他讓最柔軟的水，切開了最堅硬的地層

沈忠厚（1928-2021），中國工程院院士、油氣井工程技術(shù)專家和水射流技術(shù)專家，中國石油大學(xué)教授。他突破了世界性難題“淹沒非自由射流的衰減規(guī)律”，并將水射流技術(shù)和鉆井工程結(jié)合，研發(fā)出一系列先進(jìn)、高效的鉆頭，對鉆井工程做出巨大貢獻(xiàn)。

圖源 | 中國石油大學(xué)（華東）石油工程學(xué)院

1928年2月，沈忠厚出生于四川省大竹縣雙河鄉(xiāng)老鴉村。

這是一個偏遠(yuǎn)的小山村，村里只有小學(xué)，等到了上中學(xué)就得去大竹縣城。山村交通不便，沈忠厚每次都要走一天的山路，才能到達(dá)縣城的學(xué)校。

艱苦的環(huán)境塑造了沈忠厚堅韌的性格。即使在最動蕩的二十年中，他也沒有停止苦學(xué)。多年以后，這種堅韌的性格更是支持他泰然面對油田現(xiàn)場作業(yè)的辛苦、科研探索的繁難。

1947年，沈忠厚以第一名的成績，考入當(dāng)時的國立重慶大學(xué)采礦冶金系。選擇這個專業(yè)，是因為沈忠厚看到了當(dāng)時國家石油、礦產(chǎn)資源短缺，他想為解決這個問題出一份力：“我立志要為國家找到豐富的礦藏，以報效祖國?！?/p>

沈忠厚在辦公室讀書

來源 | 中國科學(xué)家博物館

到油田現(xiàn)場去

采礦冶金是一門注重實踐的學(xué)科。大學(xué)畢業(yè)后，沈忠厚很快就開始了油田現(xiàn)場的鍛煉。

1951年，他帶著學(xué)生去了玉門油田實習(xí)。此后十幾年中，他輾轉(zhuǎn)于四川油田、大慶油田、大港油田……在各種各樣的現(xiàn)場，積累了豐富的實踐經(jīng)驗。

有的人看不起現(xiàn)場科研，覺得它輕理論，不是科學(xué)家發(fā)揮的地方，但沈忠厚并不這樣看：“我認(rèn)為現(xiàn)場科研有一個最大的好處，它能解決現(xiàn)實問題?！?/p>

在工地上的沈忠厚

來源 | 新華網(wǎng)

油田鉆井的難點在哪？鉆井效率如何提高？石油深藏的地層到底有什么特性？油井出現(xiàn)泄漏是什么原因？……這些問題，都需要通過實踐才能獲得答案。

沈忠厚很喜歡跑現(xiàn)場。聽說哪個現(xiàn)場出現(xiàn)了特殊情況，他都會去，用他自己的話說：“不請我，我也要去，因為那是最好的學(xué)習(xí)機(jī)會?！?/p>

就這樣，沈忠厚在油田現(xiàn)場默默積累。通過這段經(jīng)歷，他鎖定了科研探索的方向——鉆井研究。

在我國石油開采的初期，鉆井代價高昂，打一口井要花費(fèi)數(shù)百萬，甚至數(shù)千萬，但效率卻很低。在現(xiàn)場看到如此情況，沈忠厚憂心：“我總想著我們的鉆井不能老這樣子，老這樣子我們國家花不起這筆錢，將來那么多油田，這么開發(fā)，夠你的成本嗎？”

想提高效率，實在面臨太多問題。

石油深藏于地下，地層復(fù)雜且多樣。鉆探時，不僅要讓鉆頭能通過層層巖石，還要能及時疏通油井中的巖石碎片、污泥。解決這些問題，都需要更加先進(jìn)的鉆頭。

但怎么改進(jìn)鉆頭呢？沈忠厚千頭萬緒，一時想不到答案。

敢為天下先

一次偶然的機(jī)會，沈忠厚去成都飛機(jī)廠參觀，看見了一臺水射流切割機(jī)。這是一種利用“高壓水”來切割物體的機(jī)器，只要壓力足夠大，柔軟的水也能切開堅硬的合金鋼材。

一個念頭在沈忠厚腦海中浮現(xiàn)：能不能利用水射流，來切割地下堅硬的巖層呢？不僅如此，水流沖刷下，油井中被鉆頭打破的巖片也可以被沖出來，給鉆頭繼續(xù)前進(jìn)留下了足夠空間。

