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高科

发布日期:2015-09-23 作者: 编辑: 点击:

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简介

高科,男,生于1977年4月,内蒙古乌兰察布人,教授(未聘),博士生导师。主要研究方向:仿生钻探机具、科学钻探装备、地热钻探等。近5年来,先后承担和参加省部级以上科研项目10项,其中国家级8项(包括主持4项,第二负责人2项),省部级1项(主持1项)。吉林省高校科研春苗人才,吉林大学国家杰出青年科学基金后备人选(精英阶段)。作为主要参加人,获得国家技术发明二等奖1项,国土资源部科学技术二等奖1项。作为主要发明人,围绕科学钻探装备、机具和工艺获国家发明专利20项,实用新型专利35项,公开发表学术论文35篇(其中SCI、EI检索16篇)。

研究领域

1、研究领域 (1)仿生钻探机具。    学术贡献:自参加工作以来,先后主持或参加国家自然科学基金项目和省部级项目10余项,在学术带头人的指引下将仿生耦合理论引用到钻探机具领域,开辟了钻探仿生新领域,成果创世界首次,到款科研经费累计超过1000万元,研究水平处于国际领先水平。公开发表学术论文30余篇,授权专利20项,获吉林省科学技术进步奖二等奖1项,国土资源科学技术二等奖1项,“长春市首届青年科技创新创业大赛”一等奖1项,先后入选吉林大学国家优秀青年科学基金后备(重点培养阶段)人选、吉林省高校科研春苗人才培育计划人选、吉林大学优秀青年教师培养计划(精英阶段)人选。    近年来主要从事科学钻探、石油钻井、地质钻探和地热钻探等钻探领域的仿生钻探机具方面的研究,向自然界生物学习,抽象出对科学技术具有指导意义的仿生耦合理论,从材料、结构和表面形态入手,结合仿生耦合技术开展一系列的钻探机具研究。 主要学术贡献如下:    1)首次研制了仿生孕镶金刚石钻头及制备工艺技术,并提出了仿生自再生理念,仿生孕镶金刚石钻头在坚硬、研磨性越强的地层中使用,其机械钻速较常规钻头提高50%左右,使用寿命提高60%左右;    2)首次研制了仿生PDC钻头,较常规PDC钻头的机械钻速提高50%以上;    3)首次研制了仿生自适应钻头,受生物爪趾关节结构功能的启发,将爪趾关节自适应特性引入到PDC钻头结构设计中来,使PDC钻头齿既能够保持高效和持久碎岩特性,又能在软硬夹层钻进时保护PDC齿不被冲击受损;(4)首次研制了仿生钻杆接头耐磨带及制备工艺,土壤动物皮肤具有摩擦系数小和耐磨等特性,说明皮肤与洞穴壁间接触时摩擦阻力小、相互磨损最低。受此启发,提出钻杆接头-套管(井壁)摩擦副要遵从互不磨损原则,即钻杆接头既要耐磨,又要对套管的磨损降到最小,达到增加寿命、保护套管、提高钻井质量和减少钻井成本的目的。