【序言】

　　在中国能源战略纵深推进、深地深海资源开发持续突破的时代背景下，一位扎根科研前线三十余年的学者，以钻头破岩般的韧性与创造力，为国家油气装备自主创新写下浓重一笔。他，就是中国石油学会会士、成都理工大学党委书记刘清友。

　　刘清友深耕践行科研报国初心，用智慧与坚守铸就大国重器。从少年时结缘石油勘探，立下革新装备的壮志，到求学路上潜心钻研，再到科研生涯攻坚克难，他始终紧盯“两深一非”核心需求，打破国外钻头技术垄断，助力“海洋石油 981”深海探宝，牵头研发超高压压裂装备支撑页岩气革命，用70 项发明专利、多项国家科技大奖，书写了中国油气装备自主创新的篇章。

　　如今，刘清友正带领团队向智能钻井机器人、毫米波复合破岩机等前沿技术发起冲击，以科技自立自强之志，持续为中国端稳能源饭碗书写新的时代注脚。追梦未止，深钻更深，一位中国能源科技工作者的坚毅身影正投向更远处的地平线。

　　刘清友，中国油气钻采装备领域知名专家，现任成都理工大学党委书记、博士生导师、教育部“长江学者”特聘教授、国家首批“万人计划”领军人才，教育部第八届科学技术委员会委员。他长期致力于石油钻头及钻采装备的理论研究、实验探索、产品研发与应用推广工作，主持包括深地国家科技重大专项，国家自然科学基金重大科研仪器研制项目、重点项目、面上项目，国家“973”计划课题国家重点研发计划，中国工程院重大咨询项目课题在内的各类项目20项。先后荣获国家科技进步特等奖1项、国家科技进步奖二等奖2项、省部级科技一等奖8项，授权发明专利70件（其中，美国7件，加拿大3件）。同时，还斩获了首届全国创新争先奖、中国工程院光华工程科技奖、何梁何利基金科学与科技进步奖、全国优秀科技工作者、孙越崎青年科技奖、四川省杰出创新奖等诸多殊荣。2025年，经四川省石油学会推荐，刘清友被聘为中国石油学会会士。

　　少志凌云：石油之梦要开花

　　20世纪70年代中期，一支由七八人组成的石油地质勘测队来到重庆开县（今开州区）南雅镇，住进了村中的刘姓人家。当时，队员们主要依靠人工地震的方式寻找油气资源，他们每天抬着笨重的钻机及工具早出晚归，工作异常辛苦。

　　刘家有姐弟六人，其中一个十岁左右的少年便是刘清友，他与勘探队的叔叔们十分亲近。每天从学校回来，他常常缠着刚下班的地质勘探队员问个不停：“什么是钻头？什么是钻机？为什么要打那么深的井？打井的机械为何如此笨重？石油又有什么用途？”不少问题让年轻的队员们都难以作答。

　　有时，刘清友会兴致勃勃地跟在地质队员身后，去村子附近的勘探现场看钻井。简单的井架、轰鸣的钻机、不断深入地下的钻头，让他对这项工作产生了浓厚兴趣。有一天在工地，他第一次见到了金刚石取芯钻头，这让他对这种能“剖开大地心脏”的利器愈发好奇。勘探队员反复向他讲述的行业名言“钻头不到，油气不冒”，更在他幼小的心灵里留下了深刻印记。

　　不过，年幼的刘清友也注意到这项工作的另一面：这些工具似乎有些原始，让长期在野外工作的队员们体力消耗极大。他觉得，应该有人想办法发明更轻便的装备和更锋利的钻头，让勘探队员的工作更轻松、更高效。当时，刘清友非常喜欢数理化课，他开始“异想天开”地下定决心要好好学习，将来设计出更先进的设备供勘探队员使用。

　　对于一个普通农村孩子来说，考上大学是实现梦想、改变命运的唯一途径。1982年高中毕业时，刘清友不负众望，不仅考上了大学，还如愿进入心仪已久的西南石油学院（现西南石油大学），圆了从小的“石油学子梦”。由于从小喜欢摆弄各类机械，他毫不犹豫地选择了石油矿场机械专业，正式踏入石油装备领域。

