领域的学科带头人之一。

●目前，国内最复杂难钻的钻头，90%都采用了刘清友团队研发的技术生产。这套技术打破了美国的垄断，出口到美国、加拿大、俄罗斯等30多个国家，2009年，他因此获得国家科技进步奖二等奖。

上世纪70年代，重庆开县（今开州区）南雅镇，一个地质队的到来，打破了山坳里的平静。他们白天出门钻井找石油，晚上借住在一户刘姓人家。谁也不承想到，这样一段简单的接触，在刘家老三、年仅10岁的刘清友心中埋下了种子。

转眼40多年过去。11月，北京钓鱼台国宾馆，55岁的刘清友和钟南山、樊锦诗一道，登上了我国社会力量创立的最大科学奖励基金——何梁何利基金的领奖台。

凭借过去几十年在石油钻头及装备的理论、实验、产品及应用研究杰出的成就和贡献，刘清友作为今年能源资源领域唯一一人，获得何梁何利基金2020年度“科学与技术进步奖”。

头发斑白，穿着朴素，厚重的黑框眼镜度数高达上千度。作为成都理工大学的校长，“他没有一点官员架子、导师架子”，稳重、谦逊是学生们普遍对他的评价。

他很忙，采访中常被电话打断。但挂掉电话，他又能迅速回到采访中，不疾不徐，将他的“钻头人生”娓娓道来。

□四川日报全媒体记者徐莉莎

A 钻头缘

山坳里来了地勘队

能源资源，是国家经济社会建设的重要支撑。我国油气对外依存度高，天然气40%以上靠进口，石油对外依存度达到70%以上。

“这将严重威胁国家安全！”刘清友说，作为油气专业的科技人员，应该有担当，为国家突破一些关键技术。

这份担当从何而来？故事还得从刘清友童年时说起。

1965年出生的刘清友从小家境贫困，在他10岁那年，村里来了地质队，他们来开县做石油勘探的前期物探。他们在刘家住下，白天就出门打勘探井找石油。

那时石油勘探技术条件简陋。物资靠肩挑背扛，地质队员们手工搭井架，先打个井眼，再放炮，通过对地震波的分析了解地下有没有油气资源。

10岁的刘清友看得很认真，怎么钻井、用了什么钻头和钻机。他第一次见到了金刚石，一下就对钻头产生了兴趣。

但是另一方面，他也觉得这些方法很原始，长期在野外工作，体力劳动强度也大。那时的刘清友开始琢磨，“如果以后能考上大学，一定要设计一些先进的设备给他们使用！”

少时的这段经历，成为刘清友一直坚守石油装备领域的初心，为他“能源强国”的梦想埋下了希望的种子。

1977年，大哥参加“文革”后首届高考，考入重庆大学钢铁冶金专业。这让他看到了目标和希望。“真真切切地看到高中毕业后可以上大学，于是下定决心，刻苦学习。”

1982年，刘清友考上了西南石油学院。因为喜欢机械，他填报了石油矿场机械专业，正式开始接触石油装备。

进入大学后，刘清友没有一天放松对自己的要求。大学4年，他的成绩在全年级一直名列前茅。彼时，西南石油学院的机械制造专业创立不久，他成绩优异又是党员，毕业后按照学校安排，在这个专业任教。

在学校的鼓励下，他考取了重庆大学机械制造专业的研究生，他的研究领域是金属切削原理及刀具，具体就是研究金属加工刀具的材料及结构如何影响加工效率和刀具寿命，和后来的石油钻头设计有直接联系，这段经历为他今后的研究打下坚实的基础。

当时，这是一个冷门专业，全校就刘清友一个人选。导师给了他“VIP待遇”：每周单独授课，布置七八本书课后阅读，看完后提交总结，下一周再讲解。就这样循环往复，让他对刀具设计和刀具材料产生了浓厚的兴趣。

当年硕士毕业只需 28个学分，他修了近40个学分。各专业的课，刘清友都去听，一些课程听了也没要学分。提起这段时光，刘清友总是很感激，“极大地拓宽了我的知识面，获益匪浅”。