研究成果成功解决了川东北地区须家河地层油气勘探开发遇到的钻速慢和钻头寿命短的技术瓶颈,并成功应用于“漠河陆地冻土带天然气水合物科学钻探工程”、吉林桦甸金矿勘探、黑龙江双鸭山煤田勘探、青海干热岩科学钻探、内蒙稀土矿钻探及山东、河南、江西、新疆等地区,节省了钻探周期,节约了钻探成本,为我国低成本钻探和钻井做出了贡献。《国务院国有资产监督管理委员会》网站、中央电视台《走近科学》等对仿生钻头进行了报导,取得了很好的社会效益。 (2)科学钻探装备    参与了国土资源部公益性行业科研专项“深部大陆科学钻探装备研制”项目资助下的“地壳一号”万米钻机及关键技术的研发。 “地壳一号”万米钻机及关键技术是将石油钻井装备与地质钻探技术有机结合的产物,项目采用了“改造成熟技术—>自主研发核心技术—>集成关键技术”的研究理念,将改造升级的油气钻井平台与自主研发的全液压顶驱、钻杆自动摆排管装置、智能化铁钻工等核心技术装备及仿生钻头、高强铝合金钻杆、耐高温钻井液、耐高温固井材料等先进的钻探工艺技术有机结合,初步形成具有我国特色和自主知识产权的高性能深部科学钻探装备和配套装置,填补了我国在超深孔科学钻探钻机领域空白,全面提升了我国钻机整机及关键部件的设计和加工水平,使我国成为世界上第三个拥有实施万米大陆钻探计划专用装备和相关技术的国家,并为我国深部探测工程的顺利实施提供了装备保证。研制的“地壳一号”万米钻机及关键设备和配套取心技术,在松辽盆地白垩纪大陆科学钻探工程试验,取得了理想的使用效果。 2、科研项目: (1)中国地质调查局科技项目,12120114055001,深部钻探仿生耦合钻具系统及制造工艺,2014/01-2016/10,140万元,已结题,主持; (2)中国地质调查局科技项目,12120113017600,松辽盆地资源与环境深部钻探工程(示范)“地壳一号”钻机维护与保养,2014/01-2018/12,3000万元,在研,主要参加; (3)中国地质调查局科技项目,松辽盆地资源与环境深部钻探工程(示范)井场基础建设,2013/06-2013/10,498万元,已结题,主要参加; (4)国家自然科学基金青年科学基金项目,51004052,仿生非光滑表面PDC复合齿切削岩石防粘机理研究,2011/01-2013/12,22万元,已结题,主持; (5)国家863计划项目,2009AA06Z201,硬岩钻井用高效耐磨仿生金刚石复合钻头研究,2011/06-2012/12,97万元,已结题,主要参加; (6)国土资源部公益性行业专项,SinoProbe-09-05-05,深部大陆科学钻探装备研制,2010/09-2014/08,500万元,已结题,主要参加; (7)国家潜在油气资源(油页岩勘探开发利用)产学研用合作创新项目,OSP-06-03,国家潜在油气资源产学研用合作创新项目,2009/10-2013/12,160万元,已结题,参加。 (8)横向项目,CY-GS-17-ZC-140,地热资源开发利用现状及分析,2017/11-2018/5,59.3万元,在研,主持; (9)横向项目,OSR-02-08,海洋工程装备关键设备自动排管装置研究,2017/8-2017/12,450万元,在研,主持;

