第1章 学科的战略地位

冶金与矿业工程学科包含石油工程、矿业工程、矿物分离、冶金工程、材料工程和安全工程六大分支。六大分支的定义、特点、结构及各自的发展战略需求共同组成了冶金与矿业学科的重要战略地位。

1.1 石油工程学科

在世界范围内，石油与天然气资源(简称"油气资源")既是主要的品质能源，又是保障一个国家政治、经济、军事安全的重要战略物资。从"柴薪时代"发展到"煤炭时代"，再发展到"油气时代"，并向未来"新能源时代"发展(未来的"新能源"主要是指太阳能、风能、地热等可再生能源)，世界能源结构不断朝更好的方向变化。目前，人类的能源开发利用仍处在油气时代，特别是北美的"页岩革命"(其背后实质上是油气资源开发的工程技术革命)，显示出油气时代广阔的发展空间。然而，我国的能源结构比较落后，目前仍处在煤炭时代。这种落后的能源体系造成的空气污染和生态破坏，在我国发达地区已接近环境容量的极限，迫切需要推动能源结构向清洁化加速转变乃至变革。

目前，在全球一次能源消费中，石油、天然气、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，全球一次能源消费量增长了28%，其中石油消费量增长12%，天然气消费量增长29%。在可以预见的未来二三十年里，化石能源的比例会有所下降，但作为主体能源的地位不会发生根本性改变，特别是油气消费量将继续增长。美国的页岩油气革命不仅为重振美国实体经济提供了强大动力，而且为美国至少增加了200万个就业岗位，特别是当面对2014年乌克兰危机时，凭借美国大量生产的页岩气(2014年生产页岩气达到3800亿m3)，奥巴马总统才敢于不惧俄罗斯对欧洲停供天然气的警告。另外，在欧盟，每年能源工业的税收贡献超过4000亿欧元，如果欧盟放开页岩气开发，预计能够增加至少100万个就业岗位；在巴西，随着海洋油气资源的有效开发，油气行业对GDP的贡献率从3%上升到12%，失业率从10%下降到7%以下，其中仅造船就业岗位就从7000个扩大到8万个[1]。

随着经济社会的发展，我国油气供需矛盾日益加剧，油气消费对外依存度逐年增加。2015年，我国石油消费对外依存度高达60.6%，天然气消费对外依存度也达到了32.7%，油气资源短缺已成为制约我国经济社会可持续发展的主要瓶颈之一。2014年4月20日，总理主持召开了新一届国家能源委员会首次会议，研究讨论能源发展中的相关战略问题和重大项目。他在会上指出：要立足国内，着力增强能源供应能力，加大陆上、海洋油气勘探开发力度，创新体制机制，促进页岩气、页岩油、煤层气、致密气等非常规油气资源开发。显然，国家正在实施积极的石油与天然气勘探开发战略，从而对石油与天然气工程(简称"石油工程"或"油气工程"，其英文名称为"petroleum engineering")提出了新的重大需求，同时也彰显出本学科未来建设与发展的重要战略地位[2]。

1.1.1 学科定义及特点

油气工程，就是围绕油气资源的钻探、开采及储运而实施的知识、技术和资金密集型工程，是油气勘探开发的核心业务，包括油气藏、钻井、完井、测量(测井、录井、试井等)、油气生产、油气储运等基本工程环节，是一项复杂的系统工程，涉及多学科领域。在世界范围内，石油与天然气勘探开发的巨额花费主要用于油气工程方面，包括油气勘探总成本中的大部分(55%？80%，用于钻探工程)及油气田开发与储运的全部工程花费。

随着地下油气资源钻探、开采及储运的主客观约束条件日趋多样化和复杂化，不断对石油与天然气工程领域的科技创新和人才培养提出越来越高的新要求，促使本学科与地质、力学、化学、材料、机电、信息、控制及海洋、环境、管理等相关学科的联系更加紧密，学科交叉与渗透的作用对本学科发展的影响越来越大。由于人类对"健康、安全、环境"更高目标的追求，进入21世纪后，伴随信息、材料、人工智能、机电液一体化等学科领域的科技进步，石油与天然气工程学科必然朝着信息化、智能化及自动化方向加速发展。

