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《石油學報雜志》2016年第二期

摘要：

通過詳細介紹仿生學在石油工程領域的發展現狀，提出了石油工程仿生學的概念，指出了建立石油工程仿生學的必要性，概括了石油工程仿生學的特點和研究方法，并梳理了其發展趨勢。目前，仿生學在鉆井、管道、井筒等領域取得了實質性進展。未來石油工程仿生學研究應遵循科學的研究方法，按生物原型階段、數學模型階段和工程實現階段循序漸進地加深研究成果，盡可能避免模仿的復雜性；同時加強在模仿中的創造與創新。石油工程仿生學發展應以生產中的技術需求為根本出發點，以改善現有的或創造嶄新的技術系統為目的，有層次、分階段地開展應用研究，在功能材料、表面性能、信息獲取與處理、工程實現等方面為關鍵技術問題的突破提供創新性解決方案和技術手段，經知識積累、成果轉化和工業化應用3個階段，逐漸形成涵蓋勘探、開發、工程的仿生技術體系。

關鍵詞：

仿生學；石油工程仿生學；仿生技術體系；材料仿生；表面仿生；信息仿生；工程仿生

為了適應環境、延續生命，自然界中的生物經過億萬年的進化和優勝劣汰，造就了近乎完美的結構、形態和功能。五彩繽紛的自然界一直是人類產生各種技術思想和發明創造靈感的不竭源泉，從千百年前模仿蜘蛛織網發明漁網，到近代模仿鳥類飛翔發明飛機，再到21世紀模仿鯊魚皮結構發明鯊魚皮泳衣，人類一直在向大自然學習，利用仿生原理和思想推動技術進步，對仿生學的使用也從無意識向有意識轉變。仿生學是研究生物系統的結構、性狀、原理、行為以及相互作用，從而為工程技術提供新的設計思想、工作原理和系統構成的技術科學［1］。自仿生學誕生到20世紀末，科研工作者經過幾十年的探索，逐步加深了對仿生學的認識和理解，初步掌握了仿生學研究方法，完成了基礎知識的積累。進入21世紀，仿生學的思維和方法迅速滲透到各個學科和行業，研究成果大量涌現，根據發表科學論文數量推斷，這一階段的成果占了總數量的近90％。在這一時期，仿生學在石油工程中也出現了應用案例，不僅利用仿生學理論解決了鉆井、管道防護等技術難題，并且對石油工業的技術創新理念和思維也產生了日益重要的影響。本文介紹了仿生學在石油工程領域的一些重要研究成果，在對仿生學在石油工程領域發展歷程深入分析的基礎上，提出了建立石油工程仿生學的必要性，并概括了石油工程仿生學的研究特點和方法，梳理了其發展方向。

1仿生學在石油工程領域的應用現狀

仿生學的本質是模擬生命系統，其學科結合和行業結合的特點促進了優秀的仿生研究成果從科學研究走向生產實踐，最終投入實際應用。仿生學和石油工程的交叉在鉆井、管道、井筒、油藏等領域也產生了一些研究成果。

1．1鉆井領域

1．1．1仿生鉆井液井壁穩定問題一直是困擾國內外鉆井的難題，水平井比直井的井壁失穩問題更加突出［2］。中國石油大學（北京）根據海洋生物貽貝足絲蛋白的超強黏附能力，研制了仿生強固壁鉆井液體系［3］。該技術在聚合物主鏈上接枝類似貽貝足絲蛋白中的一種關鍵基團，合成類似貽貝蛋白質的水溶性聚合物。仿生鉆井液體系在巖石表面自發固化形成致密且具有黏附性的“仿生殼”，起到維持井壁穩定的作用。試驗井現場鉆井試驗表明，該仿生鉆井液體系在抑制鉆屑分散、穩定井壁、攜屑等方面效果顯著［4］。此外，模仿細菌結構開發了含仿生絨囊的鉆井液［5］，在鉆井過程中無需固相即可暫堵漏失儲層。目前，仿生絨囊鉆井液已在煤層氣欠平衡鉆井、空氣鉆井、防漏堵漏、快速鉆進等方面發揮了作用。

