“我们可以想办法把原本建在地面的煤制气（氢气、甲烷气等）、煤制油、煤电厂等能源化工厂，想办法‘搬到’地下去。比如让煤炭在地下实现绿色、低碳转化，产出氢气、甲烷气等气态能源，而包括煤灰、煤渣等在内的固体废物，则可全都留在地下。如此一来，我们国家能源消费结构就可以跨越石油时代，从目前的煤炭时代进入未来的气态能源时代。”本期专家访谈栏目，让我们一起走近中国科学院院士高德利，感受那“地下井工厂”可使化石能源绿色低碳转化的神奇。

记者：高院士，您长期从事油气井工程科学研究与实践工作，随着定向井、水平井、大位移井及复杂结构井等井型技术的创新与应用，我国钻井领域的变化也举目可见。请您简要介绍一下我国在这一领域的发展现状。

高德利：1975年至今，我国在钻井技术方面的攻关研究一直没停止过，如“七五”期间的“定向井、丛式井钻井技术研究”，“八五”期间的“石油水平井钻井成套技术”，“九五”期间开始重视大位移钻井技术，以及“十一五”开始重大攻关“复杂结构井工程设计控制技术”等，我国油气钻井技术就是沿着这样的时序和路线创新发展的。定向钻井，就是控制钻头按照设计轨道或地质导向定向破岩钻进，要求安全高效钻达地下目标，是油气井工程的核心技术之一。通过实施定向钻井，可以基于同一个作业平台有效扩大油气田的开发控制半径及泄流面积。我作为“井眼轨迹控制技术”专题负责人，连续10年参加了“七五”《定向井、丛式井钻井技术研究》和“八五”《石油水平井钻井成套技术》研究，这两个项目均是国家重点攻关项目，分别获得了1991年度和1997年度国家科技进步一等奖。

非常规页岩油气丛式水平井“一趟钻”作业关键技术，也属于定向钻井技术，但它要求一趟钻完同一尺寸的井眼，特别是水平井眼，对定向钻井的要求更高。这里面包括一些关键因素：比如钻头、导向钻具组合、钻井液及钻井参数等，在国内外应用实效显著。

定向钻井技术由来已久，主要包括三个方面，分别是随钻测量、随钻数据传输和导向控制。随钻测量分为几何测量、地质测量和力学测量。几何测量主要是对井斜、井斜方位、邻井距离等方面进行测量；地质测量是对伽马、电阻率、孔隙压力、声波等参数测量；力学测量是针对流体循环压力和温度、钻压、扭矩及振动等进行测量。随钻数据传输技术经历了电缆传输、泥浆脉冲传输，现在试图发展到智能钻杆传输。此外，钻头在地下的导向控制也很重要。从上个世纪50年代到90年代，主要是滑动导向控制；进入21世纪后，旋转导向控制工具越来越受到重视。

大位移钻井是挑战定向钻井极限的前沿技术。所谓大位移井是指水垂比大于2且测量深度大于3000米的井，或水平位移大于3000米的井。在大位移钻井方面，我带领团队创建了大位移钻井延伸极限的理论概念、预测模型及控制计算方法，与团队协作自主研发了相应的设计控制技术体系，研究成果在海洋、滩海等油气田获得显著应用实效，特别是在南海边际油气田开发中获得超百亿元经济效益，并获得2020年度国家科学技术进步二等奖。

双水平井、U型井、丛式水平井等以水平井为基本特征的复杂结构井，是高效开发非常规、海洋、深地等复杂油气田的先进井型技术。“十一五”以来，我带领团队针对非常规油气田高效开发问题，主攻复杂结构井工程优化设计理论与钻完井控制技术，提出了复杂结构“井工厂”开发工程模式及其设计控制理念，在磁导向钻井、井下管柱作业、钻井液体系、钻井参数优化及钻完井降本增效等方面实现了技术突破，这些技术在我国页岩气、煤层气等非常规天然气高效开发工程中取得良好应用实效，并获 2016年度国家技术发明奖二等奖和2020年度国家科学技术进步奖二等奖。

