沈忠厚（1928-2021），中国工程院院士、油气井工程技术专家和水射流技术专家，中国石油大学教授。他突破了世界性难题“淹没非自由射流的衰减规律”，并将水射流技术和钻井工程结合，研发出一系列先进、高效的钻头，对钻井工程做出巨大贡献。

图源 | 中国石油大学（华东）石油工程学院

1928年2月，沈忠厚出生于四川省大竹县双河乡老鸦村。

这是一个偏远的小山村，村里只有小学，等到了上中学就得去大竹县城。山村交通不便，沈忠厚每次都要走一天的山路，才能到达县城的学校。

艰苦的环境塑造了沈忠厚坚韧的性格。即使在最动荡的二十年中，他也没有停止苦学。多年以后，这种坚韧的性格更是支持他泰然面对油田现场作业的辛苦、科研探索的繁难。

1947年，沈忠厚以第一名的成绩，考入当时的国立重庆大学采矿冶金系。选择这个专业，是因为沈忠厚看到了当时国家石油、矿产资源短缺，他想为解决这个问题出一份力：“我立志要为国家找到丰富的矿藏，以报效祖国。”

沈忠厚在办公室读书

来源 | 中国科学家博物馆

到油田现场去

采矿冶金是一门注重实践的学科。大学毕业后，沈忠厚很快就开始了油田现场的锻炼。

1951年，他带着学生去了玉门油田实习。此后十几年中，他辗转于四川油田、大庆油田、大港油田……在各种各样的现场，积累了丰富的实践经验。

有的人看不起现场科研，觉得它轻理论，不是科学家发挥的地方，但沈忠厚并不这样看：“我认为现场科研有一个最大的好处，它能解决现实问题。”

在工地上的沈忠厚

来源 | 新华网

油田钻井的难点在哪？钻井效率如何提高？石油深藏的地层到底有什么特性？油井出现泄漏是什么原因？……这些问题，都需要通过实践才能获得答案。

沈忠厚很喜欢跑现场。听说哪个现场出现了特殊情况，他都会去，用他自己的话说：“不请我，我也要去，因为那是最好的学习机会。”

就这样，沈忠厚在油田现场默默积累。通过这段经历，他锁定了科研探索的方向——钻井研究。

在我国石油开采的初期，钻井代价高昂，打一口井要花费数百万，甚至数千万，但效率却很低。在现场看到如此情况，沈忠厚忧心：“我总想着我们的钻井不能老这样子，老这样子我们国家花不起这笔钱，将来那么多油田，这么开发，够你的成本吗？”

想提高效率，实在面临太多问题。

石油深藏于地下，地层复杂且多样。钻探时，不仅要让钻头能通过层层岩石，还要能及时疏通油井中的岩石碎片、污泥。解决这些问题，都需要更加先进的钻头。

但怎么改进钻头呢？沈忠厚千头万绪，一时想不到答案。

敢为天下先

一次偶然的机会，沈忠厚去成都飞机厂参观，看见了一台水射流切割机。这是一种利用“高压水”来切割物体的机器，只要压力足够大，柔软的水也能切开坚硬的合金钢材。

一个念头在沈忠厚脑海中浮现：能不能利用水射流，来切割地下坚硬的岩层呢？不仅如此，水流冲刷下，油井中被钻头打破的岩片也可以被冲出来，给钻头继续前进留下了足够空间。

当时，在大洋彼岸的美国，水射流钻头其实已经初具模型。但有一个难题一直悬而未解：淹没非自由射流的衰减规律。如果不弄清楚这个问题，就无法预估射流在井底如何破裂岩石，如何清理碎片。

带着这个疑问，沈忠厚开始了学习和研究。

1981年3月，他在美国路易斯安那大学访问，遇到了美国喷射钻井的奠基人戈恩斯教授。沈忠厚本以为在戈恩斯教授的讲座上能得到答案，却发现他也只计算了喷头出口处的水力参数。

会后，沈忠厚问他：“为什么不计算水射流到达井底位置的参数呢？只有井底位置的射流对钻井破岩和清岩才是有效的啊。”

没想到戈恩斯回答道：我不是不想计算，而是从喷嘴到井底这一段的情况，实在过于复杂。

不仅美国的专家毫无头绪，中国当时最具影响力的湍流水射流理论专家谢象椿，也认为这个问题很难破解。他告诉沈忠厚：“从喷嘴到井底的射流参数是糨糊一盆，你死心吧。”

对于别人认为不可能的事，沈忠厚反而起了更浓厚的兴趣。

20世纪80年代，中国有相当一部分科研是跟着别人的思路走，国外有了什么项目，我们立马跟着研究。但在沈忠厚看来，要想实现中国科研领先的梦想，必须要有敢为天下先的勇气，必须冲破思想上的禁锢。

他说：“管你什么山，我都要闯一闯。”

