智能鉆井裝備與技術研究進展

張鑫鑫，梁博文，張曉龍，張紹和，金 新,4

(1.中南大學 地球科學與信息物理學院，湖南 長沙 410083；2.有色金屬成礦預測與地質環境監測教育部重點實驗室，湖南 長沙 410083；3.山東省地質礦產勘查開發局第六地質大隊，山東 威海 264209；4.中煤科工西安研究院(集團)有限公司，陜西 西安 710077)

近年來，隨著對常規油氣能源的持續開發，地下剩余能源日益減少，開采難度及所需成本逐漸增加，迫切需要新的技術裝備來提高企業的勘探開發效益。而鉆井是油氣資源開采中的重要環節，亟需發展新一代革命性鉆井技術，以提升勘探開發水平與鉆井工藝質量[1]。而在當今世界科學技術走向數字化、智能化的大背景下，智能化鉆探已經成為了行業前沿熱點與未來的發展方向。智能鉆井技術與裝備的發展，可大幅減少現場作業人員數量，對無人則安、資源高效開發利用具有重要的現實意義。

當前，國內外自動化、智能化鉆井技術整體上發展迅速，在鉆機設備、井下工具、控制系統和通信系統等方面都有了較大的發展。我國由于研究起步較晚，與發達國家尚存在一定的差距。以斯倫貝謝、貝克休斯、哈里伯頓為首的油服公司在智能化鉆井領域處于國際領先地位，研發的部分技術與裝備已投入了商業化的應用[2-3]，國內學者劉清友[4]分析了智能鉆井裝備及工具在頁巖氣鉆井中的重要作用，并提出了智能鉆井技術構架與“群智慧”相融合的策略，來適應頁巖氣井工廠化開發的需求；李泉新等[5]提出了圍繞智能化鉆機、高精度數據獲取與傳輸、鉆孔軌跡智能優化與控制、輔助關聯設備集成控制和數字化鉆進平臺展開攻關的發展路徑，來實現煤礦井下智能化施工作業。李根生等[6]針對油氣勘探開發面臨的一系列難題和挑戰，探討了我國智能鉆井重點攻關方向。

通過分析智能鉆井技術及其組成，從智能鉆機、智能鉆桿和鉆頭、智能鉆探平臺等方面對國內外現狀進行梳理，研究總結智能導向、智能取心、智能鉆井液、微小井眼技術、無人化鉆探等近年來國內外的最新研究成果，以期為我國智能鉆井技術及相關裝備的發展提供一些新的思路。

1 智能鉆井系統及基本組成

縱觀鉆井工程百余年的發展歷程，主要經歷了從經驗到科學、從科學鉆探到自動化、智能化的發展歷程。鉆井技術通常被劃分為經驗鉆井、科學鉆井、自動化鉆井和智能化鉆井4個發展階段。智能鉆井系統是建立在自動化、井下智能化鉆井的基礎上，鉆井過程的各個環節主要包括：現場地面智能控制平臺、智能導向鉆井系統、數據測量通信控制網絡系統和遠程實時控制平臺[7]，如圖1 所示。在鉆進過程中，智能導向鉆井系統通過智能鉆桿、智能鉆頭等裝備，與隨鉆測量技術、旋轉導向鉆井技術及地質導向鉆井技術等相結合，收集井下地層信息、鉆進參數、鉆頭工況等信息，利用數據通信網絡系統由地面智能控制平臺進行接收。地面現場根據已取得的鉆井資料進行分析，判斷鉆探目標體方位、厚度及走向的相關情況，進行實施作業。在此基礎上，通過對智能鉆機、鉆井機器人輸入指令，并指導旋轉導向、智能鉆頭等工具做出精準動作，尋找最佳井眼軌跡并抵達目標體。遠程實時智能控制中心利用信息中心數據、專家系統，對整個鉆進過程進行實時監測并做出優化方案，在鉆后對鉆井效果進行評價分析，將相關資料錄入數據庫。

圖1 智能鉆井系統組成[7]Fig.1 Composition of intelligent drilling system[7]

1.1 智能鉆機

21 世紀以來，隨著歐美等國家陸續完成了對鉆機的自動化和智能化升級，智能鉆機的鉆桿操作一鍵完成，送鉆精度、取心質量、取心效率都得到大幅度的提高。具有代表性的比如瑞典安百拓(Epiroc)公司、瑞典山特維克(Sandvik)公司、挪威機器人鉆井公司(RDS)等。