主要论文

(1)Wang, Zhaozhi; Gao, Ke* ; Sun, Youhong; Zhang, Zhihui ; Zhang, Shiyu; Liang, Yunhong; Li, Xiujuan; Ren, Luquan, Effects of Bionic Units in Different Scales on the Wear Behavior of Bionic Impregnated Diamond Bits, Journal of Bionics Engineering, 2016.10, 13(4): 659~668 (2)Li, Meng; Sun, Youhong; Meng, Qingnan; Wu, Haidong; Gao, Ke* ; Liu, Baochang , Fabrication of Fe-Based Diamond Composites by Pressureless Infiltration , MATERIALS, 2016.12, 9(12) (3) Liu, Yan ; Li, Shuyi; Wang, Yaming; Wang, Huiyuan; Gao, Ke*;Han,Zhiwu; Ren, Luquan, Superhydrophobic and superoleophobic surface by electrodeposition on magnesium alloy substrate: Wettability and corrosion inhibition, Journal of Colloid and Interface Science, 2016.9.15, 478: 164~171 (4)Sun, Youhong; Zhang, Feiyu; Wang, Qingyan; Gao, Ke* ,Application of "Crust 1" 10k ultra-deep scientific drilling rig in Songliao Basin Drilling Project (CCSD-SKII), Journal of Petroleum Science and Engineering, 2016.9, 145:222~229 (5)Sun, Youhong; Ma, Shaoming; Wang, Huiyuan; Chen, Lei; Gao, Ke*; Ma,Yinlong; Liu, Baochang*,Effects of Complex Modification by Sr-Sb on the Microstructures and Mechanical Properties of Al-18 wt % Mg2Si-4.5Cu Alloys, Materials, 2016.3, 9(3) (6) Li, M.; Sun, Y. H.; Dong, B.; Wu, H. D.; Gao, Ke*, Study on effects of CNTs on the properties of WC-based impregnated diamond matrix composites, MATERIALS RESEARCH INNOVATIONS, 2015.5, 19: 59~63 (7)Gao Ke* ; Li Meng; Dong Bo; Sun Youhong; Sun Yang; Liu Jing, Bionic coupling polycrystalline diamond composite bit, Petroleum Exploration and Development, 2014.8, 41(4): 533~537 (8)马银龙; 孙友宏; 高科*; 刘宝昌; 张献振; 李小洋,热压碳化钨基复合胎体材料性能试验 , 吉林大学学报(地球科学版), 2013.1.26, (01): 07~211 (9)孙友宏; 刘大军; 高科* ; 谢晓波; 马银龙; 高军辉,新型耦合仿生孕镶金刚石石油钻头的研制 , 吉林大学学报(工学版), 2013, (06): 1566~1573 (10)Gao Ke ; Sun You-hong; Ren Lu-quan,Design and Analysis of Ternary Coupling Bionic Bits, Journal of Bionic Engineering, 2008.9.20, (9): 53~59 (10)Gao Ke, Sun You-hong, Ren Lu-quan. Design and Analysis of Ternary Coupling Bionic Bits. Journal of Bionic Engineering, v 5 2008(9):53-59 (11)高科,孙友宏,任露泉等. 仿生非光滑钻头非光滑度优化设计及试验研究.吉林大学学报(工学版).2009(3):721-725 (12)高科,孙友宏,高润峰,徐良,王传留,李玉民等. 仿生非光滑理论在钻井工程中的应用与前景.石油勘探与开发.2009(5):591-595 (13)高科,张祖培,孙友宏,赵建康. 热机碎岩钻头摩擦元件的材料研究,矿冶工程,2005年第2期,85~87 (14)高科,孙荣军,孙友宏. 