當(dāng)時，在大洋彼岸的美國，水射流鉆頭其實已經(jīng)初具模型。但有一個難題一直懸而未解：淹沒非自由射流的衰減規(guī)律。如果不弄清楚這個問題，就無法預(yù)估射流在井底如何破裂巖石，如何清理碎片。

帶著這個疑問，沈忠厚開始了學(xué)習(xí)和研究。

1981年3月，他在美國路易斯安那大學(xué)訪問，遇到了美國噴射鉆井的奠基人戈恩斯教授。沈忠厚本以為在戈恩斯教授的講座上能得到答案，卻發(fā)現(xiàn)他也只計算了噴頭出口處的水力參數(shù)。

會后，沈忠厚問他：“為什么不計算水射流到達(dá)井底位置的參數(shù)呢？只有井底位置的射流對鉆井破巖和清巖才是有效的啊?！?/p>

沒想到戈恩斯回答道：我不是不想計算，而是從噴嘴到井底這一段的情況，實在過于復(fù)雜。

不僅美國的專家毫無頭緒，中國當(dāng)時最具影響力的湍流水射流理論專家謝象椿，也認(rèn)為這個問題很難破解。他告訴沈忠厚：“從噴嘴到井底的射流參數(shù)是糨糊一盆，你死心吧?！?/p>

對于別人認(rèn)為不可能的事，沈忠厚反而起了更濃厚的興趣。

20世紀(jì)80年代，中國有相當(dāng)一部分科研是跟著別人的思路走，國外有了什么項目，我們立馬跟著研究。但在沈忠厚看來，要想實現(xiàn)中國科研領(lǐng)先的夢想，必須要有敢為天下先的勇氣，必須沖破思想上的禁錮。

他說：“管你什么山，我都要闖一闖?！?/p>

從實踐到理論

研究淹沒非自由射流的衰減規(guī)律，就是沈忠厚要攀登的頂峰。

要研究這個問題，傳統(tǒng)的思維模式是尋找水射流在各種階段的變化規(guī)律，再利用數(shù)學(xué)對它進(jìn)行描述和計算，最后再根據(jù)理論計算，指導(dǎo)實踐。

然而，經(jīng)過漫長的摸索，沈忠厚還是一無所獲。

他開始想：如果把路徑顛倒過來呢？先在實驗室做模型，收集大量的數(shù)據(jù)，再根據(jù)數(shù)據(jù)來構(gòu)建理論計算模型。

從1981年開始，沈忠厚帶領(lǐng)學(xué)生鉆入實驗室，建立各種模擬實驗。

此時，他已經(jīng)53歲，已過知天命之年。以現(xiàn)代的眼光來看，似乎已經(jīng)錯過了科研的黃金年齡。但在漫長的等待和積累后，他迸發(fā)出了蓬勃的科研生命力。

1986年，在孜孜不倦的實驗探索下，沈忠厚成功地利用豐厚的數(shù)據(jù)，建立了完整的噴射鉆井理論體系。

困擾世界多年的難題，解決了。

沈忠厚在高壓水射流研究中心PIV流場測試室指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行新型噴嘴與原噴嘴射流評價

來源 | 中國科學(xué)家博物館

隨后，他馬上把理論應(yīng)用到現(xiàn)實，花了3年時間，研發(fā)出了新型加長噴嘴牙輪鉆頭。1989年，這種新型鉆頭通過了中國石油天然氣總公司的鑒定，可以提高井底的水功率30%～40%。在全國13個油田推廣后，帶來了1.7億元的經(jīng)濟(jì)效益，這項成果也獲得了國家科技進(jìn)步二等獎。

但這只是開始。

在接下來的幾年中，沈忠厚帶領(lǐng)團(tuán)隊，又相繼研發(fā)出了第二代自振空化射流鉆頭、第三代機(jī)械及水力聯(lián)合破巖鉆頭，以及第四代旋轉(zhuǎn)射流破巖鉆頭等噴射鉆頭。這中間相隔時間如此短，是因為沈忠厚在研發(fā)每一代鉆頭時，都在不斷思考它可以如何改進(jìn)，是否有能相互借鑒的經(jīng)驗。

一系列井噴式的成果，開創(chuàng)了中國鉆探技術(shù)的新領(lǐng)域，也讓沈忠厚于2001年被評選為中國工程院院士。

70歲，要上山不要下海

或許，在沈忠厚身上，最令人敬佩的就是持續(xù)而旺盛的科研精神。

2003年，四川開縣發(fā)生井噴事故，已經(jīng)75歲高齡的沈忠厚被任命為專家組組長，奔赴現(xiàn)場調(diào)查事故原因。12天，他們就調(diào)查清楚了前因后果：石油井中的硫化氫氣體，存在一種超臨界相態(tài)，在這種狀態(tài)下的硫化氫會產(chǎn)生巨大的壓力和沖擊力，從而導(dǎo)致了井噴事故。

