郭慧娟：用數(shù)值仿真為石油工程把脈問診

在中國石油集團工程技術研究院有限公司（以下簡稱“工程院”）石油工程數(shù)值仿真實驗室，巨大的屏幕上展示著萬米深井鉆井過程的動力學仿真模型。在長桌前，數(shù)值仿真實驗室主任郭慧娟正和團隊成員討論和分析鉆具組合結構。

“在石油鉆探過程中，數(shù)值仿真就像醫(yī)院的CT掃描，能透視分析對象的變形和受力情況。我們團隊的工作內容就是用計算機模擬工程作業(yè)的過程，優(yōu)化設計方案，預判潛在風險，大幅縮短產(chǎn)品研發(fā)周期，降低研發(fā)成本，同時提升工程效率和安全性。”郭慧娟介紹。她將數(shù)值仿真技術引入并應用在了石油工程領域，用20年時間將這把“利器”淬煉得鋒芒畢現(xiàn)。

不久前，郭慧娟入選達索系統(tǒng)SIMULIA 2025年度全球冠軍成員。SIMULIA冠軍計劃旨在遴選在仿真技術應用及創(chuàng)新方面表現(xiàn)卓越的專家，郭慧娟是國內石油領域首位入選者。

2006年，在中國石油大學（北京）修完碩士一年級課程的郭慧娟，來到中國石油勘探開發(fā)研究院（以下簡稱“勘探院”）實習，得到利用有限元方法模擬12000米鉆機剎車盤熱裂紋產(chǎn)生過程的研究課題。這一課題研究涉及傳熱學、摩擦學、熱疲勞、斷裂損傷以及數(shù)值仿真技術。對于機械專業(yè)出身的郭慧娟來說，很多領域都是未知的。為了盡快建立剎車盤熱疲勞數(shù)值模型，她主動補充相關的理論知識，學習仿真軟件，在勘探院圖書館經(jīng)常一泡就是一整天。經(jīng)過幾個月的努力，她終于編寫出剎車盤熱疲勞模擬程序。

但新的問題很快出現(xiàn)——她模擬出來的剎車盤熱應力循環(huán)曲線間隔異常。她將模擬出的曲線打印出來，鋪在辦公室外的走廊地板上反復研究，卻總是找不出問題所在。一個偶然的機會，同學向她推薦了中國石油大學（北京）教力學的教授徐奎，老師一句“你加上材料阻尼系數(shù)試試”的建議給了她靈感。經(jīng)過上機調試，原本異常的循環(huán)曲線完美展現(xiàn)。

在此基礎上，她不斷調整剎車時間與冷卻水排量模擬熱應力，推算出兼顧經(jīng)濟和剎車盤壽命的最佳冷卻水排量。按她的方案調整后，剎車盤壽命提升近兩倍。這項成果助力相關項目榮獲國家科技進步獎一等獎。

學習數(shù)值仿真技術的經(jīng)歷和取得的成果，讓她發(fā)現(xiàn)這一技術能夠為石油工程提供很大的幫助。她也因此堅定了在這一領域深耕的決心。

2007年碩士畢業(yè)后，郭慧娟進入中國石油鉆井工程技術研究院（以下簡稱“鉆井院”）。彼時的數(shù)值仿真技術在石油工程領域還是新鮮事物。由于擁有使用仿真技術的經(jīng)驗，她很快成為鉆井院的“公共計算員”，最多時有七八位同事排隊等她幫忙建模計算。這樣的狀態(tài)持續(xù)了十幾年，她卻樂在其中：“這項工作能驗證設計方案是否最佳，探索工程中的失效機理，讓我很有成就感。”

對于郭慧娟來說，自己獲得的越來越強的數(shù)值仿真建模能力是最大的回報。這方面能力的提升讓她在處理實際工程問題時更加專業(yè)。她也在石油工程領域不斷開拓數(shù)值仿真技術新的應用場景。

