冶金與礦業學科"十三五"期間乃至2030年前遴選優先資助領域的重要參考依據，高等院校、科研院所科研人員
目錄
序
前
第1章 學科的戰略地位
冶金與礦業工程學科包含石油工程、礦業工程、礦物分離、冶金工程、材料工程和安全工程六大分支。六大分支的定義、特點、結構及各自的發展戰略需求共同組成了冶金與礦業學科的重要戰略地位。
1.1 石油工程學科
在世界范圍內，石油與天然氣資源(簡稱"油氣資源")既是主要的品質能源，又是保障一個國家政治、經濟、軍事安全的重要戰略物資。從"柴薪時代"發展到"煤炭時代"，再發展到"油氣時代"，并向未來"新能源時代"發展(未來的"新能源"主要是指太陽能、風能、地熱等可再生能源)，世界能源結構不斷朝更好的方向變化。目前，人類的能源開發利用仍處在油氣時代，特別是北美的"頁巖革命"(其背后實質上是油氣資源開發的工程技術革命)，顯示出油氣時代廣闊的發展空間。然而，我國的能源結構比較落后，目前仍處在煤炭時代。這種落后的能源體系造成的空氣污染和生態破壞，在我國發達地區已接近環境容量的極限，迫切需要推動能源結構向清潔化加速轉變乃至變革。
目前，在全球一次能源消費中，石油、天然氣、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，全球一次能源消費量增長了28%，其中石油消費量增長12%，天然氣消費量增長29%。在可以預見的未來二三十年里，化石能源的比例會有所下降，但作為主體能源的地位不會發生根本性改變，特別是油氣消費量將繼續增長。美國的頁巖油氣革命不僅為重振美國實體經濟提供了強大動力，而且為美國至少增加了200萬個就業崗位，特別是當面對2014年烏克蘭危機時，憑借美國大量生產的頁巖氣(2014年生產頁巖氣達到3800億m3)，奧巴馬總統才敢于不懼俄羅斯對歐洲停供天然氣的警告。另外，在歐盟，每年能源工業的稅收貢獻超過4000億歐元，如果歐盟放開頁巖氣開發，預計能夠增加至少100萬個就業崗位；在巴西，隨著海洋油氣資源的有效開發，油氣行業對GDP的貢獻率從3%上升到12%，失業率從10%下降到7%以下，其中僅造船就業崗位就從7000個擴大到8萬個[1]。
隨著經濟社會的發展，我國油氣供需矛盾日益加劇，油氣消費對外依存度逐年增加。2015年，我國石油消費對外依存度高達60.6%，天然氣消費對外依存度也達到了32.7%，油氣資源短缺已成為制約我國經濟社會可持續發展的主要瓶頸之一。2014年4月20日，總理主持召開了新一屆國家能源委員會首次會議，研究討論能源發展中的相關戰略問題和重大項目。他在會上指出：要立足國內，著力增強能源供應能力，加大陸上、海洋油氣勘探開發力度，創新體制機制，促進頁巖氣、頁巖油、煤層氣、致密氣等非常規油氣資源開發。顯然，國家正在實施積極的石油與天然氣勘探開發戰略，從而對石油與天然氣工程(簡稱"石油工程"或"油氣工程"，其英文名稱為"petroleum engineering")提出了新的重大需求，同時也彰顯出本學科未來建設與發展的重要戰略地位[2]。
1.1.1 學科定義及特點
油氣工程，就是圍繞油氣資源的鉆探、開采及儲運而實施的知識、技術和資金密集型工程，是油氣勘探開發的核心業務，包括油氣藏、鉆井、完井、測量(測井、錄井、試井等)、油氣生產、油氣儲運等基本工程環節，是一項復雜的系統工程，涉及多學科領域。在世界范圍內，石油與天然氣勘探開發的巨額花費主要用于油氣工程方面，包括油氣勘探總成本中的大部分(55%？80%，用于鉆探工程)及油氣田開發與儲運的全部工程花費。
隨著地下油氣資源鉆探、開采及儲運的主客觀約束條件日趨多樣化和復雜化，不斷對石油與天然氣工程領域的科技創新和人才培養提出越來越高的新要求，促使本學科與地質、力學、化學、材料、機電、信息、控制及海洋、環境、管理等相關學科的聯系更加緊密，學科交叉與滲透的作用對本學科發展的影響越來越大。由于人類對"健康、安全、環境"更高目標的追求，進入21世紀后，伴隨信息、材料、人工智能、機電液一體化等學科領域的科技進步，石油與天然氣工程學科必然朝著信息化、智能化及自動化方向加速發展。
