油氣資源與探測國家重點實驗室主任李根生院士應邀接受高端訪談，暢談“為我國深層和非常規油氣資源高效鉆完井提供理論與技術支撐”。
記者：李院士您好，作為我國鉆井領域第一個973計劃的首席科學家，請您介紹一下該項目立項研究的背景是什么？取得了哪些成績？對我國鉆井工業產生了怎樣的影響、發揮了怎樣的作用？
李根生：973計劃是老一輩科學家向國家建議發起的一項具有明確國家目標、對國家發展和科技進步具有全局性和帶動性作用的基礎研究發展計劃，旨在解決國家戰略需求中的重大科學問題，以及對人類認識世界將會起到重要作用的科學前沿性問題，它對提升我國基礎研究自主創新能力、國民經濟和社會可持續發展提供了科學基礎，為未來高新技術的形成提供了源頭創新。過去，鉆井普遍被認為偏工程技術，其基礎研究該如何開展？這對于我們而言一開始也是個挑戰。在此之前，油氣領域已有相關專家在做前期研究工作了，所以我很幸運能在他們研究基礎上開展工作。當時我們依托中國石油和教育部，由中國石油大學（北京）牽頭，聯合中國科學院、中國石油、中國石化、中國石油大學（華東）和西南石油大學6家單位一起，承擔了“深井復雜地層安全高效鉆井基礎研究”這個研究項目。之所以要開展這項研究，是因為我們認識到深層油氣資源已成為我國油氣資源戰略接替的重要領域，加快深層油氣勘探開發已成為保障國家能源安全的重大需求，而鉆井是油氣資源勘探開發必不可少的關鍵環節和手段。由于我國深部地質條件的復雜性和特殊性，深層安全高效鉆井面臨前所未有的技術挑戰，國外沒有可借鑒經驗。因此，亟需開展深井復雜地層安全高效鉆井基礎研究，為我國深井復雜地層安全高效鉆井提供理論基礎和科學依據。
該項目研究歷時5年，我們在地層巖體力學特征識別、破巖機理與方法、壓力系統與井眼穩定、風險控制機制等基礎科學問題上取得了突破，形成了一系列創新成果。總結起來，它在我國鉆井工業發展中主要發揮了四方面作用：一是形成了深井復雜地層巖體力學特征預測與識別理論；二是形成了深井復雜地層鉆進過程的控制理論及方法；三是建立了深井復雜地層鉆井設計平臺和風險調控機制；四是建立了一套風險預測、評估和控制的模型方法。本項目在研究過程中共發表SCI/EI論文234篇，授權國家發明專利49項，申請PCT專利2項；登記國家計算機軟件著作權9項；形成企業技術規范1項，成果編入國家標準《石油天然氣鉆井工程術語》和《鉆井手冊》，獲國家級和省部級科技獎勵9項，同時我們以該項目為平臺，也培養了一批優秀人才。總之，針對“復雜深層油氣資源勘探開發”這一國家重大戰略問題，我們通過研究，系統回答了深井復雜地層安全高效鉆井的巖體力學特征識別與表征方法、鉆井載荷與井眼圍巖作用機理、鉆井設計平臺與風險控制機制等三個關鍵科學問題并取得突破，建立了深井復雜地層安全高效鉆井的理論體系，為我國陸上和海外深井復雜地層安全高效鉆井提供了科學決策依據。同時，也建立了國內一流綜合性深井鉆井基礎研究平臺和研究團隊，為深井超深井鉆井研究的持續開展奠定了基礎。在理論突破的基礎上，直接帶動了一批相關鉆井技術的產出，促進了相關學科基礎理論的發展，顯著提高了我國鉆井技術的自主創新能力和核心競爭力。
記者：作為重組中的油氣資源與工程全國重點實驗室主任，請您介紹一下該實驗室的建設情況。
