科技日报记者 陈曦 通讯员 王起津
临近中秋节小长假，塔克拉玛干沙漠又将迎来一批游客。他们或许不知道，在沙漠腹地，中国石油塔里木油田深地塔科1井正在书写“中国深度”。今年3月4日，这座深地科探井突破万米大关，成为世界陆上第二、亚洲第一垂深井。
深地塔科1井使用的部分石油套管，由天津钢管制造有限公司（以下简称天津钢管）研制，属于该公司超深复杂井用高端套管系列产品。相关产品还被用在全球地质条件最复杂、钻井难度最高的万米深地科探井——深地川科1井上。
依靠自主创新，天津钢管总工程师刘金海带领团队成员从零起步，潜心研制并迭代超深复杂井用高端套管系列产品。
近日，刘金海接受科技日报记者采访，讲述了攻坚克难的创新历程。
“一个细节没处理好，就可能报废一口井”
记者：什么是石油套管？
刘金海：在钻井过程中，石油套管是连接井上和井下的通道，所有油气作业都要借助这一通道完成。同时，井壁也要靠这些套管支撑起来。
除了支撑井壁，石油套管还能隔离不同地层，防止地层间流体相互渗透，提高井眼密封性，防止井喷、油气泄漏等事故发生。
由于所处位置特殊，石油套管如果出问题，维修难度极大。即使被及时修复，套管也难以达到使用要求。有时，一个细节没处理好，就可能报废一口井。
记者：石油套管在地层的工作环境是怎样的？
刘金海：与国外相比，我国大部分油气资源分布在盆地深层，埋藏深度普遍较深。许多油气田的储层深度超过3000米，有的甚至超过6000米。在业内，深度在6000米到9000米的井被称为超深井，超过9000米的井被称为特深井。
超深井、特深井钻探通常在高温、高压、腐蚀性环境中进行。每向地下钻进100米，环境温度就会升高约2摄氏度。钻到约万米深度时，井下温度可能超过200摄氏度，此时岩层压力或超200兆帕，石油套管相当于被2300公斤的重物挤压。
因此，我国油田开采使用的石油套管需满足高强度、高韧性、抗腐蚀、抗挤毁等性能要求，才能保证复杂环境中石油开采的安全性。
记者：天津钢管为什么要研制超深复杂井用高端套管？
刘金海：油气被称为“工业血液”，是国家重要的战略资源。近年来，我国深地工程加快开展，油气勘探向地球深部进发，需要大量能够在深地高温、高压、强腐蚀环境下工作的设备。为助力深地油气勘探开发，我带领团队成员研制了适应特殊环境的石油套管产品——超深复杂井用高端套管。
“没有任何借鉴，只能摸着石头过河”
记者：研制超深复杂井用高端套管难在哪里？
刘金海：石油套管属于无缝钢管。无缝钢管是一种具有中空截面、周边没有接缝的长条钢材，被广泛应用于工程机械、石油勘探等行业。
由于个头小，石油套管被称为无缝钢管中的“绣花针”。研制“绣花针”，首先难在材料上。
国外超深井较少，石油套管通常由中等强度等级的125千磅力/平方英寸（ksi）钢级材料制成。我国超深井较多，故大批量使用强度等级较高的140ksi、155ksi钢级材料。
除了强度，材料韧性也要达标。在施工过程中，石油套管常会遭受岩石碾压，稍微摔碰就可能破损，故其制造材料需具有强韧性。但钢铁材料的性能规律是强度越高，韧性越低。研发“双高”钢铁材料，属于世界难题。
记者：您和团队成员如何解决“双高”材料难题？
刘金海：首先，我和团队成员使用了很多新材料。我们在钢铁材料中加入适量的合金材料，显著提高了钢管的强度和韧性。
其次，我和团队成员尝试了多种新技术。我们利用纯净钢冶炼、控制轧制等技术，使材料具有良好的低温冲击韧性和优良的高温力学性能，保证其可以在苛刻条件下安全使用。
同时，在公司多位特级技师的帮助下，我们大幅优化了制造工艺。我和团队成员冒着高温全程跟踪材料制造过程，比如熔炼、铸造、热轧等，确保成品质量的一致性和稳定性。
经过两年多的攻关，我们开发出从125ksi到165ksi系列高钢级材料。
记者：研发过程顺利吗？
刘金海：我们走的每一步都异常艰难。此前，世界范围内没有企业制造出165ksi高钢级材料，我们没有任何借鉴，只能摸着石头过河。
例如，165ksi高钢级材料的核心组成成分超过10种，但这10种成分所占比例是多少，我们一无所知，只能边做实验边调整。在实验中，我和团队成员需要把炼好的钢材分成30厘米长的小段，对其进行淬火、回火等热处理。之后，我们会在不同温度下，检测它们的拉伸冲击性能、钢级性能等，并将相关数据记录下来。
这个过程非常考验耐心，一次实验就要花费很长时间。我已经记不清做了多少次实验，更记不清失败的次数。功夫不负有心人，我们最终啃下了这块“硬骨头”。我们研制的165ksi高钢级材料不仅硬度高，而且综合性能达到预期目标。
记者：除了材料，还有什么难题需要攻克？