泡沫增压技术在煤矿瓦斯抽放长钻孔施工中的应用初探,吉林大学学报(地球科学版),2005年第4期,543~544 (15)肖西卫,张祖培,高科。执机碎岩新技术,岩土工程技术,2002年第5期,309~311 (16)谢晓波,张国建,高科。土钉支护在深基坑工程应用中的可靠性分析,西部探矿工程,2007年第10期,28~30 (17)孙友宏,徐良,赵乐涛,高科,刘宝昌.JBD-75仿生非光滑绳索取心金刚石钻头的研制,探矿工程(岩土钻掘工程),2007(增刊):291-294 (18)Youhong Sun, Chongmei Zhong, Liang Xu, Ke Gao, Luquan Ren,Baochang Liu.Non-smooth Characteristic on Biological Surface and Development of Bionics Non-smooth Diamond Bit.2007’ International Conference on Geological Engineering: 97 (19)王文龙,王禹,李永哲,殷琨,高科。贯通式潜孔锤反循环连续取心(样)钻进工艺在新疆某矿区复杂地层中的应用试验,探矿工程,2006年第2期,54~62 (20)曹品鲁,王文龙,韩冰,高科。基于ANSYS-APDL的阶梯钻头结构优化设计,矿山机械,2008,36(19):13~16 (21)李睿,孙友宏,高科。基于AutoLisp的仿生金刚石钻头计算机设计软件系统研究,探矿工程(岩土钻掘工程),2009年增刊:382~386 (22)曹品鲁,黄进云,王瑞和,张金成,高科。空气泡沫钻井模拟试验装置,石油机械,2009,37(6):74~78 (23)曹品鲁,殷琨,高科,王文龙。阶梯式钻头挤土机理的有限元分析,煤田地质与勘探,2009,37(3):74~77 (24)仲崇梅,孙友宏,徐良,高科,任露泉。仿生非光滑理论在钻探(井)工程中的应用与前景分析,石油钻探技术,2009,37(2):22~25 (25)孙友宏,高科,张丽君,李守圣,徐良,马银龙。耦合仿生孕镶金刚石钻头高效耐磨机理,吉林大学学报( 地球科学版),2012,42(3):220~225 (26)孙友宏,刘大军,高科,谢晓波,马银龙,高军辉。新型耦合仿生孕镶金刚石石油钻头的研制,吉林大学学报(工学版),2013(11):1566~1573 (27)马银龙,孙友宏,高科,刘宝昌,张献振,李小洋。热压碳化钨基复合胎体材料性能试验,吉林大学学报( 地球科学版),2012,42(3):207~211 (28)王四一,高科,赵江鹏。SP - I - 01 型全液压顶驱齿轮副振动分析,探矿工程(岩土钻掘工程),2013,40(6):14~17 (29)刘婧,高科,孟祥瑞,李冰。地下同轴套管式换热器取热工况热响应实验分析,探矿工程(岩土钻掘工程),2012,39(10):53~57 (30)孙友宏,马银龙,黄晟辉,高科,刘宝昌,李小洋,郭威,赵研。天然气水合物勘探用仿生耦合金刚石钻头的研制与应用,吉林大学学报( 地球科学版),2012,42(3):295~300 (31)高科,李梦,董博,孙友宏,孙阳,刘婧。仿生耦合聚晶金刚石复合片钻头研究,石油勘探与开发,2014 第4期 P485-489  (32)高科,徐小健,谢晓波,李梦,董博,孙阳,张绪良。纳米镍粉对孕镶金刚石切削工具胎体性能的影响,探矿工程-岩土钻掘工程,2014 第8期 P81-84 (33)刘婧,高科,徐小健,李梦。新型仿生PDC齿高效切削机理及试验研究,探矿工程(岩土钻掘工程),2013(40):5-8 (34)高科,张祖培,谢晓波等. 激光硬化技术在强化钻杆接头中的应用,世界地质,2004年第3期,275~278 (35)王传留,孙友宏,高科,范黎明. 金刚石钻头可再生水口的试验,吉林大学学报(地球科学版),2010年5月,40(3),694~698 (36)何龙飞,孙友宏,高科,刘宝昌,徐良,王传留. 仿生非光滑螺旋钻头的设计及试验,吉林大学学报(地球科学版),2009年3月,39(2),300~304 (37)孙荣军,高科,吴璋,叶根飞. 泡沫法施工瓦斯抽放长孔工艺,中国煤炭学会矿井地质专业委员会论文集,2005(8)(增刊):137~139 (38)王文龙; 曹品鲁; 高科; 刘建林. KCM130型可控冲击矛矛头自锁机构的运动仿真分析. 工程机械, 2008(08):28~32 (39)徐良,孙友宏,高科.仿生孕镶金刚石钻头高效碎岩机理,吉林大学学报(地球科学版),2008,38(6):1015-1019 (40)徐良,孙友宏,高科.针对须家河组岩性特征选择仿生金刚石钻头参数,石油钻探技术,2008,36(5):43-46 (41)D.S.Liu,Y.H.Sun,K.Gao,X.H.Wu,Research on Ground Heat Exchanger of Ground Source Heat Pump Technique,Journal of Geoscientific Research in Northeast Asia,Vol.7,2004(2):196-199 (42)郝树青,殷琨,高科,郭威。气动贯通式潜孔锤反循环连续取心取样钻进新技术在河南钼矿中应用,钻采工艺,2006年第4期,1~3