我还带领团队做了海洋深水钻井创新研究，建立了一套深水钻井安全高效作业设计控制理论方法与技术体系，助力我国海洋钻探实现了从浅水到超深水的跨越，牵头项目《海洋深水钻探关键技术创新及产业化》获2017度北京市科学技术奖一等奖，是典型的校企协同创新研究成果。现在，我们团队正在探索如何拓展钻采工程技术的应用领域，试图通过跨界交叉融合加快我国气态能源发展，助力“双碳”目标的实现。

记者：您曾提到油气钻井技术在煤炭行业的应用问题，请谈谈您对这一关注背后的认识和思考？

高德利：这是基于我国能源资源禀赋与能源安全需要进行的思考和探索。目前我国的能源结构仍以煤炭为主。去年，煤炭在我国能源消费中的占比为56%以上，加上石油和天然气，化石能源在国内能源消费中的占比仍高达80%以上。

据相关资料，我国煤炭资源丰富，特别是深层煤炭资源丰富，但难以进行常规采掘。例如我国陆上1000-3000米的煤炭资源量达3.77万亿吨 ，预计可气化煤炭（40%）折合天然气资源量为272万亿-332万亿立方米，是常规天然气资源量的3倍，且其理论采收率100%。我国深层煤层气资源也很丰富，其中埋深小于2000米的陆上煤层气资源量约为30万亿立方米，埋深大于2000米的陆上煤层气资源量超过40万亿立方米；近海煤层气资源量约为7万亿-11.5万亿立方米；我国整个煤系气资源量加起来超过190万亿立方米。

煤炭资源虽然丰富，但是污染排放量很大。数据显示，2020年，我国煤炭的二氧化碳排放量占到总排放量的67.4%；油气排放占到27.8%；非化石能源以及其他能源的排放占到4.8%。

我国的能源禀赋和能源结构决定了要实现“双碳”目标，不能简单地把煤炭替代掉，否则能源安全会受到极大威胁。所以既要保障能源安全，又要保证低碳排放，我们就思索是否能把煤炭、石油等化石能源变成低排放的清洁能源？于是“地下工厂”的想法应时而生。当时我们在想，是不是可以把原本建在地面的煤制气、煤制油、煤电厂等能源化工厂“搬到”地下去。这样的话，化石能源排放的污染物就不会在地面排放到大气中，而是可以直接排放到地下合适的储层。例如，让煤炭在地下实现低碳转化，产出氢气、甲烷气等气态能源，而包括煤灰、煤渣等在内的固体废物则可全都留在地下。这样我们国家能源消费结构就可以跨越石油时代，从目前的煤炭时代直接进入到未来的气态能源时代。

“地下井工厂”往往建在地下数百米甚至数千米的地层深处，只能依赖精准的定向钻掘技术，可以控制钻头“想去哪就去哪儿”，使得地下井工厂所需的管道、反应室等按照需求钻出来。地下井工厂建成后，我们首先把煤层气采出来，等到煤层气开采得差不多了，剩下的煤炭再进行气化。即“先采气后采煤”，这不仅能减少煤矿开采过程中瓦斯（煤层气）灾害、保护大气环境，而且还能增加天然气供给，缓解我国天然气供求矛盾。所以我们提出，应该积极探索与创建深地煤炭与煤层气一体化绿色开发模式及其技术装备支撑体系，此举有望成为中国特色能源绿色低碳转型的重大战略举措之一。

记者：什么是“地下井工厂”，有哪些应用场景？对我国能源安全有怎样的积极意义？

高德利：“地下井工厂”就是在地下建设真正的工厂，或者叫复杂结构井工厂，有别于地面上搭建的工厂。“地下井工厂”具有立体化、多功能、多井型丛式井等基本特征，其应用领域非常广泛，除了煤气化之外，稠油、油页岩、页岩油气等非常规油气领域都有需求。例如稠油、中低成熟度页岩油等非常规石油资源，需要进行原位加热转化开采；页岩气多层富集并具有吸附性，需要分层原位改造或加热解吸开采；煤层气更是具有多层叠加吸附的基本特征，需要原位改造或加热解吸开采。如此等等，都对复杂结构“井工厂”提出了重大需求，亟需建立相适应的设计建设理论基础。