　　西南石油大学校史馆收藏着一只美国休斯公司生产的牙轮钻头，这是1979年邓小平访美时，卡特总统赠送的礼物。这只钻头一直激励着刘清友努力学习。大学四年，他的成绩始终在全年级名列前茅，还多次获得学校的奖学金，这让他得以在家庭十分困难的条件下完成学业。大三时，他还光荣地加入了中国共产党，用“品学兼优”来形容他再恰当不过。

　　1986年7月，刘清友以优异成绩从大学毕业，和许多优秀大学生一样，他毫无悬念地被学校留校任教。三年后，1989年9月，渴望深造的刘清友又考入重庆大学机械工程一系，攻读机械制造专业研究生。当时，全校只有刘清友一人选修“金属切削原理及刀具”这门课程。任课老师因此给予他“VIP待遇”：每周单独授课，布置七八本书让他课后阅读，读完后提交学习总结报告，下一周再向任课教师汇报讲解，之后老师再进行指导并讲授新课内容。这种学习方式效果很好，也让他对刀具设计和钻头材料产生了浓厚兴趣。

　　读研期间，刘清友还参与了原石油工业部所属单位多个装备重点攻关项目，聚焦抽油机、钻井泵和牙轮钻头等产品研发，极大地提高了他的实践水平，积累了丰富经验。最终，他以40个学分的优异成绩（当时硕士毕业需修满28个学分）超额完成学习任务，提前通过硕士论文答辩毕业。他能取得如此高的学分，是因为只要是与石油机械相关的专业课程，他都积极去听。这种“最大化”的学习方式不仅拓宽了他的视野，更培养了他多维度的思考能力，为日后的科研实践奠定了坚实基础。

　　钻头争锋：由浅至深打破国外垄断

　　对刘清友而言，钻头不仅是冰冷的勘探利器，更是有灵魂的“战士”，其坚硬、锋利、顽强的品质，是钻研精神的高度体现。他常说，要像钻头面对岩石那样去面对每一项科研工作，这也是他取得成功的重要经验之一。

　　1992~1993年：硕士毕业后，学校安排他到中国石油成都石油（钻头）总机厂实践锻炼。他先后在钻头研究所和生产车间，系统学习牙轮钻头的设计方法、制造工艺、加工设备和质量控制，并多次到钻井现场了解钻头使用情况、存在的问题和深井钻井提速对钻头性能的需求等。近两年的生产实践，不仅让他对我国钻井技术有了全面了解，也深知我国钻头技术与国外的差距和需要攻关的技术方向。

　　1994年1月，刘清友回到学校后，并未停下学习深造的步伐，又考入西南石油大学石油机械专业攻读博士学位，师从我国钻头技术奠基人马德坤教授，进入新一阶段的钻头技术研究。当时，我国深井石油开采所需的钻头大多依赖“美国造”，但部分高端钻头产品又对我国禁售。为改变这一局面，20世纪80年代初，我国从美国引进了牙轮钻头和金刚石钻头生产线，分别落户湖北江汉钻头厂和四川成都石油机械厂。然而，美国拒绝转让钻头设计等核心技术，这使得我国油气开发在很大程度上仍然受制于外国巨头。

　　为实现技术自主，石油工业部决定在西南石油大学成立我国第一个钻头研究室，自主开展钻头基础研究。该研究室由中国牙轮钻头研究奠基人马德坤教授领衔创建。刘清友进入研究室时，导师马德坤教授正在从事钻柱振动和牙轮钻头破岩机理三维仿真等课题研究。

　　1995年，美国Smithtools公司对西南石油大学钻头实验室的仿真技术产生浓厚兴趣，提出合作开展钻头及钻柱系统仿真研究，以提高钻头寿命与钻速，降低钻井成本。马德坤教授希望刘清友的博士论文以该项目研究为主题。就这样，年仅30岁的刘清友闯入了钻头仿真研究的“无人区”。