专利成果与技术

1、主要专利成果: (1)高科;高红通, 一种坚硬打滑地层金刚石复合钻头及其制备方法 , 2017.6.14,中国, CN201710447313.5 (2)孙友宏; 任露泉; 高科, 仿生孕镶金刚石钻头及其制造方法,  2006.6.7, 中国, ZL200610016924.6 (3)高科 ; 岳文斌; 王红伟; 王清岩; 耿长伟; 时元玲, 分体式内喷射反循环旋冲钻头, 2014.11.16, 中国, ZL201410646547.9 (4)高科; 孙阳; 孙友宏; 陈宝义; 马宇; 谢晓波,一种仿生自适应PDC钻头,2015.7.21, 中国,ZL201510428061.2 (5)高科 ; 谢晓波; 徐英超; 王晓初, 一种扭矩自平衡嵌套式双钻头2017.3.20, 中国, CN201710164886.7 (6)高科; 孙友宏; 王治刚; 赵研; 博坤; 谢晓波; 王海勇; 王晓初; 刘召;王亚斐; 陈杭凯; 彭赛宇; 徐英超; 邢立东, 一种井下扭矩自平衡有缆钻具系统 , 2017.2.16, 中国, CN201710082518.8 (7)高科; 刘召; 葛东; 韩君鹏; 张鹏飞; 许桐, 金刚石在孕镶钻头中定位排布的实验装置和实验方法 , 2017.2.6, 中国, CN201710065825.5 (8)高科; 李梦; 孙友宏; 刘宝昌; 吴海东; 宋仁哲; 曲莉莉, 一种孕镶金刚石钻头用的无硬质相胎体配方及其制备方法, 2017.01.25, 中国, ZL201510427924.4 (9)高科; 孙友宏; 孙阳; 唐琼琼, 一种PDC-孕镶块混合自适应钻头, 2016.6.15, 中国,ZL201610429601.3 (10)孙友宏; 高科; 王清岩; 沙永柏; 张飞宇; 王四一, 悬挂式自适应自动钻杆柱排放装置 , 2012.3.29, 中国, ZL201210087114.5 (11)孙友宏; 任露泉; 高科, 仿生孕镶金刚石钻头及其制造方法,  2006.6.7, 中国, ZL200610016924.6 (12)郭威; 唐琼琼; 高科; 阎玉英; 李博; 周宇, 一种利用热管散热的金刚石地质取心钻头 , 2017.5.6, 中国, CN201710493877.2 (13)孙友宏; 刘召; 高科; 李梦, 金刚石切削工具的金刚石自动定位装置及方法 , 2017.4.11, 中国, CN201710234361.6 2、技术成果 (1)仿生耦合孕镶金刚石钻头    本成果模仿土壤动物(蜣螂)头部推土板凸包非光滑和腹部凹坑非光滑及其梯度材料和优化结构,将仿生耦合理论应用到孕镶金刚石钻头设计中,遵循仿生自再生规律,经过多年深入的理论和试验研究,完成了地质钻探和油气钻井用系列仿生孕镶金刚石钻头的研制,取得了效率和寿命的双提高。本成果主要有两点创新:1)将仿生技术引用到钻井工程中来,特别是将生物表面非光滑理论引用到破碎岩石的钻头设计中来,不但填补了仿生非光滑理论在岩石接触界面中研究的空白(在空气、水和土壤的接触界面都已成功应用),还为钻井工程技术的发展提供创新的源泉。2)自生长是生命体一种特有的性质,即动物体表造皮细胞的不断再生来取代磨损掉的表皮细胞。动物界虽然具有优良的体表特征,但磨损总是会发生的。为了适应再磨损对其生命带来的伤害与威胁,自生长是解决这种威胁的唯一途径。这一特性对土壤动物尤为重要,它们为了在土壤中更好地移动觅食维持生命与繁衍后代,不仅体表特征得到最优化,而且在体表磨损后能及时产生新的细胞来替代之,将这一自生长的理念引用到孕镶金刚石钻头中将是又一个重大的技术创新。    在此基础上,以穿山甲爪趾为仿生原型,成功研制出了高胎体仿生异型齿孕镶金刚石钻头。其仿生异型结构齿主要思想是“自再生”,每个单齿由几个柱齿组合呈阶梯排布,阶梯结构可实现体积碎岩,能提高碎岩效果和改善冷却条件,柱齿结构用于确保异型结构在钻进过程中始终保持稳定的碎岩效率,同时强化内径结构设计可有效避免实际钻进中钻头偏磨问题;高胎体利于提高其使用寿命。