“地下井工厂”也有利于提高油气采收率。国内外稠油热采实践证明：稠油SAGD双水平井可以大幅度提高稠油单井产量及采收率。此外，“地下井工厂”还可以和可再生能源电力相结合，可以做到因地制宜、就地取材。比如开采煤炭的矿场恰好风很大，就能利用风能发电；光照条件好，就可以采用光伏发电。风能和太阳能虽然清洁，却不稳定。但这些不稳定性对“地下井工厂”的影响不是特别大。只要再加一些储能设施，就可以有效调节。

目前在非常规油气工程领域，地下井工厂还有很多前沿技术难题需要研究解决。比如，如何根据主客观约束条件优选复杂结构“井工厂”作业平台位置、优化设计三维井眼轨道等；如何实现立体化井丛约束下邻井距离随钻精准测控并避免发生邻井交碰事故；如何实现复杂结构井工厂立体井网完井优化设计控制；如何建立适应这类井工厂的井下加热系统等。

记者：美国“页岩革命”已经完成，中国“页岩革命”是否已经到来？“页岩革命”的核心是什么？我国能否复制美国“页岩革命”？

高德利：所谓“页岩革命”，实质上是油气钻采工程领域的一场技术革命，使原本没有开采价值的页岩气、页岩油等非常规油气资源得以经济有效的开发。事实上，北美的“页岩革命”主要依赖于水平井与丛式水平井工程，其关键核心技术包括：水平井目标段和丛式井网的优化设计，水平井定向钻井，水平目标井段分级压裂完井，以及先进的“井工厂”作业模式等。这里的页岩气“井工厂”不同于上述的“地下井工厂”，是指在同一个井场里集中布置和建设多口甚至一大批相似井（如水平井），形成以丛式水平井为基本特征的一个“井工厂”，虽然在井场地面诸多井口之间相距很近，但每口井欲钻达的地下油气藏目标则相互偏离井场较远，从而有效扩大了油气田的开发控制范围。所谓“井工厂”作业模式，就是围绕同一井场里众多相似井的建设目标任务，采用标准化的工程装备与技术服务，以流水线方式（批量）实施钻井、完井、压裂等主要工程环节的一种高效作业模式，由此可以节约大量的工程作业时间和成本。

我国受北美“页岩气革命”影响较大，十分重视页岩油气开发，相关研究已经开展了十多年，在实践方面也取得重要进展，但与国际领先水平相比仍存在差距。

2022年，我国页岩气产量仅为240亿立方米。其实，我国页岩气资源量和美国相差无几，但是技术水平有待提高、装备有待优化与强化，经济效益有待于进一步提高。否则我国页岩油气的产量很难有大规模增长。在技术装备方面，我国缺乏像贝克休斯、哈里伯顿那样的国际化油气技术装备服务公司，其主要症结在于体制机制不够完善。虽然我们大型油公司下属的油气钻探公司有好多个，但同质化现象严重，竞争与激励机制不完善，创新积极性不够高。我认为，国家应该对国有企业在科技创新方面提出明确的考核指标和要求。

记者：您现在的关注点是什么？

高德利：我目前关注的重点是“超深钻采工程”。随着我国浅层的、常规的油气资源开采程度越来越高，深地、深水、非常规等难开采能源矿产资源对于保障能源安全的重要性愈加凸显。这对超深钻采工程提出了更高要求，需要通过持续创新突破加以有效解决。

现在我国石油公司正在打造陆上“深地工程”。今年3月，中国石油塔里木油田所属的富满油田果勒3C井完钻，井深（测深）达到了9396米，是目前亚洲最深的水平井。富满油田是我国在7500米以下超深地层发现的最大油田，超8000米的超深井累计达到72口。中国石化最近也宣布顺北油气田的顺北84斜井测试获高产工业油气流，日产油气当量达1017吨，成为顺北油气田第22口千吨井。该井垂深达8937.77米，是亚洲陆上垂深最大的千吨井。