　　这是国际前沿课题，无前例可循，也无资料可参考。在马德坤教授的指导下，刘清友将博士论文研究锁定在“牙轮钻头三维仿真研究”和“考虑钻柱弹性变形和岩石相互作用下钻头动力学仿真分析”课题上，深入开展钻柱系统动力学和牙轮钻头破岩机理仿真方面的研究。

　　钻柱系统振动是导致钻头异常失效的主要原因之一。当时，国内外在钻头设计分析时均未考虑钻柱振动对钻头的影响，刘清友便首先聚焦钻柱系统动力学、深层岩石力学与钻头破岩机理研究。刘清友那段“技术员”加“程序员”的生活，被导师马德坤比作“西天取经”。当时研究条件简陋，编写程序全靠自己，从basic语言到Fortran，再到VB语言都靠自学，学习过程十分艰辛。且当时较为先进的286电脑计算能力十分有限，编写程序时一个符号错误或者多一个空格就可能导致整套程序出错。刘清友常常要花几个小时甚至几天时间查找问题，然后从头再来。

　　读博三年，三个春节的法定假日他都没有回家，每年大年初二开始就泡在机房工作。当时计算机房没有空调，正月里寒风呼啸，异常寒冷，刘清友的手冻得僵硬，只能一边写代码一边哈气取暖。那三年，他过着“没有周末和休息，来得最早、走得最晚”的生活，体重掉了20多斤。

　　在马德坤教授的指导和团队成员的帮助下，刘清友最终通过理论和实验研究，揭示了钻柱振动、地层性质和钻井参数等对钻头破岩的影响规律，建立了钻柱-钻头-岩石系统动力学仿真模型，开创性地研制了一套领先的理论模型及软件平台，在牙轮钻头设计分析上取得突破性进展。美国Smith钻头公司在验收时评价：“在钻柱系统动力学、钻头动态设计方法等方面的研究水平达到前所未有的高度”。1999年4月，该技术成功转让给美国SmithTools公司，成为我国石油钻头领域第一项出口技术。

　　1997年9月，刘清友完成博士学业后，又进入重庆大学机械传动国家重点实验室，开展博士后研究工作，继续深耕钻柱动力学及钻头仿真研究。其间，他先后主持了国家自然科学青年基金、中国石油重点科技攻关项目和石油科技中青年创新基金等多个项目，持续聚焦深井钻柱力学、钻头及钻采装置研究，在牙轮钻头及金刚石钻头设计分析上取得突破性进展。博士后出站后，他被西南石油大学破格提升为教授，成为当时学校最年轻的教授，同时担任岩石破碎学与钻头研究四川省高校重点实验室主任、博士生导师。

　　2000年以后，刘清友牵头研究的钻柱动力学及钻头仿真技术理论逐渐成熟并落地应用，在国外严密的技术封锁中“突破重围”，支撑我国核心钻头设计、加工基本实现自主化，在四川盆地、塔里木盆地、渤海湾盆地等油田推广应用。相关成果获2007年四川省科技进步一等奖、2009年国家科技进步二等奖。

　　刘清友的钻头研究也在中国深井和超深井的钻探中发挥了巨大作用。2010年以来，针对“两深一非”复杂地层条件和“千井千样”的提速增效需求，刘清友带领团队提出将牙轮钻头冲击破碎和PDC钻头刮切破碎相结合的复合钻头设计新思路，建立复杂结构井钻井系统多因素非线性动力学模型，自主研制出世界领先的、可同时模拟超深井120MPa高压、200℃高温的岩石可钻性实验机，以及能适应400℃高温的真三轴钻头破岩实验系统；发明针对不同钻井需求的钻头新齿形和新结构，攻克高性能切削齿和胎体制造难题，构建起我国自主的个性化钻头设计制造体系，为深井和超深井钻进提供了动力。

　　多年来，刘清友带领团队，联合多家骨干企业，共研发5大类、12个系列、1700余种型号个性化钻头30万余只，在国内外推广应用，涉及深层/超深层、深水/超深水和“非常规”油气等资源开发领域。这些个性化钻头性能整体达到世界先进水平，部分指标位居世界前列，助力9026米的蓬深6井、9396米的果勒3C井等井屡次刷新亚洲深钻纪录，并为深地塔科1井和新安1井两口万米钻井提供高性能钻头支撑，创造多项世界钻井纪录。团队获省部级技术发明和科技进步一等奖3项。