但沈忠厚沒有止步于此。又一次，他從實踐中得到靈感，他很快聯(lián)想到，既然這種超臨界相態(tài)有這么大威力，那我們能不能把它用到鉆井破巖中呢？

硫化氫是一種有毒氣體，很難應(yīng)用，因此沈忠厚就帶領(lǐng)團(tuán)隊探索二氧化碳的超臨界相態(tài)，嘗試把它用到破巖、清巖中。

經(jīng)過幾年的探索，沈忠厚團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)，超臨界二氧化碳技術(shù)對于開采非常規(guī)油氣資源非常重要。

隨著油氣資源的大量開發(fā)，比較容易采集、利用的常規(guī)油氣資源，已經(jīng)不能完全滿足人類的發(fā)展需求。于是，自然界中另一類非常規(guī)的油氣資源，開始吸引大家的注意力，包括頁巖氣、砂巖氣、天然氣水合物等等，它們共同的特點就是儲藏的地質(zhì)結(jié)構(gòu)很復(fù)雜，勘探和開發(fā)的難度都很大。

沈忠厚介紹，由于巖層復(fù)雜，開發(fā)成本的百分之七八十，都將用于鉆探油井。而超臨界的二氧化碳，由于特殊的密度、黏度，更容易進(jìn)入到母巖中，提高油氣田的采收率。

在七十多歲的高齡，沈忠厚能保持這樣敏銳的思維，繼續(xù)攀登科研的高峰，或許還是因為日復(fù)一日的堅持和興趣。

在他看來：“只要有了興趣，不睡覺都可以，不吃飯都可以?！?/p>

沈忠厚的學(xué)生、后來成為中國工程院院士的高德利，曾這樣形容他：“他這一生在（高壓水射流研究）方向鍥而不舍，感覺他腦子里沒有別的事兒，天天就想射流科研的事兒，真是到了一種著迷的地步?！?/p>

沈忠厚的精神，影響到了許多學(xué)生和同事，他們之中很多人都記得沈忠厚說過的話：“要上山，不要下海。”

他的學(xué)生、后來曾擔(dān)任中國石油大學(xué)副校長的李兆敏，是這樣理解這句話的：“上山”就是教導(dǎo)我們要沿著水射流的科研道路努力攀登，“不下?！本褪遣灰S波逐流，利用科研成果去辦公司、去賺錢。

2021年2月5日，一輩子要“上山”攀登、不要“下?！彪S波逐流的沈忠厚，在北京逝世，享年93歲。

對“超臨界的二氧化碳”的探索，沈忠厚還沒有完成從理論到實踐的完全轉(zhuǎn)化。但這條探索之路，并未中斷。他曾說：“我這一輩子走不通，我想我的弟子能把它走通。世界上科學(xué)家不是他這一代，要幾代人來走這一條路子?！?/p>

作者 | 程觀 科普寫作者

參考文獻(xiàn)：

1. 《沈忠厚：水擊石穿尋地火，披肝瀝膽為人民》，校本部宣傳部，中國石油大學(xué)官網(wǎng)。

https://www.cupk.edu.cn/c/2021-02-08/506672.shtml

2. 俞露、韓曉杰，《沈忠厚：鉆井實踐了不起》，《中國石化報》，2010年9月12日，1-2頁。

3. 劉積舜，《“忠”實品格為國 “ 厚”德載物育人——記中國工程院院士、中國石油大學(xué)（華東）教授沈忠厚》，《齊魯學(xué)人》，2019年4月，24-26頁。

4. 《沈忠厚事跡傳記》，院士自述，中國工程院院士館官網(wǎng)。

https://ysg.ckcest.cn/html/details/32/index.html

5. 王冉，《大師鑄大學(xué)|沈忠厚：中國的“鉆頭之父”》，《中國石油大學(xué)報》，2014年第13期。

6. 《沈忠厚院士——石油鉆井和水射流技術(shù)專家》，《石油機(jī)械》，2012年，第8期，116頁。

7. 《水擊石穿尋地火，披肝瀝膽為人民——沉痛悼念沈忠厚院士》，中國石油大學(xué)（華東）官方微博視頻。

https://weibo.com/tv/show/1034:4602586456588293?from=old_pc_videoshow

8. 楊紅英，《沈忠厚：用超臨界二氧化碳開發(fā)非常規(guī)油氣藏》，《中央工業(yè)報》，2012年3月22日，1-2頁。