冶金與礦業(yè)學(xué)科"十三五"期間乃至2030年前遴選優(yōu)先資助領(lǐng)域的重要參考依據(jù)，高等院校、科研院所科研人員
目錄
序
前
第1章 學(xué)科的戰(zhàn)略地位
冶金與礦業(yè)工程學(xué)科包含石油工程、礦業(yè)工程、礦物分離、冶金工程、材料工程和安全工程六大分支。六大分支的定義、特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)及各自的發(fā)展戰(zhàn)略需求共同組成了冶金與礦業(yè)學(xué)科的重要戰(zhàn)略地位。
1.1 石油工程學(xué)科
在世界范圍內(nèi)，石油與天然氣資源(簡(jiǎn)稱"油氣資源")既是主要的品質(zhì)能源，又是保障一個(gè)國(guó)家政治、經(jīng)濟(jì)、軍事安全的重要戰(zhàn)略物資。從"柴薪時(shí)代"發(fā)展到"煤炭時(shí)代"，再發(fā)展到"油氣時(shí)代"，并向未來"新能源時(shí)代"發(fā)展(未來的"新能源"主要是指太陽(yáng)能、風(fēng)能、地?zé)岬瓤稍偕茉?，世界能源結(jié)構(gòu)不斷朝更好的方向變化。目前，人類的能源開發(fā)利用仍處在油氣時(shí)代，特別是北美的"頁(yè)巖革命"(其背后實(shí)質(zhì)上是油氣資源開發(fā)的工程技術(shù)革命)，顯示出油氣時(shí)代廣闊的發(fā)展空間。然而，我國(guó)的能源結(jié)構(gòu)比較落后，目前仍處在煤炭時(shí)代。這種落后的能源體系造成的空氣污染和生態(tài)破壞，在我國(guó)發(fā)達(dá)地區(qū)已接近環(huán)境容量的極限，迫切需要推動(dòng)能源結(jié)構(gòu)向清潔化加速轉(zhuǎn)變乃至變革。
目前，在全球一次能源消費(fèi)中，石油、天然氣、煤炭等化石能源的比例平均占80%以上，大部分在90%左右。在2003～2013年，全球一次能源消費(fèi)量增長(zhǎng)了28%，其中石油消費(fèi)量增長(zhǎng)12%，天然氣消費(fèi)量增長(zhǎng)29%。在可以預(yù)見的未來二三十年里，化石能源的比例會(huì)有所下降，但作為主體能源的地位不會(huì)發(fā)生根本性改變，特別是油氣消費(fèi)量將繼續(xù)增長(zhǎng)。美國(guó)的頁(yè)巖油氣革命不僅為重振美國(guó)實(shí)體經(jīng)濟(jì)提供了強(qiáng)大動(dòng)力，而且為美國(guó)至少增加了200萬(wàn)個(gè)就業(yè)崗位，特別是當(dāng)面對(duì)2014年烏克蘭危機(jī)時(shí)，憑借美國(guó)大量生產(chǎn)的頁(yè)巖氣(2014年生產(chǎn)頁(yè)巖氣達(dá)到3800億m3)，奧巴馬總統(tǒng)才敢于不懼俄羅斯對(duì)歐洲停供天然氣的警告。另外，在歐盟，每年能源工業(yè)的稅收貢獻(xiàn)超過4000億歐元，如果歐盟放開頁(yè)巖氣開發(fā)，預(yù)計(jì)能夠增加至少100萬(wàn)個(gè)就業(yè)崗位；在巴西，隨著海洋油氣資源的有效開發(fā)，油氣行業(yè)對(duì)GDP的貢獻(xiàn)率從3%上升到12%，失業(yè)率從10%下降到7%以下，其中僅造船就業(yè)崗位就從7000個(gè)擴(kuò)大到8萬(wàn)個(gè)[1]。
隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，我國(guó)油氣供需矛盾日益加劇，油氣消費(fèi)對(duì)外依存度逐年增加。2015年，我國(guó)石油消費(fèi)對(duì)外依存度高達(dá)60.6%，天然氣消費(fèi)對(duì)外依存度也達(dá)到了32.7%，油氣資源短缺已成為制約我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的主要瓶頸之一。2014年4月20日，總理主持召開了新一屆國(guó)家能源委員會(huì)首次會(huì)議，研究討論能源發(fā)展中的相關(guān)戰(zhàn)略問題和重大項(xiàng)目。他在會(huì)上指出：要立足國(guó)內(nèi)，著力增強(qiáng)能源供應(yīng)能力，加大陸上、海洋油氣勘探開發(fā)力度，創(chuàng)新體制機(jī)制，促進(jìn)頁(yè)巖氣、頁(yè)巖油、煤層氣、致密氣等非常規(guī)油氣資源開發(fā)。顯然，國(guó)家正在實(shí)施積極的石油與天然氣勘探開發(fā)戰(zhàn)略，從而對(duì)石油與天然氣工程(簡(jiǎn)稱"石油工程"或"油氣工程"，其英文名稱為"petroleum engineering")提出了新的重大需求，同時(shí)也彰顯出本學(xué)科未來建設(shè)與發(fā)展的重要戰(zhàn)略地位[2]。
1.1.1 學(xué)科定義及特點(diǎn)
油氣工程，就是圍繞油氣資源的鉆探、開采及儲(chǔ)運(yùn)而實(shí)施的知識(shí)、技術(shù)和資金密集型工程，是油氣勘探開發(fā)的核心業(yè)務(wù)，包括油氣藏、鉆井、完井、測(cè)量(測(cè)井、錄井、試井等)、油氣生產(chǎn)、油氣儲(chǔ)運(yùn)等基本工程環(huán)節(jié)，是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，涉及多學(xué)科領(lǐng)域。在世界范圍內(nèi)，石油與天然氣勘探開發(fā)的巨額花費(fèi)主要用于油氣工程方面，包括油氣勘探總成本中的大部分(55%？80%，用于鉆探工程)及油氣田開發(fā)與儲(chǔ)運(yùn)的全部工程花費(fèi)。
隨著地下油氣資源鉆探、開采及儲(chǔ)運(yùn)的主客觀約束條件日趨多樣化和復(fù)雜化，不斷對(duì)石油與天然氣工程領(lǐng)域的科技創(chuàng)新和人才培養(yǎng)提出越來越高的新要求，促使本學(xué)科與地質(zhì)、力學(xué)、化學(xué)、材料、機(jī)電、信息、控制及海洋、環(huán)境、管理等相關(guān)學(xué)科的聯(lián)系更加緊密，學(xué)科交叉與滲透的作用對(duì)本學(xué)科發(fā)展的影響越來越大。由于人類對(duì)"健康、安全、環(huán)境"更高目標(biāo)的追求，進(jìn)入21世紀(jì)后，伴隨信息、材料、人工智能、機(jī)電液一體化等學(xué)科領(lǐng)域的科技進(jìn)步，石油與天然氣工程學(xué)科必然朝著信息化、智能化及自動(dòng)化方向加速發(fā)展。
1.1.2 學(xué)科結(jié)構(gòu)
參考國(guó)務(wù)院學(xué)位委員會(huì)和國(guó)家教育委員會(huì)于1997年6月頒布的《授予博士、碩士學(xué)位和培養(yǎng)研究生的學(xué)科、專業(yè)目錄》[3]，根據(jù)石油與天然氣工程的學(xué)科內(nèi)涵和專業(yè)屬性，目前本學(xué)科主要由油氣井工程、油氣田開發(fā)工程和油氣儲(chǔ)運(yùn)工程三個(gè)二級(jí)學(xué)科構(gòu)成(圖1.1)。
圖1.1 石油工程學(xué)科結(jié)構(gòu)圖
