科技日报记者 荆晓青
夜幕深沉，中国石油集团工程技术研究院钻井机械研究所石油工程数值仿真实验室依旧灯火通明。依托实验室自主研发的井筒脉搏（DrillPulse）管柱动力学仿真分析软件，算法驱动的万米管柱模型正昼夜运转，科研人员得以精准预判万米井筒内潜藏的管柱受力风险。日前，该软件斩获中国工业合作协会优秀国产自主工业软件奖，在国内首次实现从基础理论、核心算法到工业软件平台的全链条自主研发，形成了完全自主可控的管柱动力学分析技术体系。
作为我国油气行业首家石油工程数值仿真实验室，经过近二十年的积累，实验室科研人员把复杂的油气工程问题，转化为可以求解的数值模型。其构建的力学支撑、数据驱动、软件赋能的数字底座，正推动我国油气工程从跟跑模仿走向自主创新，为我国深地资源开发和高端装备自主化提供了坚实支撑。
聚焦数值仿真
“十几年前，我国连续油管、井口高压防喷器等油气行业高端装备设计制造长期依赖经验判断与实物试验验证，大多是拆解样机、测量尺寸、复刻结构，再通过反复试验验证性能，实现对标仿制。”实验室专家顾问、中国石油工程技术研究院钻井机械研究所高端钻完井工具研究室团队经理张燕萍说，“在我国油气装备研发处于追赶阶段时，我们可以测出装备外观尺寸，但锥角、螺纹参数等背后的设计方法和力学机理却没有掌握。”如何打破“引进—仿制—再改进”的技术路径依赖，缩短研发流程，实现自主创新，成为摆在中国油气工程科技工作者面前的一道必答题。
“这道必答题的解法就蕴藏在数值仿真技术之中。”张燕萍介绍，数值仿真被誉为现代工程研发的“第三大支柱”。它以力学理论为基础、以计算机为工具，通过建立数学模型，对结构强度、刚度、稳定性、动力响应、热传导以及多体接触等复杂过程进行求解和可视化分析，实现对工程装备服役行为的预测与优化。
“传统仿制的井下工具在常规工况下尚能使用，进入深井、超深井等复杂环境后便暴露出问题。一旦工具坠井，停工、打捞损失动辄千万元。”实验室负责人、中国石油工程技术研究院正高级工程师郭慧娟说，缺乏理论支撑的仿制往往只能做到“形似”，难以实现“神似”。与传统“试错式”研发相比，数值仿真最大的价值就是能够在计算机里模拟装备在复杂工况下的变形过程、应力分布和振动响应，让工程师在产品制造之前就发现问题、优化设计，推动装备设计从经验驱动走向机理驱动。
经过十多年的积累，2019年，中国石油工程技术研究院专门组建石油工程数值仿真研究团队，以郭慧娟为负责人，汇聚力学、机械、石油工程等专业人才，形成了一支跨学科的数值仿真创新梯队；次年，石油工程数值仿真实验室正式成立，隶属于油气钻完井技术国家工程研究中心。2022年，该实验室通过全国信息化和工业化融合管理标准化技术委员会能力评定，获得全国首批L3等级认证，这也是全国最高等级认证。
“石油工程数值仿真实验室是能源行业首家获此认证的单位。L3等级认证，意味着我们具备了开展高水平工业仿真验证与虚拟试验的能力，也意味着我国石油工程数值仿真技术迈入了自主创新发展的新阶段。”郭慧娟说。
攻坚技术难题
“这些年，我们做得最多的一件事，就是给钻井装备和工具做‘受力CT’。”郭慧娟说。从万米钻机刹车盘、连续油管、非开挖管道穿越钻具、膨胀管，到高温高压封隔器、井口高压防喷器，再到深井超深井管柱，团队围绕装备设计中的强度校核、结构优化、密封可靠性和管柱动力学等关键问题，十几年累计完成数千次仿真分析和方案优化。目前，实验室建成了集高性能计算、数字建模、虚拟试验和工程验证于一体的科研平台，形成了覆盖“理论研究—模型开发—软件研制—工程应用”的完整创新链条。许多需要数月甚至更长时间验证的设计方案，通过仿真模拟几天内便可完成筛选。
实验室成立以来，最具代表性的成果之一，就是推动国产膨胀管进入国际高端市场。
膨胀管是深层复杂油气井治理井漏、优化井身结构的重要装备，其作用类似于“血管支架”。长期以来，高端膨胀管市场被国外垄断，关键设计技术和工程应用经验集中在少数国际公司手中。早在2007年，郭慧娟便开始参与膨胀管的数值仿真研究。彼时，国内膨胀管研发和制造技术尚处于起步阶段，膨胀过程中材料如何流动、应力如何分布、长度和厚度如何变化，大家都缺乏系统认知。