1.1.2 學科結構
參考國務院學位委員會和國家教育委員會于1997年6月頒布的《授予博士、碩士學位和培養研究生的學科、專業目錄》[3]，根據石油與天然氣工程的學科內涵和專業屬性，目前本學科主要由油氣井工程、油氣田開發工程和油氣儲運工程三個二級學科構成(圖1.1)。
圖1.1 石油工程學科結構圖
(1)油氣井工程是人類勘探與開發地下油氣資源必不可少的信息和物質通道。油氣井工程就是圍繞油氣井的建設(鉆井與完井)、測量(測、錄、試)及防護而實施的技術和資金密集型系統工程，涉及多學科領域。它不僅是貫穿于油氣勘探開發全過程的關鍵工程之一，而且對于地熱、地下水等流體資源的開發，以及管道穿越工程、地球科學鉆探工程等都具有重要的實際意義。
(2)油氣田開發工程是指從油氣田被發現后開始，經過儲層評價、可采量計算、編制開發方案、產能建設與投入生產、監測與管理、開發方案調整等，直到油氣田終廢棄的全過程，是一項復雜的系統工程，其主要的學科內涵包括油氣藏工程、油氣生產及提高采收率等。
(3)油氣儲運工程是油氣生產-供應鏈中不可或缺的重要一環，具有廣闊的技術、地域及社會覆蓋面。油氣儲運工程就是圍繞油氣的集輸與處理、長距離輸送、儲存與儲備、城市輸配及軍事油料供給等而實施的知識、技術和資金密集型工程，涉及多學科領域，不僅是油氣工程的主要組成部分，而且與國防建設、百姓生活等息息相關。
1.1.3 學科發展戰略需求
隨著國內油氣勘探開發程度的不斷提高，剩余的油氣資源大多分布在山地、沙漠、高原、黃土塬和海洋(尤其是深水)覆蓋地區，地面環境和地質條件都比較復雜，而且大多為非常規、低(特低)滲透及深層、深水等難動用油氣資源，勘探開發的難度不斷加大，致使油氣工程面臨一系列的重大科技難題。同時，由于國內可利用的石油和天然氣資源已明顯不能滿足國家能源需求，客觀上要求我國石油企業必須實施走出去的發展戰略，積極開發利用國外的油氣資源，因而需要研究國外油氣合作區的實際情況，解決相應的油氣工程科技難題。在油氣儲運方面，國家明確要求"加快西北、東北、西南和海上進口油氣戰略通道建設，完善國內油氣主干管網"及"完善石油儲備體系"等，油氣儲運工程學科發展迫切需要解決油氣儲運各生產系統中工藝、設備、安全諸方面的理論和技術難題，并通過交叉學科研究創新發展油氣儲運工程理論與技術。
1. 低滲透油氣資源的高效開發
國內新增油氣儲量的70%、新增產量的70%以上為低滲透油氣藏(含特低滲透)。長慶油田是典型的低滲透油氣田，其2015年產量超過了5000萬t油氣當量。因此，低滲透油氣藏的有效動用程度及后續的提高采收率水平，直接影響到我國原油產量。與中高滲透油藏相比，低滲透油藏開發目前仍以水驅為主，研究主要集中于對滲流規律的認識。但隨著油田綜合含水率的上升以及特低油藏的開發，對提高采收率理論方法及相關技術措施提出了新的更高要求。低滲透油藏的儲層非均質強和多孔介質結構復雜，相應的開發特點與方式具有多樣化，且難以控制。因此，在前期研究的基礎上，今后應重點研究低滲透油氣藏的微觀特征與滲流機制，有利于提高單井產能及終采收率的先進井型和井網，復雜結構井設計與鉆采控制技術，以及改善水驅、優化氣驅及控制竄逸等提高采收率的新理論與新技術。
2. 非常規油氣資源的高效開發
非常規油氣是指難以用常規技術手段進行有效開采的油氣資源。主要包括頁巖油氣、致密油氣、重油和油砂、煤層氣、天然氣水合物等，其資源量遠大于常規油氣，已成為戰略性接替能源，在國內外備受關注。我國的非常規油氣資源十分豐富，但品位極低且客觀條件復雜，采用現有的理論方法和技術手段難以實現經濟有效動用的高效開發目標，照搬國外技術難免"水土不服"，而且國外對關鍵技術嚴加壟斷。因此，迫切需要針對非常規油氣工程科技發展的國際前沿及制約我國非常規油氣有效動用的重大科學問題開展創新研究，建立相適應的高效開發理論和鉆采與集輸處理新技術。今后的研究重點是：非常規油氣高效開發模式及其技術經濟可行性，以水平井為基本特征的復雜結構井優化設計與鉆采控制，水平井分段體積壓裂，以及"工廠化"作業模式及安全環保等。