1．1．2仿生PDC鉆頭機械鉆速與使用壽命是衡量鉆頭性能的兩個重要指標［6］，聚晶金剛石復合片（PDC）鉆頭因其出色的切削巖石速度和較長的使用壽命已成為最常用的破巖工具之一。然而，常規PDC鉆頭依然存在金剛石與硬質合金結合力不足、防黏效果不明顯、磨損較快等缺點，為此，吉林大學開展了仿生鉆頭研究工作，研發的仿生鉆頭已從最初的單一功能仿生，發展到目前的耦合仿生，鉆頭性能也由單一的減黏脫附發展到減阻、耐磨、切削效率等指標的綜合提升［7－9］。仿生耦合PDC鉆頭借鑒了竹子中纖維素和木質素的分布方式，牙齒中有機／無機2種不同材料的梯度復合形式，樹木的年輪排布，貝殼表面的非光滑形態，以及螻蛄前足的快速挖掘特點等多種生物特性，并將其進行耦合設計，如圖1所示。現場試驗表明，仿生耦合PDC鉆頭比常規PDC鉆頭鉆進速度提高1．5倍，縮短了施工周期，降低了鉆井成本。

1．2管道防護

1．2．1仿生水草海底防沖刷技術海底管道是海上石油輸送上岸的主要方式［10］，然而，海底復雜流場所引起的海底沖刷造成了管道懸空，給海洋采油安全和海洋環保帶來重大風險。由于常規水下拋石、砂包堆壘、混凝土沉排墊等方法效果不理想，中國石油大學（華東）和中國石油化工股份有限公司勝利油田分公司提出了一種模擬海草黏滯阻尼作用的仿生水草海底防沖刷技術［11，12］，原理如圖2所示。當海底水流經過仿生水草時，其流速降低，減小了對海床的沖刷；同時，仿生水草促進海流攜沙的沉降淤積，逐漸形成被仿生水草加強的海底沙洲，達到了埋管目的。現場試驗表明，防沖刷仿生水草施工1年后泥沙淤積厚度達20～50cm，防護效果良好。該技術在海管懸空治理中得到了大范圍推廣應用。

1．2．2仿生血小板管道修復技術英國Brinker公司模仿血小板在傷口處凝結的原理，開發了一種管道修復技術［13］。在管道流體中加入Platelets微粒，當其流至裂縫處時，流體壓力迫使其進入裂縫，達到阻止泄漏的目的，如圖3所示。該技術已應用在BP公司Foinaven油田的注水管道和阿帕奇公司在Forties油田超期服役的原油集輸管道上，為管道安全運行發揮了重要作用。

1．3井筒領域

1．3．1仿生泡沫金屬防砂技術中國疏松砂巖油藏分布范圍廣、儲量大，開采過程中必須采取防砂措施。根據骨松質的三維立體結構，提出了一種仿生泡沫金屬防砂技術［14］。泡沫金屬內部為三維孔隙結構［圖4（a）］，砂體進入孔隙后沉積在其中，但流通孔道不會被堵死，實現了常規平面防砂到三維立體防砂的轉變［圖4（b）］。基于仿生泡沫金屬的復合防砂管［圖4（c）］，由不同孔隙度的多個泡沫金屬防砂層、導流層、保護層等組成，該結構不僅擴大了防砂的粒徑范圍，還保障了防砂管的滲流能力和結構強度。目前，已發展出防砂粒徑0．15mm、0．25mm、0．35mm的系列化仿生泡沫金屬防砂工具，在油田應用5口井，對于出砂嚴重的井，防砂效果顯著，大幅延長了檢泵周期。

1．3．2仿生非光滑表面膨脹錐技術膨脹管作業過程中，膨脹錐與膨脹管內壁間存在巨大的摩擦阻力。為了降低摩擦阻力，提高膨脹錐的耐磨損性能，以穿山甲為仿生對象，模擬其體表的高強度保護鱗片結構，研發了仿生非光滑表面膨脹錐［15］（圖5）。仿生膨脹錐變徑段采用激光刻蝕、超音速火焰噴涂、離子束沉積等方式進行表面織構蝕刻以及表面硬質涂層涂覆。仿生膨脹錐在中國石油大慶油田進行了4井次的現場試驗，結果表明，與傳統脹錐相比，仿生膨脹錐降低膨脹壓力15％以上，表面無明顯磨損痕跡，延長了使用壽命，降低了作業風險。

1．3．3仿生振動波通訊技術自然界中，沙蝎、大象等動物能感受由固體介質即大地所傳導的振動波，據此進行信息傳遞。受此啟發，研發了一種仿生振動通訊技術［16］，該技術在井口安裝大功率振動信號發生器作為波源，油管或套管為傳輸介質，將振動信號傳輸到井下，井下工具接收到振動信號并進行解調處理，實現地面和井下無線傳輸，技術原理和振動信號發生器如圖6所示。