(1)油氣井工程是人類勘探與開發(fā)地下油氣資源必不可少的信息和物質(zhì)通道。油氣井工程就是圍繞油氣井的建設(shè)(鉆井與完井)、測(cè)量(測(cè)、錄、試)及防護(hù)而實(shí)施的技術(shù)和資金密集型系統(tǒng)工程，涉及多學(xué)科領(lǐng)域。它不僅是貫穿于油氣勘探開發(fā)全過程的關(guān)鍵工程之一，而且對(duì)于地?zé)帷⒌叵滤攘黧w資源的開發(fā)，以及管道穿越工程、地球科學(xué)鉆探工程等都具有重要的實(shí)際意義。
(2)油氣田開發(fā)工程是指從油氣田被發(fā)現(xiàn)后開始，經(jīng)過儲(chǔ)層評(píng)價(jià)、可采量計(jì)算、編制開發(fā)方案、產(chǎn)能建設(shè)與投入生產(chǎn)、監(jiān)測(cè)與管理、開發(fā)方案調(diào)整等，直到油氣田終廢棄的全過程，是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，其主要的學(xué)科內(nèi)涵包括油氣藏工程、油氣生產(chǎn)及提高采收率等。
(3)油氣儲(chǔ)運(yùn)工程是油氣生產(chǎn)-供應(yīng)鏈中不可或缺的重要一環(huán)，具有廣闊的技術(shù)、地域及社會(huì)覆蓋面。油氣儲(chǔ)運(yùn)工程就是圍繞油氣的集輸與處理、長(zhǎng)距離輸送、儲(chǔ)存與儲(chǔ)備、城市輸配及軍事油料供給等而實(shí)施的知識(shí)、技術(shù)和資金密集型工程，涉及多學(xué)科領(lǐng)域，不僅是油氣工程的主要組成部分，而且與國(guó)防建設(shè)、百姓生活等息息相關(guān)。
1.1.3 學(xué)科發(fā)展戰(zhàn)略需求
隨著國(guó)內(nèi)油氣勘探開發(fā)程度的不斷提高，剩余的油氣資源大多分布在山地、沙漠、高原、黃土塬和海洋(尤其是深水)覆蓋地區(qū)，地面環(huán)境和地質(zhì)條件都比較復(fù)雜，而且大多為非常規(guī)、低(特低)滲透及深層、深水等難動(dòng)用油氣資源，勘探開發(fā)的難度不斷加大，致使油氣工程面臨一系列的重大科技難題。同時(shí)，由于國(guó)內(nèi)可利用的石油和天然氣資源已明顯不能滿足國(guó)家能源需求，客觀上要求我國(guó)石油企業(yè)必須實(shí)施走出去的發(fā)展戰(zhàn)略，積極開發(fā)利用國(guó)外的油氣資源，因而需要研究國(guó)外油氣合作區(qū)的實(shí)際情況，解決相應(yīng)的油氣工程科技難題。在油氣儲(chǔ)運(yùn)方面，國(guó)家明確要求"加快西北、東北、西南和海上進(jìn)口油氣戰(zhàn)略通道建設(shè)，完善國(guó)內(nèi)油氣主干管網(wǎng)"及"完善石油儲(chǔ)備體系"等，油氣儲(chǔ)運(yùn)工程學(xué)科發(fā)展迫切需要解決油氣儲(chǔ)運(yùn)各生產(chǎn)系統(tǒng)中工藝、設(shè)備、安全諸方面的理論和技術(shù)難題，并通過交叉學(xué)科研究創(chuàng)新發(fā)展油氣儲(chǔ)運(yùn)工程理論與技術(shù)。
1. 低滲透油氣資源的高效開發(fā)
國(guó)內(nèi)新增油氣儲(chǔ)量的70%、新增產(chǎn)量的70%以上為低滲透油氣藏(含特低滲透)。長(zhǎng)慶油田是典型的低滲透油氣田，其2015年產(chǎn)量超過了5000萬(wàn)t油氣當(dāng)量。因此，低滲透油氣藏的有效動(dòng)用程度及后續(xù)的提高采收率水平，直接影響到我國(guó)原油產(chǎn)量。與中高滲透油藏相比，低滲透油藏開發(fā)目前仍以水驅(qū)為主，研究主要集中于對(duì)滲流規(guī)律的認(rèn)識(shí)。但隨著油田綜合含水率的上升以及特低油藏的開發(fā)，對(duì)提高采收率理論方法及相關(guān)技術(shù)措施提出了新的更高要求。