B 钻头劲

坐得板凳十年冷

刘清友真正从事钻头研究，是从1994年博士阶段开始的。

钻头不到，油气不冒。看似不起眼的钻头，实际上却是石油装备领域的“小巨人”。钻头是决定钻井效率和钻井成本的关键因素，直接影响钻井成本（30%-70%）。

“上天不易，入地更难。”此前，我国石油钻头技术主要依靠美国。上世纪80年代初，我国先后从美国引进牙轮钻头和金刚石钻头生产线，一条在武汉，一条在成都。但美国拒绝转让钻头设计分析等核心技术，部分高端钻头产品甚至对我国禁售，油气开发在很大程度上受到制约。当时的石油工业部决定成立我国第一个钻头研究室，自主开展钻头基础研究。

1994年开始博士学习后，刘清友便进入由中国牙轮钻头研究奠基人——马德坤教授领衔创建的西南石油大学钻头实验室内从事相关课题研究。

当时计算机已经进入石油装备研究者的视野。在马德坤教授指导下，刘清友走上了计算机仿真的路子。

钻柱系统振动是钻头异常失效的主要原因之一。前些年国内外在钻头设计分析时，没有考虑钻柱振动对钻头的影响，刘清友便锁定钻柱系统动力学、深层岩石力学与钻头破岩机理研究，率先建立了钻头—钻柱—岩石系统动力学模型和钻头动态设计分析方法，开发计算机仿真软件，开展钻头破岩机理仿真研究。

这项技术当时在全世界无人问津，年仅30岁的刘清友就这样闯入了钻头仿真研究的“无人区”。

导师马德坤把刘清友的这段经历比作“西天取经”。那时的研究条件可谓捉襟见肘，编程序完全靠自己。286电脑算力差，算一个方案要好几个小时。

读博期间，他三个春节没有回家，大年初二就泡在机房。那时计算机房对环境要求高，得穿着拖鞋上机。实验室没有空调，正月里寒风呼号，刘清友一边写代码一边哈气，手完全被冻僵。“完全没有周末和休息，去得最早肯定是我，走得最晚也是我。”三年下来，他的体重掉了20斤。

选择了科技工作，就选择了寂寞，要有坐得板凳十年冷的精神。这句话刘清友常挂在嘴边，科技工作者来不得半点虚假，也没有任何捷径可走。

他与团队协同合作，建立了钻柱系统动力学，开创性地提出了一套领先的理论模型及软件平台，突破“卡脖子”技术，并在牙轮钻头及金刚石钻头设计生产上取得突破性进展。2000年以后，我国的核心钻头设计、加工基本实现自主化，打破了国外垄断，完全满足了我国油气钻井的需求。

C 钻头魂

研究钻头不倦怠

打破垄断，荣誉加身并不是刘清友追求的终点。“钻头的研究是无止境的，寿命越长越好，钻速越高越好。”刘清友说。

目前，全球油气开发的重点已转向深层/超深层、深水层、深水及非常规资源。更复杂更恶劣的工况，加之不同地区不同地层的需求，不同于批量生产的个性化定制化钻头呼之欲出。

2010年以后，刘清友团队开始了个性化钻头的研发。“地层中的砾石层是金刚石钻头的禁区”，西南石油大学杨迎新教授是团队中的主要成员。他说，一个金刚石钻头价值一二十万元，但是一遇到鹅卵石和岩石组成的砾石层就报废。我国多数油田存在砾石层无PDC钻头可用的情况。刘清友团队在全世界首创串型齿砾石层PDC钻头，打破了PDC钻头砾石层的禁区。

面对什么样的地层，就研究定制出相应的钻头，提升复杂难钻地层的钻井效率。10年来，团队共开发3大类、12个系列、1700余种型号钻头，产出产品32万只。

近年来，世界海洋油气开发的战略重点逐渐转向深海。在国外，深水钻井能力已经达到3000米水深的开采技术，我国却只能达到500米。打造中国自己的“超深水钻井技术”，迫在眉睫。