瑞典安百拓(Epiroc)公司的Diamec Smart ROC系列鉆機[8]，如圖2a 所示配備了先進的自動化遠程控制系統、自動換桿系統、鉆孔導航系統、輔助定位功能，實現單孔全過程自動化鉆孔，可大幅度提高鉆孔效率、精度和質量。瑞典山特維克(Sandvik)公司DI650i潛孔鉆機[9]，如圖2b 所示，由固定式機械臂、鉆桿裝卸裝置、干式集塵器以及可擴展的自動化控制系統組成。鉆機具有自動鉆探功能、可視化鉆孔規劃、多個孔位之間的自動定位、遠程監控系統集成和數據傳輸功能。挪威機器人鉆井公司(RDS)研制出全電動的機器人[10]，使鉆探工作能夠實現自動化。RDS 機器人系統，如圖2c所示，包括鉆井平臺機器人、升降機器人、鉆桿裝卸系統以及機器人鉆工4 大模塊。各系統間相互配合，無需人工介入，可實現迅速無縫對接，管件、鉆具等自主進行裝卸。目前，國外研制的智能鉆機的發展主要實現了鉆桿、鉆頭的自動裝卸、自動調姿等功能；實現了遠程操作監控以及信息化管理；采用自動程序，在無人干預的情況下精確完成多個鉆孔的自動鉆進[11]。

圖2 智能鉆機系列Fig.2 Intelligent drilling rig series

在石油鉆井領域，智能油氣鉆機實現了鉆井平臺的無人化。它可以通過地面控制中心對井下作業進行實時監測，從而調節鉆井參數、做出優化決策。如意大利Drillmec 公司推出的AHEAD 自動鉆機[12]，采用了液壓和電動雙重驅動，并配備有連續循環及流量監測、全自動離線處理等系統，具有智能鉆桿、自動送鉆等功能，鉆井效率提升了50%以上。美國NOV 公司[1]研發的RAPID 智能鉆機可以實現鉆桿自動安裝更換，并適應各種復雜鉆井環境等。

國內智能鉆機研發相對滯后。20 世紀80 年代，我國研制了鉆孔機器人、采煤機器人，并將其應用于煤礦井下，中國煤科西安研究院[13]于2021 年研發了能滿足大傾角、全自動化作業的電控自動化系列鉆機，該鉆機一次可攜帶長度達150 m 鉆桿，具有遠程監測和控制的功能，能夠實現地面與井下數據的實時通信。中國寶雞石油機械公司[1]研發的7 000 m 自動化鉆機，通過一鍵實現鉆機多個設備自動化運行。

綜上，盡管我國已研制出全自動鉆機，并且已經具備了遠程控制、自動換桿、無線數據傳輸與監控等功能，但是仍未實現施工全過程的智能化。目前，我國研制的鉆機仍處于機械化、自動化階段，還需要融合前沿人工智能技術，才能真正實現對鉆機設備的精準控制和智能化；向多自由度、高精度、智能化方向發展，推進智能鉆機的無人化。

1.2 智能鉆桿

在20 世紀70 年代，蘇聯的研究人員開發出了基于電磁信號的智能鉆桿傳輸系統。自2000 年開始美國Grant Predico 公司與Nevotek 公司展開合作，共同研制了一套感應接頭式的智能鉆桿設備，該設備的信息數據的傳輸速率達到了1 Mb/s。在2003 年，美國IntelliServ 公司[14-15]研制出了一種可以雙向傳輸數據的智能鉆桿，其傳輸速率可達2×106b/s，它是世界上首個應用于商業的磁耦合有纜鉆桿系統(圖3)。美國NOV公司[16]根據電磁感應原理，研制出了一種“軟連接”的智能鉆桿，目前已實現商業化應用。中國石油集團研發出一種?127 mm 高速信息鉆桿，結合磁耦合有纜鉆桿的關鍵技術，雙向通信速率達到1×105b/s[7]。中國煤科西安研究院[17]研制的通纜鉆桿屬于隨鉆測量鉆桿，可實現孔口防爆計算機和孔底測量探管之間的雙向實時通信，在煤礦井下定向長鉆孔、探放水鉆孔的施工中應用廣泛。智能鉆桿技術相關研究成果提高了鉆井數據的傳輸效率，改善信息傳輸延時性，大容量、高速率隨鉆傳輸，滿足智能鉆井對數據的需求。在復雜結構井工況下，智能鉆桿的應用前景非常樂觀，對隨鉆測量、隨鉆測井、地質導向等技術的發展具有重要的促進作用。