通过无压浸渍法制备高胎体仿生异型齿孕镶金刚石钻头。野外试验表明:相比于同规格常规金刚石钻头,仿生钻头钻进速度和寿命均得到了较大的提高。    本成果是在在2个国家863计划课题项目、国土资源部公益性行业项目和吉林省科委重大项目、中国博士后科学基金面上资助项目、吉林省科学技术厅重点项目和中原油田重大攻关(博士后基金)项目资助下取得。于2010年获得吉林省技术进步奖二等奖,共产生专利6项,学术论文13篇,其中SCI检索2篇,EI检索7篇。 (2)仿生PDC钻头    钻头碎岩需快速高效、长寿命和小扭矩。土壤动物(如蝼蛄)和海洋贝壳类动物经过亿万年的进化,其爪趾结构和贝壳表面形态趋于完美,具有高效、耐磨和减阻特性。以自然界生物(竹子、人类牙齿、贝壳、树木年轮、蝼蛄等)为仿生原型,从聚晶金刚石和硬质合金材料、聚晶金刚石-硬质合金交接面结构及聚晶金刚石表面非光滑形态三方面设计仿生耦合PDC齿,并将仿生非光滑自再生理念应用到PDC设计中,遵循仿生自再生规律,成功研制出了仿生耦合聚晶金刚石复合齿钻头。机理上分析,常规光滑PDC齿与岩石接触产生的等效应力边缘大,中间最小,其切削面对中间的岩石破碎性很小,只能靠摩擦力磨削岩石,起不到快速碎岩目的;仿生PDC齿与岩石接触产生的等效应力从边缘到中间比较均匀,且出现多点应力集中,其切削面对岩石能够产生分布均匀的多点破坏作用,对岩石产生均匀的多处体积破碎,从而达到持续高效碎岩的目的。现场生产试验结果显示仿生PDC的效率较常规PDC提高60%以上,寿命与常规PDC相当,钻井能耗下降15%。在山西晋城应用试验中,单只仿生PDC钻头节省近2/3纯钻时间,为钻井队节约钻井成本约8万元(钻头成本约5万元),经济效益显著。    此外,受动物爪趾关节自适应结构功能的启发,将其自适应特性引入到PDC钻头结构设计中,研制了自适应仿生PDC钻头。行内人员都知道,PDC钻头在软到中硬岩层的钻进效果远远优于孕镶金刚石钻头和硬质合金钻头,然而在硬地层以及软硬夹层钻进时,PDC钻头由于本身材料及金刚石与硬质合金界面结合力学特性等问题,容易在地层作用力下产生分层、脱落、崩断等非正常损坏现象,常规预防措施除了提高PDC齿的质量外,还要对PDC钻头结构和PDC齿的切削角进行优化,但理论上一种切削角只适合钻进一种硬度的岩石,在复杂多变的地层中很难只钻进一种硬度级别的岩石,这将是PDC钻头不足。本成果的目的就是要克服PDC钻头的不足,提高PDC钻头对地层的使用范围,使其既能够保持PDC钻头的高效和持久碎岩特性,又能保护PDC齿不被地层冲击受损。 该成果在国家自然科学青年基金项目、国家潜在油气资源(油页岩勘探开发利用)产学研用合作创新项目的资助下取得。产生6项发明专利,学术论文4篇(SCI检索1篇)。 (3)超深科学钻探装备及关键技术    “地壳一号”是深部大陆科学钻探指定的国内首台万米大陆科学钻探专用钻机装备,是地球深部研究的入地“望远镜”。该装备将可靠的深部石油钻井装备和先进的地质钻探技术有机地结合在一起,配套有全液压顶驱、自动排摆管机、一键式铁钻工和自动猫道等关键技术装备及仿生钻头和铝合金钻杆等井下工具,具有较高的自动化和智能化水平。以安全、可靠、高效、节能、舒适为出发点,向自动化、智能化、信息化的深部大陆科学钻探装备发展方向迈进了一步。

获奖与荣誉

1、获奖 (1)高科(6/6),陆域天然气水合物冷钻热采关键技术,中华人民共和国国务院,国家技术发明奖,二等奖,2016( (2)高科(8/15),大陆深部科学钻探装备关键技术及应用,吉林省科学技术奖励委员会,吉林省技术发明奖,一等奖,2017 (3)高科(10/13),高性能金刚石工具,吉林省科学技术奖励委员会,吉林省技术进步奖,二等奖,2010 2、荣誉 (1)入选2012年吉林大学国家优秀青年科学基金后备人选; (2)入选2012年吉林省高校科研春苗人才培育计划人选; (3)入选2014年吉林大学优秀青年教师培养计划(精英阶段)人选。

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