李根生：油氣資源與工程全國重點實驗室，是依托油氣資源與探測國家重點實驗室重組的實體化實驗室。油氣資源與探測國家重點實驗室是2007年經科技部批準建設成立的，2010年評估為“良好”，2015年進入“爭優考察行列”。我是2016年開始擔任實驗室主任的，賈承造院士是學術委員會主任。目前，“雙碳”背景下的油氣資源綠色智能勘探開發，是國家重大戰略需求，深層、深水、非常規等復雜油氣已成為我國重要戰略接續資源，但其地質環境與工程條件極為復雜，勘探開發面臨前所未有的挑戰。地質-工程多學科交叉、一體化智能化是實現增儲上產、提質增效和綠色低碳發展的重要途徑，也是國內外油氣行業發展的必然趨勢。
油氣資源與工程全國重點實驗室重組后，將以“油氣資源與智能工程”為主攻任務開展應用基礎研究工作，聚焦“非常規油氣資源與工程”，貫通油氣成藏、油氣探測、油氣井工程、油氣藏開發、清潔地質能源等油氣上游技術鏈，構建地質-工程一體化協同機制和油氣人工智能生態，重點圍繞非常規油氣地質-工程一體化、智能油氣工程與智慧油氣藏、清潔地質資源與碳封存利用等方向，打造國家戰略科技力量，致力于取得原始理論創新與技術突破。目前實驗室擁有16萬平方米的獨立物理空間，是油氣領域重大科研儀器自主研發的重要基地，具備行業領先的開放通用實驗平臺。油氣資源與探測國家重點實驗室于2021年4月設為獨立二級實體單位，實施“主任負責制”，具有人財物自主管理權。我們創新了矩陣式多學科交叉科研組織模式，與中國石油、中國石化、中國海油等簽署了戰略合作協議，共建“產學研”創新聯合體，推動科技成果快速落地轉化，為保障國家能源安全和實現“雙碳”目標提供戰略支撐。我們匯聚了一批本領域杰出領軍人才和中青年科學家，這股力量應該說是我國石油工業上中游科技研發的領頭團隊之一。目前，我們正聚焦油氣增儲上產、提質增效的重大科技難題，聚焦多學科交叉協同創新，并已成為本領域重要的原始理論策源地、國家重大科技任務組織和戰略咨詢的主導力量，形成了深井/復雜結構井鉆井、非常規油氣增產等12項標志性成果，并以第一完成單位獲國家科技獎勵8項，為保障國家油氣安全做出了實質性貢獻。
記者：您當前關注的研究領域是什么？
李根生：李根生：我現在關注的研究領域，應該說也是我們國家重點實驗室重組后下一步發展的主要目標和方向，主要有三個：第一個還是我們傳統專業方向——新型水射流鉆井完井，這是在地質-工程一體化背景下持續深入研究進行的。在這種情況下，我們創新發展高壓水射流徑向水平井鉆井技術，對致密油氣、頁巖油氣、煤層氣這些非常規油氣的增產增效將有非常廣闊的前景。第二個關注點是智能鉆完井，這種基于大數據和人工智能等前沿技術的智能鉆井技術，未來有望實現鉆井過程的超前探測、智能導向、閉環控制和智能決策，從而大幅提高油氣井產量和采收率，降低鉆井成本，為實現石油行業數字化轉型和智能化發展，以及為我國復雜油氣資源高效勘探開發和油氣發展戰略提供技術支撐。2018年12月，我們學校在全國能源高校里面已率先成立了人工智能學院，2020年12月，我們又發起成立了油氣人工智能產學研創新聯盟，現在都發展得很好。我們主持承擔了國家重點研發計劃“變革性技術關鍵科學問題”重點專項的第一個智能鉆井項目——“復雜油氣智能鉆井理論與方法”，將有望為復雜油氣高效安全鉆井探索變革性技術理論和方法。在人才培養方面，第一屆學生已經畢業，實現了“產、學、研、用”的深度融合。第三個關注點是“雙碳”與清潔能源發展，包括CCUS、地熱、干熱巖等。