圖3 耦合式智能化鉆桿 [15]Fig.3 Coupling intelligent drill pipe[15]

1.3 智能鉆頭

智能鉆頭是一種以傳感器和智能芯片為核心，通過對地層溫度與壓力、鉆頭深度與角度等信息自主感知、自動調整自身形態及相關參數以實現高效鉆進的鉆頭。得益于機械比能(Mechanical Specific Engergy，MSE)技術的不斷進步，智能鉆頭設備得以快速的發展。智能鉆頭大致分為兩類：一種是自適應鉆頭，可以實現最優參數的鉆進。比如貝克休斯公司[18]TerrAdapt 自適應鉆頭，通過自動化控制減小井下故障頻率，根據地層狀況自動調整切削深度，降低振動、沖擊荷載以及黏滑效應，實現快速平穩鉆進，延長鉆頭的使用壽命；哈里伯頓公司[19]推出的深切削滾珠鉆頭，也具有類似的功能。另一種是，隨鉆井動力學測量工具配合智能鉆頭工作，有助于優化鉆井參數，能夠更快速的提供井下信息：如2020 年，哈里伯頓公司[20]推出Cerebro ForceTM位內傳感器模塊，可安裝在PCD 鉆頭接頭內，可對鉆頭的振動、扭矩、載荷、壓力、溫度等多個參數進行實時監測(圖4)。貝克休斯公司[21]于2021 年也推出MultiSenseTMHD 2.0 動態傳感器模塊，也可實時采集和傳輸各種參數。還有英國AnTech 公司[22]的傳感器鉆頭，在地質導向鉆井中將鉆頭作為傳感器，避免隨鉆測量信息的滯后性，提高了數據的有效性。

圖4 哈里伯頓Cerebro ForceTM 位內傳感器鉆頭[20]Fig.4 HalliburtonCerebro ForceTM in-place sensor drill bits[20]

當前，高性能的智能鉆頭已經成為鉆探行業未來的發展趨勢。我國在智能鉆頭的研發方面起步相對較晚，目前正處于技術攻關和測試階段。未來，智能鉆頭將朝著更加先進的水平發展，向智能化主動式破巖方向發展，在復雜的環境中實現自動獲取地下信息和實時調整鉆探參數。

1.4 智能鉆探平臺

以鉆井過程中產生的海量數據為基礎，人工智能、機器學習、云計算等先進計算機技術的模型在國外智能建模平臺相繼得到大規模的應用，為鉆井各個階段提供了自動化計算分析指導和實時監控。比如：美國NOV 公司[23]研發的司鉆控制平臺集合了鉆井全自動遠程自動控制系統(圖5)，實現地面和井下鉆井閉環優化。哈里伯頓公司[24]推出了智慧建井4.0 工程，基于大數據處理與井筒數字孿生技術搭建了鉆井智能平臺，并結合智能傳感器和物聯網等技術，實現了對鉆前預測、鉆中優化、鉆后評價等多個環節優化仿真。由斯倫貝謝公司[25]研發的以數據生態環境作為其核心的DELFI 平臺，實現了井下與地上數據的無縫連接，可對數以百萬計的數據記錄提供有效訪問，并支持數據標準化、智能解釋和成果提交等功能，為平臺作業提供豐富的數據資源。挪威的eDrilling 公司推出的智能化平臺具有自動化鉆井控制、鉆井設計與優化、虛擬鉆井、自動監測與實時優化、動態井控和實時控壓鉆井等核心功能，集合實時鉆井仿真、三維可視化和遠程控制于一體，覆蓋鉆井設計與優化、預測、實施、評估等內容，從風險防范、鉆井優化和減少非生產時間等方面實現了經濟、安全、高效鉆井。

圖5 NOV 公司鉆井全過程遠程自動控制系統[23]Fig.5 NOV company remote automatic control system for the whole drilling process[23]