1．4油藏領域納米機器人是仿生信息感知和傳遞的典型代表。納米級機器人隨著注入流體進入油藏中，記錄分析油藏壓力、溫度以及流體形態，并將這些信息儲存在隨身內存中，之后納米級機器人從產出流體中被分選出來，進而提供了在油藏旅途中提取的重要信息。沙特石油公司已經對納米機器人的尺寸進行了評估，對加瓦爾油田阿拉伯－D油藏中的850塊巖心進行了分析，得到了孔隙－喉道尺寸分布圖，大多數孔隙喉道尺寸大于5μm。為了避免橋堵，納米機器人的尺寸應為孔隙喉道的約1／4。目前，納米顆粒注入試驗以及軟件模擬等工作已在進行中［17－19］。此外，國內外近年來提出了仿生形狀記憶聚合物材料（ShapeMemoryPolymer，簡稱SMP）［20，21］，利用SMP材料能夠在轉變溫度控制下隨意變形的特性，設計了結構簡單、座封可控的仿生封隔器，座封過程不受井下流體性質影響，膠筒尺寸可定制，并且通過調節SMP的轉變溫度，可適應不同井下溫度，以滿足不同井深條件下的完井需求。除了硬件，還出現了“軟性”仿生研究成果。例如，中國科學院王守覺院士提出了“仿生模式識別”的概念，將傳統模式識別的“區分”事物轉變為“認識”事物，使之更接近人類“認識”事物的特性［22］。石油工作者將這一理論應用到了油氣管道工況識別中，在樣本較少的情況下取得了較高的識別準確率［23］。

2石油工程仿生學發展展望

目前，仿生學雖然已經在石油工程領域取得了一定的研究成果，有些甚至已經在油田現場試驗，但仿生學與石油工業的結合依然只是“星星之火”，沒有達到燎原之勢。為了系統、全面地推動仿生學與石油工程的融合，向自然界尋找推動石油工業進步的靈感和啟發，2009年中國石油勘探開發研究院成立了中國第一個石油工程仿生研究部門，開展仿生學在石油工程中的應用研究。

2．1建立石油工程仿生學的必要性經過幾年探索，筆者所在的石油工程仿生研究部門開展了仿生泡沫金屬防砂、非光滑表面、仿生振動波傳輸等多項研究，取得了階段性成果，部分已進入現場應用階段。總體來說，通過專項研究迅速找到了石油工程和仿生學的結合點，并從最初的研究思路轉化為研究成果，成功應用于石油工程現場，解決了油田技術需求。這充分說明了開展石油工程和仿生學的結合研究是合理的、可行的，從長遠來看，建立“石油工程仿生學”是非常有必要的。“石油工程仿生學”是借鑒生物系統的結構、原理、功能等特征為石油工程技術難題提供解決方案的應用科學。建立“石油工程仿生學”意味著更加系統地開展仿生學在石油工程領域的應用研究，有利于更有針對性地發掘石油工程的仿生創新源頭，有利于更有目的性地開展仿生基礎研究，有利于加速仿生學科研成果的應用轉化，有利于仿生學思維和方法在石油工程領域的普及與傳播，以點帶面，促進石油工程與仿生學的全面結合。

2．2石油工程仿生學的研究特點石油仿生學研究可以分為3個階段：生物原型階段，數學模型階段和工程實現階段。首先研究生物某種功能的實現機制和結構特點；然后研究并簡化其結構，抽象出物理模型，進而建立數學模型；最后采用技術手段，制備實物模型，實現對生物系統的工程模擬［24，25］。仿生學作為前沿領域，研究成果大多屬探索類，注重理論性和超前性，而石油工程作為應用行業，以現場需求為驅動力，更加注重科研成果的實用性和推廣性。因此，在科研實踐中，石油工程仿生學應以滿足生產中的技術需求為根本出發點，以改善現有的或創造嶄新的技術系統為目的，有層次、分階段地進行單元仿生或多元耦合（協同）仿生［26］研究。同時，石油工程仿生學在模仿生物的特性或功能時，要盡可能避免模仿的復雜性，要在模仿中創造（創新），研究成果與仿生原型并不一定完全相同，以期最快地解決生產實踐難題，然后循序漸進地加深研究成果的仿生特性，由研究成果實用化向仿生最優化分階段推進。根據這一特點，確定了石油工程仿生學研究和應用的2種主要方式：①需求驅動型，在石油工業的科研和生產實踐中提出技術問題或功能需求，有針對性尋找并借鑒生物的同類或相似功能，經過可行性研究后開展仿生學三階段研究工作；②源頭驅動型，加強與世界仿生學研究機構之間的交流與合作，密切關注仿生學或生命科學研究的最新成果，找準其與石油工業技術需求的結合點，開展應用研究。筆者研究團隊的研究成果充分體現了石油工程仿生學研究特點的適用性，驗證了研究方法的合理性與可行性。例如，泡沫金屬研發之初采用泡沫鎳作為基材，雖然在技術上具有明顯優勢，但高昂的價格阻礙了推廣應用，為此，繼續開展研發工作，開發出不銹鋼泡沫技術，使其具有了推廣應用的條件；仿生非光滑表面膨脹錐技術則是充分借鑒了其他研究機構的成果，優化改進之后應用于膨脹錐，不僅解決了油田生產難題，還促進了仿生研究成果的應用轉化；仿生振動波通訊技術則是在原理上借鑒了動物的通訊方式，但在實現過程中通過大幅提高信號發射強度的方式避免了高靈敏度、小信號接收器開發的復雜性，從而在最短時間內實現生產井指令由地面到井下的無線傳輸。