低滲透油藏的儲(chǔ)層非均質(zhì)強(qiáng)和多孔介質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，相應(yīng)的開發(fā)特點(diǎn)與方式具有多樣化，且難以控制。因此，在前期研究的基礎(chǔ)上，今后應(yīng)重點(diǎn)研究低滲透油氣藏的微觀特征與滲流機(jī)制，有利于提高單井產(chǎn)能及終采收率的先進(jìn)井型和井網(wǎng)，復(fù)雜結(jié)構(gòu)井設(shè)計(jì)與鉆采控制技術(shù)，以及改善水驅(qū)、優(yōu)化氣驅(qū)及控制竄逸等提高采收率的新理論與新技術(shù)。
2. 非常規(guī)油氣資源的高效開發(fā)
非常規(guī)油氣是指難以用常規(guī)技術(shù)手段進(jìn)行有效開采的油氣資源。主要包括頁(yè)巖油氣、致密油氣、重油和油砂、煤層氣、天然氣水合物等，其資源量遠(yuǎn)大于常規(guī)油氣，已成為戰(zhàn)略性接替能源，在國(guó)內(nèi)外備受關(guān)注。我國(guó)的非常規(guī)油氣資源十分豐富，但品位極低且客觀條件復(fù)雜，采用現(xiàn)有的理論方法和技術(shù)手段難以實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)有效動(dòng)用的高效開發(fā)目標(biāo)，照搬國(guó)外技術(shù)難免"水土不服"，而且國(guó)外對(duì)關(guān)鍵技術(shù)嚴(yán)加壟斷。因此，迫切需要針對(duì)非常規(guī)油氣工程科技發(fā)展的國(guó)際前沿及制約我國(guó)非常規(guī)油氣有效動(dòng)用的重大科學(xué)問題開展創(chuàng)新研究，建立相適應(yīng)的高效開發(fā)理論和鉆采與集輸處理新技術(shù)。今后的研究重點(diǎn)是：非常規(guī)油氣高效開發(fā)模式及其技術(shù)經(jīng)濟(jì)可行性，以水平井為基本特征的復(fù)雜結(jié)構(gòu)井優(yōu)化設(shè)計(jì)與鉆采控制，水平井分段體積壓裂，以及"工廠化"作業(yè)模式及安全環(huán)保等。
3. 深層油氣資源的安全高效開發(fā)
井深為4500～6000m的油氣井，稱為深井，超過6000m井深則稱為超深井。我國(guó)發(fā)現(xiàn)的剩余油氣資源有40%左右埋藏在深部，近年發(fā)現(xiàn)的特大型油氣田，如塔里木、川東北、松遼深層等均處于超過4500m垂深的深部地層，一些海外合作區(qū)塊油氣藏也埋在深層。深層油氣資源是目前和未來我國(guó)油氣資源戰(zhàn)略接替的重要領(lǐng)域之一。因此，加快深層油氣勘探開發(fā)已成為保障我國(guó)能源安全的重大需求之一。深部地質(zhì)環(huán)境的復(fù)雜性(如高溫高壓、酸性氣體、鹽膏層、高陡構(gòu)造等復(fù)雜地質(zhì)條件)，嚴(yán)重制約了深層油氣資源的勘探開發(fā)進(jìn)程，仍需深入研究深部巖石破碎機(jī)理與高效破巖方法，井筒壓力系統(tǒng)與井眼穩(wěn)定控制方法，鉆井設(shè)計(jì)與風(fēng)險(xiǎn)控制機(jī)制等關(guān)鍵問題。深井工程科學(xué)研究，應(yīng)與深地科學(xué)鉆探工程相關(guān)科學(xué)研究有機(jī)結(jié)合。
4.海洋深水區(qū)油氣資源的安全高效開發(fā)