2009年，西氣東輸工程穿越渭河過程中，六級擴孔鉆具斷裂導致項目一度中止，某高校提交的理論報告工程上“無從下手”。剛碩士畢業(yè)兩年、懷有身孕的郭慧娟臨危受命，趕赴現(xiàn)場。她回憶：“到了現(xiàn)場，看到停滯的工程，我覺得責任重大。”為了搶時間，她回京后幾乎住在了辦公室，經(jīng)過連續(xù)一周的數(shù)據(jù)梳理、模型建立和調試，順利完成對穿越過程的模擬。隨后，她開展了15種組合的模擬，結合工藝需求提交了最佳鉆具組合，指導施工團隊一次穿越成功。

這場技術攻堅不僅節(jié)約施工成本上千萬元，還開創(chuàng)了我國復雜地質管道穿越的數(shù)字化先河，該成果還榮獲中國石油集團公司科技進步獎一等獎。

利用仿真探索機理，郭慧娟在石油領域開展諸多創(chuàng)新。例如，在鉆井過程中使用膨脹管技術如同為井筒安裝“血管支架”，能夠發(fā)揮重要作用，但該技術一直被美國壟斷。2010年郭慧娟加入鉆井院的膨脹管課題組，通過建立膨脹過程仿真模型，先后攻克大膨脹率螺紋密封和懸掛密封難題，打破國外技術壁壘。沙特阿美石油公司曾一直依賴美國的膨脹管產(chǎn)品。2018年，其項目經(jīng)理與工程院開展技術交流。看到郭慧娟團隊為膨脹管產(chǎn)品開展的全鏈條數(shù)值仿真模型，他豎起大拇指，改變了對中國技術的偏見，很快與工程院簽訂合作合同。

“我非常注重讓學生做前瞻性探索。”2018年起，郭慧娟開始指導學生。第一個學生被安排研究膨脹管“井筒重構”。這一研究是改善頁巖氣井開采后產(chǎn)量快速衰減的技術前沿，國內尚無團隊涉足。學生當時心里很忐忑：“這項研究能做成嗎？”但郭慧娟很堅決：“做研究就要做別人沒做過的事！”短短幾年過去，工程院井筒重構技術已經(jīng)用于國內3口井的施工，下入長度超過3500米，在國內處于領先地位，并達到國際水平。

2019年，工程院為郭慧娟組建了數(shù)值仿真研究室。她常對團隊說：“咱們是一起闖關的隊友。”為了闖過研究難關，團隊有時會為一個網(wǎng)格劃分方案爭論到下班，連去食堂吃飯的路上還時常討論建模方案。

在她的影響下，團隊形成了不抱怨、不拖拉的風格。2024年，團隊為萬米川科1井提供技術支持。為獲取井下振動數(shù)據(jù)，她帶著工程師徹夜守在井場，一蹲就是半個月。她總說：“仿真不是虛構模型，數(shù)據(jù)必須來自工程。”

依托工程院搭建的石油工程數(shù)值仿真實驗室和“郭慧娟巾幗創(chuàng)新工作室”，她著力營造開放包容、鼓勵探索的團隊氛圍，讓擁有石油工程、機械、力學、材料等不同學科研究背景的成員在思維碰撞中激發(fā)靈感，讓年輕人在解決復雜工程科學問題的實戰(zhàn)中，鍛煉出學科交叉融合、協(xié)同攻堅的能力。此外，她還鼓勵團隊青年拓展國際視野。

站在實驗室的大屏幕前，郭慧娟看著萬米深井管柱動力學模型說：“這里，將是我們下一個技術攻堅的戰(zhàn)場。”在她的規(guī)劃中，未來5年將完成13000米超深井全工況仿真，力求使中國技術成為國際標準。“我們不僅要做追趕者，更要做開拓者。”她常對團隊說起的這句話也成為她辛勤工作最好的注腳。

◎ 來源｜科技日報