从实践到理论

研究淹没非自由射流的衰减规律，就是沈忠厚要攀登的顶峰。

要研究这个问题，传统的思维模式是寻找水射流在各种阶段的变化规律，再利用数学对它进行描述和计算，最后再根据理论计算，指导实践。

然而，经过漫长的摸索，沈忠厚还是一无所获。

他开始想：如果把路径颠倒过来呢？先在实验室做模型，收集大量的数据，再根据数据来构建理论计算模型。

从1981年开始，沈忠厚带领学生钻入实验室，建立各种模拟实验。

此时，他已经53岁，已过知天命之年。以现代的眼光来看，似乎已经错过了科研的黄金年龄。但在漫长的等待和积累后，他迸发出了蓬勃的科研生命力。

1986年，在孜孜不倦的实验探索下，沈忠厚成功地利用丰厚的数据，建立了完整的喷射钻井理论体系。

困扰世界多年的难题，解决了。

沈忠厚在高压水射流研究中心PIV流场测试室指导学生进行新型喷嘴与原喷嘴射流评价

来源 | 中国科学家博物馆

随后，他马上把理论应用到现实，花了3年时间，研发出了新型加长喷嘴牙轮钻头。1989年，这种新型钻头通过了中国石油天然气总公司的鉴定，可以提高井底的水功率30%～40%。在全国13个油田推广后，带来了1.7亿元的经济效益，这项成果也获得了国家科技进步二等奖。

但这只是开始。

在接下来的几年中，沈忠厚带领团队，又相继研发出了第二代自振空化射流钻头、第三代机械及水力联合破岩钻头，以及第四代旋转射流破岩钻头等喷射钻头。这中间相隔时间如此短，是因为沈忠厚在研发每一代钻头时，都在不断思考它可以如何改进，是否有能相互借鉴的经验。

一系列井喷式的成果，开创了中国钻探技术的新领域，也让沈忠厚于2001年被评选为中国工程院院士。

70岁，要上山不要下海

或许，在沈忠厚身上，最令人敬佩的就是持续而旺盛的科研精神。

2003年，四川开县发生井喷事故，已经75岁高龄的沈忠厚被任命为专家组组长，奔赴现场调查事故原因。12天，他们就调查清楚了前因后果：石油井中的硫化氢气体，存在一种超临界相态，在这种状态下的硫化氢会产生巨大的压力和冲击力，从而导致了井喷事故。

但沈忠厚没有止步于此。又一次，他从实践中得到灵感，他很快联想到，既然这种超临界相态有这么大威力，那我们能不能把它用到钻井破岩中呢？

硫化氢是一种有毒气体，很难应用，因此沈忠厚就带领团队探索二氧化碳的超临界相态，尝试把它用到破岩、清岩中。

经过几年的探索，沈忠厚团队发现，超临界二氧化碳技术对于开采非常规油气资源非常重要。

随着油气资源的大量开发，比较容易采集、利用的常规油气资源，已经不能完全满足人类的发展需求。于是，自然界中另一类非常规的油气资源，开始吸引大家的注意力，包括页岩气、砂岩气、天然气水合物等等，它们共同的特点就是储藏的地质结构很复杂，勘探和开发的难度都很大。

沈忠厚介绍，由于岩层复杂，开发成本的百分之七八十，都将用于钻探油井。而超临界的二氧化碳，由于特殊的密度、黏度，更容易进入到母岩中，提高油气田的采收率。

在七十多岁的高龄，沈忠厚能保持这样敏锐的思维，继续攀登科研的高峰，或许还是因为日复一日的坚持和兴趣。

在他看来：“只要有了兴趣，不睡觉都可以，不吃饭都可以。”

沈忠厚的学生、后来成为中国工程院院士的高德利，曾这样形容他：“他这一生在（高压水射流研究）方向锲而不舍，感觉他脑子里没有别的事儿，天天就想射流科研的事儿，真是到了一种着迷的地步。”

沈忠厚的精神，影响到了许多学生和同事，他们之中很多人都记得沈忠厚说过的话：“要上山，不要下海。”

他的学生、后来曾担任中国石油大学副校长的李兆敏，是这样理解这句话的：“上山”就是教导我们要沿着水射流的科研道路努力攀登，“不下海”就是不要随波逐流，利用科研成果去办公司、去赚钱。

2021年2月5日，一辈子要“上山”攀登、不要“下海”随波逐流的沈忠厚，在北京逝世，享年93岁。

对“超临界的二氧化碳”的探索，沈忠厚还没有完成从理论到实践的完全转化。但这条探索之路，并未中断。他曾说：“我这一辈子走不通，我想我的弟子能把它走通。世界上科学家不是他这一代，要几代人来走这一条路子。”

作者 | 程观 科普写作者

参考文献：

1. 《沈忠厚：水击石穿寻地火，披肝沥胆为人民》，校本部宣传部，中国石油大学官网。

https://www.cupk.edu.cn/c/2021-02-08/506672.shtml

2. 俞露、韩晓杰，《沈忠厚：钻井实践了不起》，《中国石化报》，2010年9月12日，1-2页。

3. 刘积舜，《“忠”实品格为国 “ 厚”德载物育人——记中国工程院院士、中国石油大学（华东）教授沈忠厚》，《齐鲁学人》，2019年4月，24-26页。

4. 《沈忠厚事迹传记》，院士自述，中国工程院院士馆官网。

https://ysg.ckcest.cn/html/details/32/index.html

5. 王冉，《大师铸大学|沈忠厚：中国的“钻头之父”》，《中国石油大学报》，2014年第13期。

6. 《沈忠厚院士——石油钻井和水射流技术专家》，《石油机械》，2012年，第8期，116页。

7. 《水击石穿寻地火，披肝沥胆为人民——沉痛悼念沈忠厚院士》，中国石油大学（华东）官方微博视频。

https://weibo.com/tv/show/1034:4602586456588293?from=old_pc_videoshow

8. 杨红英，《沈忠厚：用超临界二氧化碳开发非常规油气藏》，《中央工业报》，2012年3月22日，1-2页。

来源: 科普中国新媒体