在海洋油氣工程中，小于300m的水深稱為"淺水"；大于或等于300m而小于500m的水深稱為"次深水"；大于或等于500m而小于1500m的水深稱為"深水"；達(dá)到或超過1500m的水深則稱為"超深水"。黨的十八大報(bào)告提出：提高海洋資源開發(fā)能力，發(fā)展海洋經(jīng)濟(jì)，保護(hù)海洋生態(tài)環(huán)境，堅(jiān)決維護(hù)國(guó)家海洋權(quán)益，建設(shè)海洋強(qiáng)國(guó)。由于過去幾十年我國(guó)海洋油氣勘探開發(fā)主要集中在近海淺水區(qū)，導(dǎo)致遠(yuǎn)海深水區(qū)的油氣工程理論和技術(shù)較為匱乏，亟須開展相關(guān)的基礎(chǔ)研究與技術(shù)創(chuàng)新。深水油氣工程具有技術(shù)難度大、作業(yè)費(fèi)用昂貴、安全環(huán)保要求高等風(fēng)險(xiǎn)特征，迫切需要高科技支撐。
5. 老油田剩余油分布與提高采收率
全球原油產(chǎn)量的70%依靠老油田挖潛，老油田仍將是未來全球石油供給的主力油田。如果全球老油田采收率提高1%，就會(huì)增加可采儲(chǔ)量50多億噸，約為全球兩年的石油消費(fèi)量。就我國(guó)而言，提高老油田采收率1%，就相當(dāng)于一個(gè)大慶油田的產(chǎn)量。然而，目前我國(guó)老油田平均含水率高達(dá)90%，而平均采收率只有35%左右。因此，老油田進(jìn)一步挖潛的空間很大，同時(shí)開采難度也不斷增大。圍繞老油田剩余油分布與提高采收率問題，今后需要重點(diǎn)研究：老油田剩余油賦存規(guī)律與分布預(yù)測(cè)，水驅(qū)優(yōu)勢(shì)通道描述與深部調(diào)控，復(fù)雜油藏化學(xué)驅(qū)油和微生物采油，以及通過井網(wǎng)調(diào)整、老井側(cè)鉆等方法提高單井產(chǎn)量和終采收率等。
6. 油氣管網(wǎng)系統(tǒng)的安全高效運(yùn)行
由于高壓輸送、介質(zhì)易燃易爆、地域覆蓋面廣，油氣管道屬于高風(fēng)險(xiǎn)設(shè)施。近年來，在管網(wǎng)里程快速增加的同時(shí)，與油氣管道相關(guān)的重大、特大事故頻發(fā)，給人民生命財(cái)產(chǎn)和環(huán)境造成重大損害，油氣管道安全已成為舉國(guó)上下關(guān)注的焦點(diǎn)。其中，天然氣不僅易燃易爆還極易擴(kuò)散，天然氣干線管網(wǎng)壓力高(12MPa)、口徑大(1219mm)、規(guī)模大(目前約占我國(guó)油氣長(zhǎng)輸管道總里程的2/3)、覆蓋面廣；天然氣資源-管網(wǎng)-用戶一體化的特點(diǎn)使得干線管網(wǎng)一旦發(fā)生重大事故將造成供氣能力嚴(yán)重缺失，產(chǎn)生非常嚴(yán)重的社會(huì)后果。因此，天然氣管網(wǎng)系統(tǒng)的運(yùn)行安全與供氣保障、正常工況下的高效運(yùn)行以及應(yīng)急調(diào)運(yùn)已成為迫切需要解決的首要問題。
1.2 礦業(yè)工程學(xué)科
1.2.1 學(xué)科定義及特點(diǎn)
礦業(yè)工程學(xué)科是以礦物資源的安全、高效、環(huán)境友好地開采及礦物資源有效加工和利用為目的的應(yīng)用性基礎(chǔ)學(xué)科。礦業(yè)工程學(xué)科包括采礦工程、礦山壓力與開采沉陷、礦井建設(shè)、礦山安全、礦井新能源等五方面。因此，礦業(yè)工程學(xué)科的研究?jī)?nèi)容廣泛，各分支研究對(duì)象迥異，研究方法也不盡相同，既存在共性規(guī)律，也有各自的規(guī)律[2]。
應(yīng)用性強(qiáng)是礦業(yè)工程學(xué)科的特點(diǎn)之一。復(fù)雜性是礦業(yè)工程學(xué)科的另一個(gè)重要特點(diǎn)。礦業(yè)工程學(xué)科的研究對(duì)象是以地質(zhì)體為主的自然物質(zhì)系統(tǒng)