刘清友带着他的团队，参与到“海洋石油981深水半潜式钻井平台”科研工作中去。

要从3000米下的海底取石油，就必须要搭建“隔水管”。南海海况恶劣。这根连接着平台和海底，长达3公里、最外层直径不过半米的管柱，面临海水侵蚀、海流涌动、台风等诸多不稳定因素，轻则扭曲变形，重则断裂破坏。其内部的钻柱、钻头、泥浆参数，也对抽油生产产生影响。

刘清友和团队在没有太多可参考文献资料的情况下摸索，多次模拟平台生产的全过程，采集重要数据不断进行改进。最终解决这一技术难题，研制了世界上第一台深水钻井隔水管力学分析实验装置，在国内外首次建立基于钻井和海洋工况条件下隔水管力学行为分析模型。前后花了近6个月时间，进行了1000多种交叉实验。

刘清友及团队的深水隔水管力学分析和安全控制，为我国深水、超深水管柱安全钻井提供了重要的技术支撑。2014年，他参研的超深水半潜式平台“海洋石油981”研发与应用荣获国家科学技术进步奖特等奖。

他总是紧盯技术前沿，早在十几年前，他就为团队列出了几个石油装备的技术方向，井下机器人、虚拟仿真系统、智能钻井技术都是其中之一。近10年来，刘清友又带领团队做起了井下机器人。“在没有任何支持的情况下，自己出资金开始研究，目前已经取得了一些进展”，刘清友说，相信未来井下机器人技术和智能钻井技术会对我国油气高效开发做出更大贡献。

D 钻头情

团队无一人离场

说起获奖的感受，刘清友第一个提到感谢团队。“科学家的大项目，都是一步步做出来的。”刘清友说，个人力量有限，这些年团队给予了他很多支持。特别是在他担任学校管理职务后，投入学术研究的精力相对减少。

“我现在90%的精力在做校长，周末和晚上做研究。”刘清友说。

团队成员杨雁告诉记者，目前刘清友在团队中主要是把握方向、提研究思路、指导具体工作。他组织项目申报，定期开展研讨，通过电话、微信邮件交流，重要的报告和成果材料必须亲自修改。

近年来，刘清友已有了一个上百人的研究团队。而在他离开西南石油大学到其他高校任职后，团队无一人出走。他是如何做到的？

求真务实的工作态度和严谨的学术作风，让学生们对他又爱又怕。10年前，在一次西南石油大学的毕业晚会上，毛良杰聆听了刘清友的人生经历，暗下决心要成为他的学生。2012年考博，毛良杰幸运地进入刘清友团队。当时，刘清友已是西南石油大学机电工程学院常务副院长。毛良杰心里犯嘀咕，估计导师没有时间管我们，只会把握大方向。没成想，刘清友的细心，比普通博导有过之无不及。毛良杰的实验、论文，都由刘清友手把手指导。

重要项目汇报的PPT，他要求学生一字一字地核改、试讲，从头到尾一个字都不能错。在论文答辩前，他要求学生在所有实验室老师面前挨着讲，他还会听完。在西华大学任校长期间，团队还在西南石油大学，他常常晚上十一二点，新都、郫都，开车来回跑。

他注重团队精神，强调分享，经常跟学生强调，如果论文没有他的贡献，就不允许挂他的名字。杨雁回忆，他对学生就像对自己的子女。学生生病，他帮忙找朋友联系手术；好多家庭困难的师兄，都找他借过钱。团队就像一家人，即使工作再忙，他每年会抽空和大家交流团聚。

就在最近几天，一些学生还频繁接到他的电话。“让我们去达州，跟川东气矿交流。”他总是强调不要在家闭门造车，要多去现场和企业交流，要做实实在在有用的东西，才能发挥科研的价值。

大咖名片

刘清友，1965年生，成都理工大学校长，国家重点实验室学术带头人。刘清友长期围绕深层/超深层、深水/超深水及页岩气开采对石油钻头及装备的特殊需求和重大难题开展研究，研制出三大类10余个系列个性化钻头在国内外推广应用，打破国外垄断。主持国家科技重大专项等10余项。获国家科技进步奖特等奖（集体奖）1项、国家科技进步奖二等奖2项、省部级一等奖6项等。