　　挑战深海：助力“海洋石油981”南海探宝

　　开发海洋油气资源是海洋强国战略的重大需求，但南海油气勘探开发面临强台风、巨浪和内波流等世界罕见的恶劣海况，钻井安全风险极高。2012年5月9日9时35分，“海洋石油981”超深水半潜式钻井平台在水深1500米的荔湾6-1-1井正式开钻，拉开我国海洋石油工业深水战略序幕。“海洋石油981”能够稳稳屹立在惊涛骇浪中，与众多“黑科技”直接相关。刘清友主持研发的隔水管安全控制技术是这些黑科技的核心技术，也是“海洋石油981”最为主要的护身法宝之一。

　　刘清友能成为“海洋石油981”隔水管安全控制技术的研发者，既是偶然，更是实力使然。2012年，时任西南石油学院副校长的刘清友在青岛参加国家自然科学基金委的双清论坛交流会议，会上他做了关于深井钻柱系统动力学的学术报告，赢得了与会者热烈掌声——一位鼓掌者是中国工程院院士、著名海洋石油开发工程专家周守为。

　　会后，周守为找到刘清友，告诉他中国海洋石油正在自主设计、建造的第六代半潜式钻井平台“海洋石油981”。但南海风高浪急、环境险恶，隔水管的安全措施尚在讨论之中，他问刘清友能否担起解决这个问题的重任。

　　彼时，刘清友及其团队已在深井高速牙轮钻头、深井钻柱系统动力学领域钻研十余年，从理念到实践都有深厚积累，但对于海况复杂险恶的深海勘探重器的隔水水管系统却从未涉足。事关国家重器，刘清友谨慎地回复周守为院士：“我以前确实没做过，但我们很想做。我回去和团队成员研究一下，进行初步调研后再回复您。”周院士表示理解：“这是国家大事，确实需要三思而后行。”

　　刘清友回去后，立即与多名科研团队骨干成员对世界海洋勘探领域隔水水管系统的研究情况进行了初步调研，并展开讨论。他们认为，团队现有的研究基础能够支撑向深水领域进行转化，尽管困难重重，但团队的人员配置、研究水平和创新渴望完全能够应对挑战。获得团队支持后，迫切希望参与“海洋石油981”建设的刘清友再次联系周守为院士，明确表达了接受这项研发任务的意愿。从那天起，刘清友组建的集结多学科人才的隔水管项目组，正式成为国家科技重大专项——“海洋石油981”的研发创新团队之一。

　　深水钻井与陆上钻井的最大区别在于，需要通过隔水管建立钻井平台与海底井口的通道，起到隔绝海水、导入钻具和套管、构成泥浆循环的作用。在海况恶劣的南海，这根连接平台和海底、长达3千米、最外层直径仅半米的管柱，既要承受海流、海浪、浮力、海水外压、平台移动、自身重量等载荷，又要受到内部钻井液压力、钻杆摩擦、张紧拉力等多种因素影响。如何实现其安全控制，一直是世界深水钻井领域的核心技术难题。

　　刘清友及其团队首先自主研制出世界首套基于钻井和海洋工况耦合作用的深水钻井隔水管力学性能实验系统，并在上海交通大学海洋工程国家实验室完成了剪切流作用下的深水钻井隔水管力学性能实验。前后历时近6个月，进行了1000多种交叉实验研究，他们最终发现隔水管最大变形发生在平台到海底三分之一的位置，且隔水管上下两端拉力与钻井液的密度和排量密切相关。这两个发现分别被称为“三分之一”效应和“上下边界线”效应。

　　找到症结所在，刘清友及其团队对完成科研任务更有信心。在缺乏借鉴经验和参考文献的情况下，他们探索建立了深水隔水管系统安全控制技术，编著全球首部《深水隔水管系统安全设计与操作手册》，制定深海钻井安全操作准则。这些研究成果确保了“海洋石油981”进行深水、超深水钻井的安全可靠，助力陵水、荔湾、流花等多个亿吨级深水油气田的勘探发现与安全生产。