2．3石油工程仿生學的發展方向

隨著石油工程仿生學系統性研究的啟動，研究內容體現出了明顯的方向性，但研究的深度和廣度依然不足。根據石油工業的技術現狀、需求和特點，以及仿生學的整體發展水平，未來石油工程仿生學應注重材料仿生、表面仿生、信息仿生和工程仿生4個方面的系統性研究，以點帶面，形成涵蓋勘探、開發、工程的仿生技術體系。

2．3．1材料仿生材料仿生的目的是仿制天然材料或利用生物學原理設計和制造具有生物功能，甚至是具有真正生物活性的材料。石油工程領域的材料仿生主要分為2類：①在機械、電學、化學、物理等方面具有仿生特性的主體材料，此類材料或在宏觀上體現出明顯的仿生特征，或通過外場刺激可調控其分子的長度、結構、化學組成、表面形貌等，進而調控材料性能，如輕質高強材料、仿生記憶材料、壓電材料、可降解材料等，該類仿生材料主要用來替代石油工業中常用的鋼鐵、橡膠、陶瓷等，作為其核心功能部件，或作為傳感器敏感元件，大幅提升現有材料、工具以及傳感器的性能指標；②具有強化、修復、潤滑、保護等作用的微觀仿生材料，提高現有制劑性能、界面結合效果等，此類仿生材料多以添加劑的方式應用。

2．3．2表面仿生自然界許多生物體的表面結構是非光滑的，無論是陸地、海洋或是天空中的生物，其表面的不同形貌往往都是為適應不同的生活環境經過長期進化而來的，而表面仿生是在仿生對象表面實現類似生物的表面結構，從而表現出更好的表面性能。未來，石油領域的表面仿生多是對機械部件表面進行處理，重點應集中在仿生非光滑表面和仿生浸潤性兩個方面。加強對不同生物功能表面結構的研究和模仿，將仿生非光滑功能表面應用到大量處于惡劣環境中的設備、管線、平臺中，提高運動組件的減阻、耐磨、脫附等性能，以及非動組件的防腐、防垢等特性，延長裝備壽命，提高作業效率，降低安全風險；對材料表面進行仿生浸潤性處理，使其具有自清潔、親油、疏油、親水、疏水等不同浸潤性特征組合，從而衍生出新的功能特性。目前正在利用表面仿生技術對前文提到的仿生泡沫金屬進行處理，利用低溫等離子體表面處理技術，在泡沫金屬表面涂覆一層厚度為30～40nm的聚全氟烷基硅氧烷薄膜，使其具有新的表面浸潤性特征，根據需要實現疏水、親水、疏油、親油等不同特性組合，在工礦、石化、冶金、機械、環保等領域具有廣泛的應用前景［27］。

2．3．3信息仿生信息仿生主要是對生物信息獲取、大數據處理以及生物間信息溝通、協同等特性的模擬與實現。石油工程領域的信息仿生主要可分為2類：①借鑒生物在信息感知和傳遞方面的特性，研制新型傳感或信息傳遞裝置，提高信號采集的精度、廣度及適用范圍，此類信息仿生技術可用于油田生產數據的精確采集，以及信息的高效傳遞，從而提高油田生產狀態的實時監測與控制水平；②在信息處理方面借鑒生物的大數據處理機理和方法，提高大數據處理能力和智能化水平，建立決策機制，并將其應用在地震解釋、油藏認識、開發方案制定以及油田綜合管理等方面，促進油田勘探開發高效運行。