我們依托油氣資源與探測國家重點實驗室，在2017年成立了地熱研究中心，2021年9月我們學校成立了碳中和未來技術學院和碳中和示范性能源學院，同年12月成立了碳捕集利用與封存研究中心（簡稱CCUS中心），同時也申請成功了我國地熱領域首個高等學校學科創新引智基地項目“深部地熱資源開發基礎研究”和國家自然科學基金重大項目“干熱巖地熱資源開采機理與方法”。這樣在將來學科發展上，我們一方面會繼續保持在石油與天然氣工程、地質資源與地質工程等學科上的優勢，另一方面也將拓展在人工智能、地熱、CCUS等領域的發展空間。這三個關注點都和我的本行鉆井完井有關系。我現在做的更多的是戰略研究、頂層設計和組織推動方面的工作，大量具體工作還得靠我們這個領域里的教授，以及年輕的優秀教師來完成。
記者：能源界一直都很關注地熱特別是干熱巖地熱發展，能否請您談談這方面研究情況？
李根生：地熱能作為一種重要的清潔可再生能源，具有低碳環保、穩定高效等特點，與風能、太陽能等能源相比，不受季節、氣候、晝夜等外界因素干擾，發電利用效率達73%，約為太陽能的5.2倍、風能的3.5倍，是一種現實并具有競爭力的新能源。地熱能主要包含水熱型（含水）和干熱巖型（不含/少含水）兩類，目前我國地熱能開發仍以水熱型為主。我國中低溫地熱直接利用技術居世界首位，而高溫干熱巖地熱開發尚處于起步探索階段。干熱巖是指埋深位于3000米-10000米、溫度高于180攝氏度、含有少量或不含水的低滲巖體。我國干熱巖地熱能儲量豐富，據預測其資源量高達2.52×1025焦，合856萬億噸標煤，約占世界資源總量的1/6。其中，3000米-10000米深干熱巖資源約為150萬億噸標煤，為我國化石能源總量的80倍。按萬分之二資源開采量計算，3000米-10000米干熱巖地熱能即可貢獻“碳中和”減排目標的17.7%，開發潛力巨大。實現干熱巖地熱能的高效開發利用，對于改善我國能源結構、減少溫室氣體排放和控制環境污染具有重大意義。
目前我們主要使用增強型地熱系統（Enhanced Geothermal Systems，簡稱EGS）作為干熱巖開發的主要手段。即首先在干熱巖鉆出注入井和生產井，然后通過水力壓裂等方法在高溫地層中人工造儲，形成裂縫網絡溝通注入井和生產井，之后循環工質取熱，進行發電和綜合利用。干熱巖EGS已成為國際能源領域的研究熱點，美、英、日、法、德等相繼實施了多個EGS地熱項目，但尚未規模化應用。從1974年全球首個干熱巖EGS示范工程至今，世界范圍內已陸續開展了60余項EGS開發示范項目，其中仍在運行及在建的有29個，法國Soultz是目前公認的商業化運行最為成功的EGS工程。近幾年，美國能源部可再生能源辦公室資助了多個EGS示范項目，2015年正式啟動了全球最大的干熱巖示范項目——“地熱能研究前沿瞭望臺”（FORGE）計劃，致力于EGS現場應用、鉆完井技術測試等前沿研究，這說明干熱巖資源的優越性和EGS開發的可行性得到了國際認可。我國干熱巖地熱資源分布廣泛，但研究起步較晚。近年來在藏南、滇西、川西、東南沿海等地區相繼取得了勘探突破，并已開始著手建立首個干熱巖EGS示范工程。2012年初，在中科院組織起草的《科技發展新態勢與面向2020年的戰略選擇》報告中，“深層地熱能將成為主要可再生能源之一”被列入其中，成為“十二五”和“十三五”期間著重突破的重大科技問題之一。同年，國家863計劃啟動了“干熱巖熱能開發與綜合利用關鍵技術研究”項目。2013年，制定了《全國干熱巖勘查與開發示范實施方案》，在青藏高原、東南沿海、華北平原和松遼盆地開展了干熱巖資源調查，初步擬定了我國干熱巖地熱勘察開發的關鍵技術體系。