　　作为该项目研发参与者之一，刘清友及其团队在隔水管系统方面的研究成果和发现，在实践中发挥了重要作用，是整个钻井平台系统的核心创新成果之一。美国船级社（ABS）评价：“该成果是全球深水钻井安全控制技术的新突破。”他们的研究成果于2014年荣获国家科技进步特等奖，2016年获中国石化联合会科技发明一等奖，2019年获四川省科技进步一等奖。

　　动力澎湃：助力中国页岩气革命

　　2018年，中国石化吹响向涪陵页岩气田进军的号角。但四川涪陵油气储量中，深层、超深层及页岩气等非常规油气资源约占2/3，且大多地处山区，常规压裂机组已无法满足复杂地质与地表条件下资源的安全高效开发。因此，自主创新研制超高压、轻量化、大功率油气压裂装备机组成为当务之急。国家“十二五”科技重大专项“3000型成套压裂装备研制及应用示范工程”正是为解决此问题而立项。

　　压裂装备的工作原理是通过高压泵将含有支撑剂（如砂子）的液体注入地下深处的岩石中，创建裂缝并保持其开放，使石油和天然气能流回地面。其中，压裂装备的泵送系统是实现“地层压裂-裂缝支撑-油气增产”的关键设备，其性能直接影响压裂施工的成败和油气井的产能提升效果。传统泵送系统体积庞大、功率较小，难以适应四川山地的作业环境，因此，研制高压、轻量化、大功率的新一代泵体为压裂装备提供动力，成为中国石化委托给刘清友的主要任务。

　　作为该成果专题技术负责人，刘清友牵头构建超高压大功率压裂泵“材料-结构-传动”系统动力学模型，研制出百万冲次实验测试装置，提出基于抗疲劳裂纹扩展的泵头体材料调控工艺，建立起基于缸数、冲程、冲次、连杆负荷和传动结构的“五因素”轻量化设计方法，攻克了振动控制、泵头体寿命及轻量化设计等关键技术，支撑我国研制出世界首套超高压大功率轻量化压裂装备的产业化生产，并实现3000型柴驱、5000型电驱等系列大型压裂装备。这些装备关键指标国际领先，有力支撑了涪陵、长宁-威远等国家级页岩气示范区建设，助推中国页岩气革命正式拉开大幕。依托该项目形成的“超高压大功率油气压裂机组研制及集群化应用”，获得2015年度国家科技进步二等奖。

　　在投身大国重器的同时，刘清友还与团队成员开展基于地质工程一体化的四川盆地页岩气钻井提速关键技术与装备研究。其主要内容包括地质-油藏工程-方案研究一体化，钻井和完井设计-施工工艺一体化，质量-安全-环保-评价全过程管理一体化。历经十余年攻关，针对四川盆地页岩气埋藏深、地应力高等世界罕见难题，在国家973项目和科技重大专项资助下，刘清友等人以地质建模为基础，发明复杂页岩气储层“地质-工程”双甜点评价新方法、复杂难钻地层高效增压提速与动态多因素个性化钻头设计方法、基于双甜点的地质工程一体化分段体积压裂参数优化方法；自主研发系列个性化高效复合钻头、长水平段钻井参数智能控制机器人和专用压缩机等高性能关键工具与装备，形成具有中国自主知识产权的四川盆地页岩气地质工程一体化高效开发关键技术与配套装备，显著提升了我国页岩气装备的技术水平和国际竞争力。

　　截至2024年，相关研究成果已在四川盆地长宁、威远、涪陵等页岩气田大规模应用834井次，通过延长钻头使用寿命、缩减钻井周期、提升压裂效率及单井测试产量，为中国页岩气高效开发关键技术与装备的进步提供了重要支撑。2024年3月28日，四川省科学技术奖励大会暨第三届“四川杰出人才奖”颁奖仪式在成都举行，“四川盆地页岩气地质工程一体化高效开发关键技术与装备研发”获得科学技术发明奖一等奖。