1.1.2 学科结构

参考国务院学位委员会和国家教育委员会于1997年6月颁布的《授予博士、硕士学位和培养研究生的学科、专业目录》[3]，根据石油与天然气工程的学科内涵和专业属性，目前本学科主要由油气井工程、油气田开发工程和油气储运工程三个二级学科构成(图1.1)。

图1.1 石油工程学科结构图

(1)油气井工程是人类勘探与开发地下油气资源必不可少的信息和物质通道。油气井工程就是围绕油气井的建设(钻井与完井)、测量(测、录、试)及防护而实施的技术和资金密集型系统工程，涉及多学科领域。它不仅是贯穿于油气勘探开发全过程的关键工程之一，而且对于地热、地下水等流体资源的开发，以及管道穿越工程、地球科学钻探工程等都具有重要的实际意义。

(2)油气田开发工程是指从油气田被发现后开始，经过储层评价、可采量计算、编制开发方案、产能建设与投入生产、监测与管理、开发方案调整等，直到油气田终废弃的全过程，是一项复杂的系统工程，其主要的学科内涵包括油气藏工程、油气生产及提高采收率等。

(3)油气储运工程是油气生产-供应链中不可或缺的重要一环，具有广阔的技术、地域及社会覆盖面。油气储运工程就是围绕油气的集输与处理、长距离输送、储存与储备、城市输配及军事油料供给等而实施的知识、技术和资金密集型工程，涉及多学科领域，不仅是油气工程的主要组成部分，而且与国防建设、百姓生活等息息相关。

1.1.3 学科发展战略需求

随着国内油气勘探开发程度的不断提高，剩余的油气资源大多分布在山地、沙漠、高原、黄土塬和海洋(尤其是深水)覆盖地区，地面环境和地质条件都比较复杂，而且大多为非常规、低(特低)渗透及深层、深水等难动用油气资源，勘探开发的难度不断加大，致使油气工程面临一系列的重大科技难题。同时，由于国内可利用的石油和天然气资源已明显不能满足国家能源需求，客观上要求我国石油企业必须实施走出去的发展战略，积极开发利用国外的油气资源，因而需要研究国外油气合作区的实际情况，解决相应的油气工程科技难题。在油气储运方面，国家明确要求"加快西北、东北、西南和海上进口油气战略通道建设，完善国内油气主干管网"及"完善石油储备体系"等，油气储运工程学科发展迫切需要解决油气储运各生产系统中工艺、设备、安全诸方面的理论和技术难题，并通过交叉学科研究创新发展油气储运工程理论与技术。

1. 低渗透油气资源的高效开发

国内新增油气储量的70%、新增产量的70%以上为低渗透油气藏(含特低渗透)。长庆油田是典型的低渗透油气田，其2015年产量超过了5000万t油气当量。因此，低渗透油气藏的有效动用程度及后续的提高采收率水平，直接影响到我国原油产量。与中高渗透油藏相比，低渗透油藏开发目前仍以水驱为主，研究主要集中于对渗流规律的认识。但随着油田综合含水率的上升以及特低油藏的开发，对提高采收率理论方法及相关技术措施提出了新的更高要求。低渗透油藏的储层非均质强和多孔介质结构复杂，相应的开发特点与方式具有多样化，且难以控制。因此，在前期研究的基础上，今后应重点研究低渗透油气藏的微观特征与渗流机制，有利于提高单井产能及终采收率的先进井型和井网，复杂结构井设计与钻采控制技术，以及改善水驱、优化气驱及控制窜逸等提高采收率的新理论与新技术。

2. 非常规油气资源的高效开发

非常规油气是指难以用常规技术手段进行有效开采的油气资源。主要包括页岩油气、致密油气、重油和油砂、煤层气、天然气水合物等，其资源量远大于常规油气，已成为战略性接替能源，在国内外备受关注。我国的非常规油气资源十分丰富，但品位极低且客观条件复杂，采用现有的理论方法和技术手段难以实现经济有效动用的高效开发目标，照搬国外技术难免"水土不服"，而且国外对关键技术严加垄断。因此，迫切需要针对非常规油气工程科技发展的国际前沿及制约我国非常规油气有效动用的重大科学问题开展创新研究，建立相适应的高效开发理论和钻采与集输处理新技术。今后的研究重点是：非常规油气高效开发模式及其技术经济可行性，以水平井为基本特征的复杂结构井优化设计与钻采控制，水平井分段体积压裂，以及"工厂化"作业模式及安全环保等。