3. 深層油氣資源的安全高效開發
井深為4500～6000m的油氣井，稱為深井，超過6000m井深則稱為超深井。我國發現的剩余油氣資源有40%左右埋藏在深部，近年發現的特大型油氣田，如塔里木、川東北、松遼深層等均處于超過4500m垂深的深部地層，一些海外合作區塊油氣藏也埋在深層。深層油氣資源是目前和未來我國油氣資源戰略接替的重要領域之一。因此，加快深層油氣勘探開發已成為保障我國能源安全的重大需求之一。深部地質環境的復雜性(如高溫高壓、酸性氣體、鹽膏層、高陡構造等復雜地質條件)，嚴重制約了深層油氣資源的勘探開發進程，仍需深入研究深部巖石破碎機理與高效破巖方法，井筒壓力系統與井眼穩定控制方法，鉆井設計與風險控制機制等關鍵問題。深井工程科學研究，應與深地科學鉆探工程相關科學研究有機結合。
4.海洋深水區油氣資源的安全高效開發
在海洋油氣工程中，小于300m的水深稱為"淺水"；大于或等于300m而小于500m的水深稱為"次深水"；大于或等于500m而小于1500m的水深稱為"深水"；達到或超過1500m的水深則稱為"超深水"。黨的十八大報告提出：提高海洋資源開發能力，發展海洋經濟，保護海洋生態環境，堅決維護國家海洋權益，建設海洋強國。由于過去幾十年我國海洋油氣勘探開發主要集中在近海淺水區，導致遠海深水區的油氣工程理論和技術較為匱乏，亟須開展相關的基礎研究與技術創新。深水油氣工程具有技術難度大、作業費用昂貴、安全環保要求高等風險特征，迫切需要高科技支撐。
5. 老油田剩余油分布與提高采收率
全球原油產量的70%依靠老油田挖潛，老油田仍將是未來全球石油供給的主力油田。如果全球老油田采收率提高1%，就會增加可采儲量50多億噸，約為全球兩年的石油消費量。就我國而言，提高老油田采收率1%，就相當于一個大慶油田的產量。然而，目前我國老油田平均含水率高達90%，而平均采收率只有35%左右。因此，老油田進一步挖潛的空間很大，同時開采難度也不斷增大。圍繞老油田剩余油分布與提高采收率問題，今后需要重點研究：老油田剩余油賦存規律與分布預測，水驅優勢通道描述與深部調控，復雜油藏化學驅油和微生物采油，以及通過井網調整、老井側鉆等方法提高單井產量和終采收率等。
6. 油氣管網系統的安全高效運行
由于高壓輸送、介質易燃易爆、地域覆蓋面廣，油氣管道屬于高風險設施。近年來，在管網里程快速增加的同時，與油氣管道相關的重大、特大事故頻發，給人民生命財產和環境造成重大損害，油氣管道安全已成為舉國上下關注的焦點。其中，天然氣不僅易燃易爆還極易擴散，天然氣干線管網壓力高(12MPa)、口徑大(1219mm)、規模大(目前約占我國油氣長輸管道總里程的2/3)、覆蓋面廣；天然氣資源-管網-用戶一體化的特點使得干線管網一旦發生重大事故將造成供氣能力嚴重缺失，產生非常嚴重的社會后果。因此，天然氣管網系統的運行安全與供氣保障、正常工況下的高效運行以及應急調運已成為迫切需要解決的首要問題。
1.2 礦業工程學科
1.2.1 學科定義及特點
礦業工程學科是以礦物資源的安全、高效、環境友好地開采及礦物資源有效加工和利用為目的的應用性基礎學科。礦業工程學科包括采礦工程、礦山壓力與開采沉陷、礦井建設、礦山安全、礦井新能源等五方面。因此，礦業工程學科的研究內容廣泛，各分支研究對象迥異，研究方法也不盡相同，既存在共性規律，也有各自的規律[2]。
應用性強是礦業工程學科的特點之一。復雜性是礦業工程學科的另一個重要特點。礦業工程學科的研究對象是以地質體為主的自然物質系統