　　面向未来：探索智能钻井与前沿技术

　　2022年12月，刘清友给五年后的自己写了一封信，信中提到两个心愿，第一个心愿是作为校长，一定要坚持立德树人根本任务，做好为党育人、为国育才的首要工作。“既是科学家也是教育家”的刘清友，自1986年7月大学毕业留校任教后，便与学生建立了深厚情谊，对待那些比自己小几岁的学生如同兄弟姐妹。他每天去学生寝室沟通交流，喊他们起来跑步，与他们谈心，动员他们考研……此后，他相继担任西南石油大学研究生部主任、副校长，西华大学校长，成都理工大学校长、党委书记，同时作为教授和博士生导师，累计培养了67名硕、博士生，12名博士后，其中5人入选国家级人才。他参与获得国家教学成果二等奖1项、四川省教学成果特等奖1项，牵头获得四川省教学成果一等奖1项，为国家培养了大量石油科技人才。应当说，他的这一心愿已经提前完成了。

　　信中的第二个心愿则更多的是面向未来：“5年后的今天，希望自己带领团队在智能钻井机器人研究方面取得突破性成果，支撑我国复杂地层油气高效开发。”多年以来，刘清友和团队围绕“两深一非”，持续攻关，取得了令人瞩目的成就。进入AI时代，团队的目标未改，初心始终未变，但在实现方式上却发生了巨大变化，他们开始更多地采用智能技术赋能油气开发。

　　2009年，刘清友就大胆提出“未来智能钻井系统”构想，即在井下钻头附近安装可视化智能系统，实时监测钻头运行轨迹、识别地下岩层类型、自动调整钻井参数。经过多年研究，2022年，他自主研发的国内首台井下连续管钻井机器人样机在广汉成功完成首次工业试验，极大提升了钻井作业的智能化和自动化水平，再次引领国际前沿。

　　2023年11月，刘清友牵头的“井下机器人智能钻完井模拟实验系统研制”项目，获批国家自然科学基金重大科研仪器研制项目。该项目是继2019年“四川盆地深层页岩气安全高效钻井基础研究”获批国家自然科学基金联合基金重点项目后，在智能钻完井方面取得的又一重大新突破。2025年1月19日，该项目审查会在成都理工大学召开，得到国家自然科学基金委、四川省科技厅领导及多位院士、专家的高度认可，一致认为该系统研发成功后，对推动我国油气钻采装备领域科技自立自强、助力深层非常规油气勘探开发具有重要意义。

　　刘清友团队的另一项前沿技术研发方向是井下机器人。他们计划利用井下机器人在井下打多分枝微小井眼，再通过爆破技术形成井下网格化分布，让页岩气从井眼中渗透出来，这一技术有望为解决四川丘陵山区因缺水导致的页岩气采集难题提供新方案。

　　2025年7月，刘清友又提出了一项更为前沿的技术创新课题。目前，国外的部分科研机构已开始尝试利用回旋震荡管发射的毫米级射频波穿透坚硬岩石，使岩石熔化蒸发，从而实现钻进。但毫米波技术因成本高、存在诸多技术盲区等原因，仍处于实验阶段。对此，刘清友建设性地提出将传统钻井技术与毫米波钻井相结合，形成“毫米波与钻头复合破岩钻井新技术”。目前，刘清友团队正集中优势科研力量对该课题开展调研，一旦取得突破，将成为钻井行业的颠覆性创举。

　　总结多年科研工作，刘清友认为做好科研需具备5个要素：确定好的研究方向、组建好的研究团队、配备必要的基础条件、将理论与实际相结合、能持之以恒地坚持。在这五要素之外，刘清友始终秉持的理念是“科研报国”。多年来，在这一理念的烛照之下，他始终将个人学术追求与国家能源安全战略同频共振，持续攻关，不断打破国外技术垄断，为中国能源油装备的自主创新，以及迈向绿色、智能、高效的新阶段，书写了新篇章。

　　过往虽然辉煌，但已是昨日诗章。面向未来，刘清友教授将和团队成员一起，持续破解众多科研课题，描绘智能钻井之光，为“把能源的饭碗端在自己手里”提供更多新答案。

作者：崔玉波