针对这些关键问题，郭慧娟建立膨胀管膨胀全过程仿真模型，对膨胀过程中材料的变形、应力分布以及几何尺寸变化都进行了详细分析。十余年来，实验室逐步构建起覆盖材料、结构、工艺和工程应用的完整理论与模型体系。
2019年，实验室团队在与沙特阿拉伯石油公司交流中，展示的膨胀管相关仿真模拟成果打破了外方对我国的技术偏见。“他们原本以为我们在模仿美国，但当看到我们自主研究的膨胀成形机理、锥角优化、螺纹结构分析、材料失效机制等全套基础研究成果和试验数据后，彻底改变了看法。交流结束后，他们与中国石油集团工程技术研究院钻井机械研究所签订了价值187万美元的膨胀管联合研发合同，这也是我国首次获得国际顶级能源企业的膨胀管研发委托。”郭慧娟回忆说。
2024年，阿布扎比石油公司为解决海上油田遇到的井壁垮塌等难题，进行膨胀管国际招标。依托石油工程数值仿真实验室多年积累的理论模型、数值仿真与试验验证能力，该研究所成功中标我国首个进入中东高端市场的自主膨胀管项目，并于2025年创下635英尺等井径作业世界纪录。
“这份底气，来自近二十年扎根现场、深耕力学与数值仿真的持续积累。过去，我们更多是在学习和追赶；如今，我们已经能够依靠自主掌握的理论、模型和软件，与国际同行同台竞争。”中国石油集团工程技术研究院钻井机械研究所原所长张全立说。
支撑全链创新
在不久前的端午节假期里，石油工程数值仿真实验室内依旧忙碌。一周之内，实验室团队连续接到3项井下工具故障分析任务，千里之外的施工现场正等候实验室出具数字化“诊疗方案”。屏幕上，三维网格模型不断刷新；电脑前，科研人员调取材料参数、构建数值模型、推演受力过程，寻找故障背后的力学根源。
“郭主任，现场发来新数据了。”“马上更新模型，重点关注弯曲应力。”几分钟后，屏幕上的应力云图出来了。
“找到了，失效位置就在这里。”郭慧娟指着模型上一处红色区域说，“交变应力导致的疲劳断裂失效。”电话另一端，现场工程师长舒了一口气：“原因找到了，后面的处理方案就有依据了。”
这样的场景，如今已成为实验室的工作常态。依托自主构建的理论模型、算法体系和工业软件平台，数值仿真已经从解决单个装备设计问题，发展成为支撑重大工程全过程决策的重要数字能力。
这种能力，在我国万米深井工程中得到了充分验证。在万米塔科1井、万米川科1井等世界级工程中，团队依托自主研发的DrillPulse管柱动力学仿真平台，建立万米超长细比管柱数字模型，对钻前设计、钻中施工和风险控制开展全过程仿真分析，实现重大风险提前预判。
万米川科1井钻进至9600米时，现场出现复杂工况。实验室团队第一时间开展事故逆向分析，快速定位钻具组合局部应力异常，重新完成动力学计算与钻具组合优化，为现场调整提供了科学依据，成功规避重大风险。
“在实验室的技术支撑下，万米川科1井施工全过程未发生钻柱断裂事故，充分验证了数值仿真在重大工程风险防控中的价值。”中国石油集团工程技术研究院党委书记刘岩生说。
近年来，实验室累计完成数千项装备设计优化、故障诊断和重大工程技术支撑，逐步形成覆盖理论研究、模型开发、工业软件、虚拟试验、工程应用的数据资源和算法体系。这套由力学支撑、数据驱动、软件赋能构建起来的能力体系，正成为我国深层油气开发的重要数字底座。
在实验室专家顾问、油气钻完井技术国家工程研究中心主任、中国工程院院士孙金声看来，当前，我国油气勘探开发正加速向深层、超深层和极端复杂地层迈进。未来，深地开发不仅需要钻得更深，更需要算得更准、看得更清、控得更稳。数值仿真正把井下数千米深处不可见的工程过程转化为可计算、可预测、可控制的数字过程。这意味着，每一次现场故障分析、每一组仿真模型、每一项算法优化，都在不断丰富我国石油工程自主知识体系和工业软件能力，最终沉淀形成可持续演进、可不断复用的数字底座。石油工程数值仿真实验室要做的，已经超越一项技术、一个模型、一套软件，而是通过构建自主可控的工业软件体系和数字化能力底座，支撑深层油气开发全链条创新，为国家能源安全建立坚实的科技支撑。
网友评论