2．3．4工程仿生目前，工程仿生是對生物某種功能的模仿，注重仿生功能的實現，不強調機理相似：①對生物功能的模仿和實現，此類仿生多是受某種生物功能啟發，注重結構相似或生物功能的工程實現，體現生物功能的智能性，并能夠滿足生產實踐需求。目前，石油工程領域的控制方式正在由傳統的機械方式向自動化和智能化方向轉變，在這一轉變過程中引入工程仿生，不僅能夠優化功能結構和控制方式，還能夠促進功能拓展，提高作業效率和便捷化程度。②材料仿生、表面仿生、信息仿生等方面的工程實踐方法。現有的諸多仿生學研究成果還局限在實驗室環境，在其向工業應用轉化的過程中，一方面要解決成果本身的適用性問題，另一方面需要具備切實可行的工程實踐手段。

2．4發展展望石油工程與仿生學的結合依然處于初級階段，大多數研究成果為“形似”仿生。隨著生命科學研究水平的提高以及技術手段的完備，生命科學從生物結構、功能、特性等研究，逐漸深入到生命活動規律、發育規律、生命本質、生物之間和生物與環境之間的相互關系等研究。生命科學的發展加深了對生命本質的認識，不僅能夠拓寬石油工程仿生研究的廣度，更加深了研究深度；反之，石油工程仿生學的發展也使得人們在具體的科研實踐中深化了對生物本身及其活動的理解，進一步促進生命科學研究，并將研究成果有形化［28］。此外，電子、材料、控制等學科的技術進步也將促使石油工程仿生研究成果越來越“神似”。石油工程仿生學未來發展大概可以分為3個階段，即知識積累、成果轉化和工業化應用（圖7）。2020年前，為知識積累階段，任何一個學科領域的發展，都需要長期的知識積累，其中既包括仿生學基礎理論知識的積累與儲備，也包括石油工程仿生學研究人才和研究方法的積累，這一階段要不斷加深對仿生學本質的認識與理解，探索并逐漸形成石油工業與仿生學的結合模式；2020年到2025年為成果轉化階段，對實驗室研究成果進行簡化和魯棒研究，使之在性能或功能上能夠滿足現場應用的要求，形成基本完備的工程實現技術和手段；2025年后，部分研究成果在生產、成本、效率、能耗、作業工藝等方面能夠滿足大規模工業化應用的要求。2008年提出的仿生井概念是未來石油工程仿生發展的集中體現［17］，代表了未來石油工程仿生研究成果的高度融合。未來的油井會像植物一樣“生長”，像植物尋找土壤中濕潤的地方一樣尋找油氣，一旦鉆好垂直井（種植井）后，井將會“按自己的方式生長”。一個智能的分支會延伸到一塊含油區域，一旦該區域水淹后，就將這個分支“砍掉”，并在另一個含油區域“長出”另一個分支，如此反復。

3結語

21世紀是各種自然科學高度綜合、相互交叉、彼此滲透的時代，仿生學是溝通各學科、行業的橋梁。中國科學院中國現代化研究中心［29］指出，過去500年里，世界上先后發生了5次科技革命，目前，第6次科技革命正向我們走來。從技術角度看，第6次科技革命，可能會以生命科學為基礎，融合信息科技和納米科技，是一次“創生和再生革命”，具體包括仿生、創生、再生的“三生”技術革命，主要涉及生命和再生工程、信息和仿生工程、納米和仿生工程等［29］。路甬祥院士指出，隨著人們對生態環境關心的日益迫切，將引發過程仿生學、能源仿生學等發展［1］。師法自然，石油工程仿生學的建立和發展，不僅順應時展的潮流，符合科學研究的規律，更滿足自身發展的技術需求。“智者千算，天只一算”，實踐證明，仿生學能夠為石油工業的發展與創新提供更可靠、更靈活、更高效、更經濟的技術系統。材料仿生、表面仿生、信息仿生、工程仿生4個研究方向，涵蓋了石油工業的絕大多數生產需求，將在功能材料、表面性能、信息獲取與處理、工程實現等方面為關鍵技術問題的突破提供創新性解決方案和技術手段，進一步推動石油工業的技術進步。

作者：劉合 楊清海 裴曉含 鄭立臣 付濤 石白茹 魏松波 陳琳 單位：中國石油勘探開發研究院