3. 深层油气资源的安全高效开发

井深为4500～6000m的油气井，称为深井，超过6000m井深则称为超深井。我国发现的剩余油气资源有40%左右埋藏在深部，近年发现的特大型油气田，如塔里木、川东北、松辽深层等均处于超过4500m垂深的深部地层，一些海外合作区块油气藏也埋在深层。深层油气资源是目前和未来我国油气资源战略接替的重要领域之一。因此，加快深层油气勘探开发已成为保障我国能源安全的重大需求之一。深部地质环境的复杂性(如高温高压、酸性气体、盐膏层、高陡构造等复杂地质条件)，严重制约了深层油气资源的勘探开发进程，仍需深入研究深部岩石破碎机理与高效破岩方法，井筒压力系统与井眼稳定控制方法，钻井设计与风险控制机制等关键问题。深井工程科学研究，应与深地科学钻探工程相关科学研究有机结合。

4.海洋深水区油气资源的安全高效开发

在海洋油气工程中，小于300m的水深称为"浅水"；大于或等于300m而小于500m的水深称为"次深水"；大于或等于500m而小于1500m的水深称为"深水"；达到或超过1500m的水深则称为"超深水"。党的十八大报告提出：提高海洋资源开发能力，发展海洋经济，保护海洋生态环境，坚决维护国家海洋权益，建设海洋强国。由于过去几十年我国海洋油气勘探开发主要集中在近海浅水区，导致远海深水区的油气工程理论和技术较为匮乏，亟须开展相关的基础研究与技术创新。深水油气工程具有技术难度大、作业费用昂贵、安全环保要求高等风险特征，迫切需要高科技支撑。

5. 老油田剩余油分布与提高采收率

全球原油产量的70%依靠老油田挖潜，老油田仍将是未来全球石油供给的主力油田。如果全球老油田采收率提高1%，就会增加可采储量50多亿吨，约为全球两年的石油消费量。就我国而言，提高老油田采收率1%，就相当于一个大庆油田的产量。然而，目前我国老油田平均含水率高达90%，而平均采收率只有35%左右。因此，老油田进一步挖潜的空间很大，同时开采难度也不断增大。围绕老油田剩余油分布与提高采收率问题，今后需要重点研究：老油田剩余油赋存规律与分布预测，水驱优势通道描述与深部调控，复杂油藏化学驱油和微生物采油，以及通过井网调整、老井侧钻等方法提高单井产量和终采收率等。

6. 油气管网系统的安全高效运行

由于高压输送、介质易燃易爆、地域覆盖面广，油气管道属于高风险设施。近年来，在管网里程快速增加的同时，与油气管道相关的重大、特大事故频发，给人民生命财产和环境造成重大损害，油气管道安全已成为举国上下关注的焦点。其中，天然气不仅易燃易爆还极易扩散，天然气干线管网压力高(12MPa)、口径大(1219mm)、规模大(目前约占我国油气长输管道总里程的2/3)、覆盖面广；天然气资源-管网-用户一体化的特点使得干线管网一旦发生重大事故将造成供气能力严重缺失，产生非常严重的社会后果。因此，天然气管网系统的运行安全与供气保障、正常工况下的高效运行以及应急调运已成为迫切需要解决的首要问题。

1.2 矿业工程学科

1.2.1 学科定义及特点

矿业工程学科是以矿物资源的安全、高效、环境友好地开采及矿物资源有效加工和利用为目的的应用性基础学科。矿业工程学科包括采矿工程、矿山压力与开采沉陷、矿井建设、矿山安全、矿井新能源等五方面。因此，矿业工程学科的研究内容广泛，各分支研究对象迥异，研究方法也不尽相同，既存在共性规律，也有各自的规律[2]。

应用性强是矿业工程学科的特点之一。复杂性是矿业工程学科的另一个重要特点。矿业工程学科的研究对象是以地质体为主的自然物质系统