李子丰——油气井杆管柱力学研究者

刘荣

石油对于国民经济的重要，已经不需再费笔墨渲染。我国有众多科学家活跃在保障石油供给的战线上，或致力于勘探技术的开发，或专注于钻采技术的创新。燕山大学石油工程研究所教授李子丰，就是一位将青春和年华都奉献给石油事业的代表之一。

这位出生于1962年的河北人，从本科到博士后出站，始终不曾脱离“石油”的标签，长期致力于石油工程的教学与研究工作，将“促进人类进步事业，增强祖国经济实力，培养高级技术人才，服务石油工业建设”奉为人生准则。

李子丰对我国石油事业的贡献，除了培养大批专业人才外，不得不提的是他在“八五”、“九五”、863等国家重点科技攻关项目支持下所建立的油气井杆管柱力学理论体系—主要包括钻柱力学、井眼轨道控制、套管设计、有杆泵抽油系统等内容。

他认为，油气井杆管柱就像人的脊柱，联通井下与地面，能有效监测井下情况，便于井下与地面信息传递，在石油钻采中的重要作用不可忽视。而且油气井杆管柱长期在充满流体的狭长井筒内工作，受各种力影响，变形和运动状态十分复杂。对井杆管柱进行系统、准确的力学分析，能快速、准确、经济地控制和优化井眼轨道，准确校核各种杆管柱强度及诊断、处理各类井下问题，优选钻采设备和工作参数。

在这套理论中，李子丰对油气井杆管柱的运动状态、油气井杆管柱力学基本方程及其在油气井杆管柱的稳态拉力和扭矩、下部钻具三围力学分析、钻柱振动、油气井杆管柱的稳定性、有杆泵抽油系统参数诊断和优选等领域进行了系统研究与分析，取得了多项重要创新发现，具有重要的理论指导意义和实用价值。

其中，李子丰通过对油气井杆管柱进行力学和运动分析，建立了油气井杆管柱动力学基本方程（下称基本方程），在统一原有油气井杆管柱力学分析领域各种微分方程的同时，也完善了油气井杆管柱力学理论，为建立各种油气井杆管柱力学分析数学模型奠定了理论基础，在石油钻采工程界得到了广泛应用。

据李子丰介绍，石油工程的钻柱、套管柱、油管柱和抽油杆柱在井筒中工作时，某些井段常处于压扭状态，易发生正弦或螺旋屈曲。一旦出现屈曲，杆管柱内的应力将急剧上升，与井壁的摩擦阻力增强，从而发生自锁现象，严重时会使杆管柱遭到强烈破坏。

于是，他从基本方程出发，推导出了斜直井中受压扭细长杆管柱几何非线性屈曲微分方程，建立了水平井段杆管柱稳定性力学分析数学模型，并对无重受压扭圆杆管柱的螺旋屈曲进行了分析。值得一提的是，研究过程中，李子丰还指出了“虚构力”理论的错误之处，并对其进行了修正。

此外，李子丰表示，在油井作业中，由井杆管柱和井壁接触产生的轴向阻力和扭矩损失对钻采作业有很大影响，甚至关系到成败。他以基本方程为基础，综合考虑钻柱的运动状态、钻井液的结构力、粘滞力等因素，建立了油气井杆管柱稳态拉力—扭矩模型，在定向水平井钻柱和套管柱设计中成功应用。而其在研究中开发的计算机软件，在确定钻柱与井壁摩擦系数、预测和计算钻柱受力状态、优选井眼剖面、校核钻柱和井下岩屑床监测等方面，也具有较高的实用价值。

在研究油气井杆管柱力学理论体系过程中，李子丰还建立了多个数学模型，包括：

试油管柱力学分析数学模型—用差分法求解，给出管柱的拉力、扭矩、应力、安全系数、稳定性等参数，有效避免测试过程中，管柱屈服破坏、断脱破坏等情况的发生，已在西北油田、大庆油田中成功应用;

压裂管柱力学分析数学模型—根据不同压裂方法及下入、坐封、注入、解封等过程建立不同数学模型，并给出强度校核方法，成功在西北油田、大庆油田实践;

定向井有杆泵抽油系统动态参数监测与仿真数学模型—为防止各种机械事故、优选抽油设备和抽油参数及其他各种工艺措施提供了分析方法，为抽油工程提供了安全、可靠的诊断和预测技术;

钻柱纵向振动、扭转振动、纵向与扭转耦合振动数学模型—指出原有防纵向振动数学模型的边界条件错误，是导致钻铤破坏的主要原因，该模型在大庆油田应用后，有效改善了钻铤频繁断裂问题，同时还被应用于空气钻井钻铤防断裂设计中，申请了减振—避震专利;

导向钻具三维小挠度静力学分析数学模型—能定量描述下部钻具组合的受力和变形，算出钻头与地层的作用力和钻头转角，选择底部钻具组合和钻进参数，使钻头按设计方向钻进，用加权余量法和最优化方法对三维小挠度静力分析数学模型求解，在定向井、水平井的井眼轨道预测、控制和工具研制中，取得了良好的应用效果;

热采井套管柱力学分析数学模型—利用热弹性力学理论，对套管和隔热油管进行力学分析，并提出预膨胀固井技术，能有效避免油井管柱内，因高温产生的热应力导致套管屈服变形或断裂等问题;

割缝膨胀筛管力学分析数学模型—对膨胀筛管膨胀过程、收缩过程力学进行分析，有效避免因使用不当造成的膨胀不成功、瘪屈变形和无法起出等问题，经过室内和现场试验对比，结果表明胀管拉力和拔管拉力的实际测值与计算值基本符合，能够满足工程需要。

除了以上数学模型，李子丰还创新性地提出了预弯曲连续油管技术，并获得实用新型专利。借助该技术将连续油管制成弯曲状，不仅能降低连续油管在卷盘内和通过导轨时的弯曲应力，还能成倍提高连续油管使用寿命。

对于原有理论的错误，李子丰也一一大胆指出。研究中，他发现目前采用的蠕变地层与套管相互作用的力学模型，无法正确计算套管的外部挤压载荷。于是，根据实际建井要求和力学原理，他对错误理论进行了修正，建立了新的力学模型。

关于油气井杆管柱力学体系的研究，不但在理论上取得了创新成果，也为石油事业创造了巨大的经济利益。据此理论编制的计算机软件，目前在中石油、中石化、中海油、美国Smith等公司的项目中得以运用，范围涵盖钻井、完井、采油、测井等领域，得到了国内外石油工程界和力学界的一致好评。

李子丰将研究所得集结成书，出版了《油气井杆管柱力学及应用》、《油气井杆管柱力学》等专著，获得1999年黑龙江省优秀著作一等奖等奖励，得到多位高校石油专业教授的称赞。他们认为，这些专著解决了油气井杆管柱力学中的许多基础科学问题，促进了相关学科的发展，为油气钻井和开采提供了高效、安全的理论指导，具有很高的学术水平和应用价值。

多年来，李子丰在多种国内外权威学术刊物上发表了120余篇学术论文，50余篇被SCI和EI收录。由于在油气井杆关注力学理论研究领域的突出贡献，他获得1997年中国科学技术发展基金会孙越崎科技教育基金教育奖，以及1998年黑龙江省青年科技奖等荣誉。

尽管已过知天命之年，但对李子丰而言，生命不息，对石油工程的研究不止，他将继续带着使命与责任，在中国石油工程研究和教育事业的道路上跋涉，献计献策！