在海洋领域，我国也在进军海洋能源开发深水区。在海洋油气开发领域，深水一般是指超过500米水深的水域，超过1500米称之为超深水。我国在深水钻探方面，南海钻探水深已超过2600米（LW22-1-1井，作业水深达2619米），在开发方面，南海陵水17-2气田是我国首个1500米深水自营大气田，相应的生产平台被命名为“深海一号”，它是由我国自主研发建造的全球首座10万吨级深水半潜式生产储油平台。去年年底，“深海一号”二期工程全面开工，目标钻深达到5000米。

此外，包括页岩气在内的非常规油气的钻采井深也越来越深。例如在四川盆地，“足203H2-1井”，完钻井深7318米，垂深4306.84米，水平段长达2852米；焦页147-2HF井日前顺利完钻，井深首次突破7000米。未来我们还要向万米目标进军。

针对超深钻采技术还需要解决更多问题。比如，为了提高水平钻井的“一趟钻”作业能力，我们要在高效PDC钻头、导向钻具组合、钻井液体系及钻井参数等方面加强学科交叉研究，打造“一趟钻”作业关键技术利器。

记者：能否为我们分享一下您的求学与科研之路？这一路走来，有哪些让您难忘的人和事？

高德利：我是1958年出生于山东省禹城市，1972年底参加中考，1975年高中毕业。1977年全国恢复高考后，我是有幸考上大学的第一批大学生。由此，我的命运和成千上万人的命运一样，发生了改变。 

1982年元月，我23岁时从华东石油学院开发系大学毕业；1984年，获西南石油学院矿场机械硕士学位，并入职华东石油学院开发系；1990年，我获得油气田开发工程博士学位，也是我国该学科领域第一位博士学位获得者；1992年，在清华大学力学站完成博士后研究并晋升为清华大学固体力学副教授，年底入职石油大学（北京）并当选为钻井研究所所长。在博士后研究期间，我负责承担了《江汉油田定向井轨迹控制技术研究》，初步得到油田企业的关注认可与项目支持，作为一名初出茅庐的年轻人，我感到鼓舞。

1993年，我被晋升为石油大学（北京）石油工程学院教授、系主任。期间，我开始参与南海油气钻采和塔里木盆地深层钻探的相关研究项目，如今十多年走过来，南海所取得的国家奖都和我们团队有关系。例如，我与中国海油深圳分公司合作完成的项目“中国近海高水垂比大位移钻井关键技术研究及应用”，获得了2007年度国家科学技术进步二等奖，这也是我国南海油气勘探开发领域第一个国家奖项目。
2006年至今，我开始担任石油工程教育部重点实验室（中国石油大学）主任；2008年至今，我担任油气资源与探测国家重点实验室学术委员、油气钻探方向带头人；2013年当选为中国科学院院士（技术科学部）。可以说，改革开放40多年来，我是中国油气产业发展的亲历者、参与者，也是贡献者和分享者。

记者：您不仅搞科研、获了很多奖项，而且还写文章，发表的期刊论文超过了600篇（SCI收录近200篇）。请问您的时间是怎么安排的？

高德利：首先，我的目标比较集中。除了当了两年系主任（相当于现在的学院院长），行政的事情做得很少，主要是做学术研究和人才培养，全身心致力于相关科研教学工作。其次，我每天工作时间比较长，过去晚上12点前没睡过觉，现在年纪大了，不能像以前那样熬夜，但每天仍然工作较长时间。有时候遇到紧急的事情，一干就是四五个小时。再次，我比较专注、喜欢思考，平常走路、坐在车上的时候都在思考专业相关的内容。最后，就是要具备较强的学习能力，善于抓住问题要害。学习能力是逐渐练出来的，我们培养学生也是希望其形成良好的学习能力，而不是简单地死记硬背一些知识。当然，在这个过程中，我们会碰到很多困难，因而需要具备良好的意志品质去坚持，这样最终才可能会达到目标。（记者：唐大麟 摄影：商晨)