2016年開始實施“全國地熱資源調查評價與勘查示范工程”，先后在青海共和、海南瓊北、福建漳州等地區鉆遇優質干熱巖體，干熱巖資源潛力得到驗證。然而，根據國際地熱協會（IGA）數據，截至2021年，全球累計地熱發電裝機容量為15.85GW，而中國地熱發電能力約為45.46MW，占比僅為0.29%，排世界第18位。因此，我們亟需研究形成干熱巖高效鉆采與調控技術，以推動我國深層高溫地熱開發利用進程。為此，2021年國家自然科學基金委啟動了由我校牽頭的地熱領域首個重大項目“干熱巖地熱資源開采機理與方法”，旨在借鑒油氣行業成熟的鉆采理論和技術，超前部署，開展多學科交叉和綜合性研究，提升我國干熱巖地熱基礎研究的源頭創新能力。
在研究中我們發現，相比于油氣和中低溫地熱儲層，干熱巖儲層地質條件復雜，具有典型的“四高”特征，即：高溫度，其溫度高于180攝氏度，美國大部分干熱巖儲層溫度基本都在200攝氏度以上，美國Geysers及冰島EGS示范項目部分儲層甚至高達400攝氏度；高硬度，干熱巖資源主要賦存于高溫堅硬的花崗巖和變質巖中，埋深大部分超過3000米，部分地層巖石單軸抗壓強度在200兆帕以上，可鉆性達10級，研磨性極強；高應力，因構造運動活躍，最大水平主應力當量鉆井液密度超過2.8克/立方厘米，是常規泥頁巖的2倍以上；高致密，地層巖石密度大、孔隙度和滲透率極低。上述復雜地質條件，使得干熱巖地熱開采在鉆井建井、壓裂造儲和流動取熱等關鍵環節面臨重大難題和技術挑戰。形成上述挑戰的客觀原因是地層環境異常復雜，但其根本原因是干熱巖開采基礎理論缺乏，且國內外無成熟經驗可借鑒。針對干熱巖開采中面臨的建井、造儲和取熱三大挑戰，我們項目研究團隊正在以“巖體表征-鉆井建井-壓裂造儲-流動取熱-集成調控”為主體思路進行五方面的基礎理論攻關研究，力爭早日為干熱巖地熱經濟高效開發奠定理論基礎，推動國家能源轉型和綠色低碳高質量發展。
本刊記者采訪李根生院士
記者：回顧您求學以來的經歷，是否有非常難忘的人或事？
李根生：我永遠也忘不了我的恩師沈忠厚院士對我的栽培與指導。我1983年大學畢業后，有幸考取了沈老師的碩士研究生，師從他學習高壓水射流新技術。畢業后，我留校在射流研究中心給他當助手。1994年，我又考取了他的博士研究生，畢業后繼續留在他身邊工作。多年來，沈院士高尚寬厚的品德修養、科學嚴謹的治學態度、實事求是的工作作風、誨人不倦的師德風范都深深影響和教育著我。
在工作中，沈老師是大家的良師益友，他帶領我們所從事研究的高壓水射流技術，是70年代初在國外發展起來的是一門多學科交叉滲透的新技術，基礎理論涉及力學、材料、機械等眾多學科。多年來，沈老師一直教導我們科學研究要重視基礎理論，腳踏實地、堅持不懈，即從理論研究入手，提出新思想新觀點，理論上取得突破，然后再進入設計實驗，推廣應用，轉化成生產力，一項成果往往需要經過七八年甚至更長時間的艱苦努力。沈老師的第一代、第二代、第三代鉆頭和處理地層、徑向水平井鉆井新技術等一批有影響的成果，都是這樣艱苦攻關研究出來的。他經常教導我們，搞科研要有點傻勁、韌勁，而好高騖遠、投機取巧、急功近利、急于求成、走捷徑者是不會取得最后成功的。他經常引用馬克思的一段話來勉勵我們：在科學上是沒有平坦的大道可走的，只有不畏艱險勇于攀登的人才有希望到達光輝的頂點。