刘金海：接下来，我们要解决接头制造工艺难题。在超深井、特深井中，钢管之间需要用螺纹接头连接。一般来说，螺纹接头是管体比较薄弱的部分。在万米深的油气井中，每10米就需要1根管子，大概需要约1000个螺纹接头。螺纹接头质量不过关，很可能导致油气泄漏等安全事故。为保障施工安全，螺纹接头的抗压缩等方面的性能要求极高。
公司车间的一位老师傅曾说，加工螺纹接头犹如“在大米上刻字”，加工难度可见一斑。一根直径11.43厘米、长10米的管子，一般重量在0.5吨左右。但其接口螺纹的齿高只有1.4毫米，齿宽5毫米，齿厚2.5毫米。需要极其精密的制造工艺，才能“绣”出这样螺纹。
记者：您和团队成员是如何提升制造工艺的？
刘金海：根据不同工况，我们改进了螺纹接头的制造工艺。当井深超过6000米，重力会变得非常小，但摩阻增大。此时，工作人员要用旋转方式下放钢管。这种下放方式会大幅增加螺纹接头的扭矩压力。如果接头扭矩压力超过标准值，其完整性就会被破坏，无法满足施工要求。
针对这一情况，我和团队成员调整了螺纹的齿形状，将其变为勾形齿，又改进了梯形螺纹的形态，使螺纹接头不容易滑脱，还可弯曲拉伸。
除此之外，我们还不断提升接口性能，增加接口扭矩，让接头不再是钢管的“薄弱部分”。
记者：超深复杂井用高端套管的研制成功，给行业带来哪些改变？
刘金海：此前很长一段时间，我们只能从国外进口相关产品。超深复杂井用高端套管问世后，我国深井、超深井使用的石油套管90%以上实现国产化。
“沉下心，认准一个目标持之以恒地努力”
记者：能否介绍一下您的团队？
刘金海：在我们团队中，像我这样50岁以上的人员大概只占5%，大部分都是“80后”“90后”。这些年轻人基本来自“双一流”高校，拥有硕士以上学位、博士学位的约占一半。可以说，这是一支既有青春活力又有科研素养的队伍。
记者：年轻人如何在团队中成长？
刘金海：一方面，我们团队中的资深专家会提醒年轻人及时发现问题、正确认识问题、积极解决问题，做到“授人以渔”。另一方面，我们团队有良好的学习氛围，定期组织学术讨论会、青年人沙龙。在这些活动中，年轻人可以畅所欲言，就学术问题展开激烈讨论。
同时，我非常注重培养年轻人的实践能力，鼓励年轻人下工厂、参与工程项目。一般来说，新进人员工作不超过5年，就可以成长为业务骨干。
记者：您认为，企业科研人员进行创新可能面临哪些困难？
刘金海：比如，企业科研人员可能只考虑技术层面的问题，没有做到面向市场，导致产品指标没有达到用户要求。此外，有时科研人员的想法可能难以实现，导致产品研发与生产能力不匹配。我认为造成这些问题的原因主要在于，企业科研人员能力不足以及试验研究装备欠缺。
记者：结合过往工作经历，请您给企业青年科研人员一些建议。
刘金海：我认为年轻人做科研，首先要坚持“两个面向”：一是面向市场，致力于为用户解决“痛点”问题；二是面向生产，围绕产品提质增效做文章。其次，青年科研人员要沉下心，认准一个目标持之以恒地努力。
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“干我们这行，用产品说话”
和钢管打了30多年交道的刘金海，说起产品研发，滔滔不绝。“干我们这行，用产品说话。我们必须要对产品方方面面了如指掌。”他说。
研制石油套管，刘金海“憋着一口气”。“有段时间，我国石油套管90%以上依赖进口。这种受制于人的状况，严重制约了我国石油工业的快速发展。”他说，进口石油套管不仅价格昂贵，而且交货周期较长。
“要想改变现状，别无他法，只能迎难而上。”刘金海说，他带着一支几十人的队伍，开始了艰难探索。
他们的尝试伴随着质疑。“外国专家说，中国团队不可能在短时间内造出符合标准的石油套管，你们的深井、超深井只能用国外产品。”刘金海回忆，“他们越是这样说，我越要造出来给所有人看。”
团队开足马力，驶上了研发快车道。在他们的带动下，天津钢管上下几千名员工全力以赴，铆足一股劲填补国内空白，赶超国外无缝钢管企业。如今，天津钢管石油套管产销量跻身世界前列，综合实力跻身世界钢管行业前三强，成为“钢管巨人”。
此后，技术创新融入天津钢管的血液。“光有产量不行，还要有核心技术，不断实现自主突破。”刘金海说，哪怕是前些年，行业大环境变化，部分企业艰难维持时，公司凭借领先技术，依然订单不断。近几年，企业更是不断提升研发投入力度。2023年，研发支出占公司营业收入的3.2%，远高于钢铁行业企业平均研发投入比例。
采访最后，刘金海对记者说：“我们坚持产品研发‘三个一代’原则，即开发一代、储备一代、研究一代，通过长远布局规划，持续稳固市场领先地位。天津钢管人相信，只有不断探索和突破，才能在激烈的竞争中立于不败之地。”