在學習上，沈老師是我們的榜樣。“書山有路勤為徑，學海無涯苦作舟”，這是沈老師經常勉勵我們的話。他是這么教育我們的，也是這么身體力行的。我至今仍對1987年暑假的一件事記憶猶新，當時已年近60歲的他，冒著酷暑和我們一幫二十幾歲的小伙子一起在徐州的中國礦業大學參加英語培訓班，練習口語、背誦單詞，給我們年輕人做出了極好的榜樣。1991年2月到8月，63歲的沈老師帶著我東渡日本，在當時日本水射流學會會長、后來的國際水射流協會主席、著名水射流專家小林陵二教授的實驗室考察研究水射流技術。半年的研修，沈教授抓緊點滴時間，早出晚歸，沉浸在圖書館、實驗室，完成了5篇學術論文。他這種刻苦學習和努力鉆研的精神不僅給我，也給日本同行留下了深刻的印象。
在為人上，沈老師是我們的慈父與益友，我們團隊就像個大家庭，他既是我們學習工作上的導師，也是我們為人處世的師長。他不僅指導我們工作學習，而且教我們如何做人。他經常教導我們：一個人僅僅能干是不夠的，還要有遠大的志向和抱負，要講奉獻，淡泊名利，甘于寂寞。要求我們要“登山”，不要“下海”。教育我們要依靠集體，團結協作，以誠待人。他常說，在今天的科技發展中，一個人單槍匹馬很難有大作為，發揮集體優勢，不同年齡、專業、層次人員團結協作、取長補短，在團隊中往往更能充分體現個人的價值。他認為團隊中，老教授高瞻遠矚、思想深邃，中年老師年富力強、承上啟下，年輕人思維敏銳、精力充沛，接受新知識快。大家結合在一起工作，依托學校、學科、重點實驗室平臺的支撐，必然能發展壯大。他所說的這一切，都讓我受益終身。
記者：作為校園里成長起來的院士，在疫情環境下，您認為石油學子應該如何度過寶貴的校園時光？
李根生：大學校園應該是一片蘊育知識文化和學習本領技能的沃土，同時也應該是鍛造思想和打磨智慧的殿堂，校園里的學習生活本就該擁有一個靜謐的文化氛圍和學習環境，疫情的到來從客觀上創造出了這樣一種安靜的氛圍和環境。我認為在當前疫情環境下，無論學校還是學生，首先都還是要科學理性地認識疫情帶來的復雜性和國家根據國情制定的疫情防控政策。在這方面，學校和老師要跟學生多宣傳、多引導、多交流。同學們也要積極地支持、配合和適應這樣的疫情防控環境，我們大家都要隨時做好線下線上教學與學習方式轉換的準備。這對學生而言其實也是一種鍛煉，可以培養和提升大家適應在各種復雜環境和條件下完成學習任務的能力。當然，疫情也對我們的正常學習造成了影響，比如開展實驗，以及與校外的學術交流，這對學校和團隊的組織保障能力提出了挑戰。我們實驗室團隊這方面做的還是不錯的，我們在落實疫情防控要求的同時，也在多措并舉減少疫情對教學和科研的影響。所以，如果這幾年同學能夠在這種相對封閉的環境中靜下心來學習的話，我相信大家的收獲肯定是會非常大的。
記者：您如何定義石油科學家精神？
李根生：我還真關注和考慮過這個問題，去年中辦、國辦印發了《關于進一步弘揚科學家精神，加強作風和學風建設的意見》，總結起來科學家要有“愛國、創新、求實、奉獻、協同、育人”的精神。作為一名石油高校出身的科研工作者，結合我在實際工作中的體會，我覺得石油科學家首先要“愛國奉獻”，其次要“求實創新”，另外還需要“科教融合、協同育人”。中國石油大學的校歌是《我為祖國獻石油》，作為一名黃大年式教師團隊成員和油氣能源領域科技工作者，我覺得最需要堅持的是愛國奉獻、求實創新、協同育人的科學家精神，樹立“能源強國、能源報國”“為國家分憂、為民族爭氣”的理想，以實際行動，踐行“學好石油，熱愛石油，獻身石油”，讓“我為祖國獻石油”的夢想熠熠生輝。