我國中國煤科西安研究院也研制出煤礦井下智能鉆探平臺，集合機、電、液、云技術于一體，由自動化鉆機、井下遙控系統、集控中心、隨鉆測量系統等組成。平臺致力于瓦斯抽采、沖擊地壓防治、探放水等各類鉆孔的遠控自動化施工，融合透明地質系統，服務智慧礦山建設。智能鉆探平臺可實現設備狀態實時監控，鉆孔參數井上井下多方互通，基于云平臺的智能鉆探平臺，具備數據分級查看功能。中國地質大學(武漢)[26]開展了鉆進狀態監測系統的研究，主要包括鉆進數據庫、智能控制中心和遠程監控操作中心，建立了基于支持向量機的鉆進工況識別模型。中國地質科學院勘探技術研究所[27]研制了一種鉆探參數實時采集系統，基于地質云平臺建設，建立了鉆探數據庫。該系統可以讓用戶全天候掌握鉆探工況，通過傳感器采集鉆壓、孔深、主軸轉速、泥漿流量和壓力等數據，并將實時工況數據傳輸至遠程服務器。

在鉆井數字化、自動化的背景下，開展面向鉆進過程狀態監測的智能鉆探分析平臺對提升鉆進作業效率、保障鉆井安全和降低鉆井成本具有十分重要的作用。國外大型油氣公司在智能化裝備、工具、軟件層面建立了完整的技術鏈，國內目前還處于初級階段，還需要在充分借鑒國外技術的基礎上，進行技術攻關，實現數字化轉型升級。

2 智能導向鉆進技術

2.1 旋轉導向鉆進技術

在鉆井施工中，隨著鉆井深度的增加，旋轉導向鉆進技術已經成為了一種必要的工具和技術手段。在過去的20 多年里，國外旋轉導向系統經歷了4 次重大的更新換代，現在已經具備了可靠性高、使用壽命長、適用性好的特點。

目前，世界上大型油氣技術服務公司如斯倫貝謝、哈里伯頓、威德福等分別擁有自己先進的旋轉導向系統序列。例如斯倫貝謝公司相繼推出了推靠式、指向式、混合式、近鉆頭式等一系列產品，如圖6 所示，并大規模應用在油田技術服務中[28]。2019 年，斯倫貝謝公司[29]研制的NeoSteer 近鉆頭式導向系統，將旋轉導向系統與鉆頭相結合，能夠在定向井段達到高狗腿度，不僅可以達到更高的機械鉆速，而且還可以優化導向控制，得到直井段更直、定向段質量更高的井眼軌跡。大造斜可以達到16(°)/30 m，以一趟鉆完成造斜段和水平段鉆進，從而減少起下鉆次數，縮短了非生產時效。近年來，面對油氣開發過程中的“卡脖子”問題，國內“三桶油”經過持續的研究探索，對部分核心技術實現了較大的突破，并在現場得到了一定的應用推廣，初見成效。例如中國石油長城鉆探自主研發的指向式旋轉導向系統、中國石化勝利石油工程公司自主研發的SINOMACS ATSI 型旋轉導向儀器以及中海油服自主研發的Welleader 旋轉導向鉆井系統等。

圖6 斯倫貝謝旋轉導向工具Fig.6 Schlumberger rotary steerable tools

雖然當前國內的旋轉導向技術取得了一定的進展，但暫時還未實現自動化、高效化、多元化的應用，與國外成熟技術仍存在一定差距。今后應當加大科研投入，密切關注先進技術的發展，針對核心技術問題進行重點攻關，積極推進國產技術裝備在油田現場的大規模應用。

2.2 地質導向鉆進技術

地質導向是一種基于隨鉆測量、隨鉆地震和隨鉆測井的前沿導向鉆井技術，在鉆井過程中實時探測地層物性、結構及流體性質，來引導旋轉導向系統鉆進，被譽為水平鉆進的“眼睛”[30]。1992 年，斯倫貝謝公司首先提出地質導向的概念并研制出了可用于測量深淺電阻率、自然伽馬的地質導向隨鉆測井工具。隨后，哈里伯頓、貝克休斯、挪威國家石油公司等相繼研制出各自的地質導向工具及相應的地質導向軟件[31]。

近年來，測量工具傳輸速率與探測數據分辨率逐漸提高，地質導向技術的相關軟件實現了實時定量判斷儲層距離和邊界的功能。諸如斯倫貝謝公司Geosteering 軟件和WellEye 軟件、哈里伯頓公司Stratasteer和RoxC 軟件、貝克休斯公司RNS 軟件等相關地質導向鉆進技術軟件都具有鉆井可視化、三維儲層建模等功能，可以輔助技術人員直接、準確地進行鉆頭定向作業[32]。以WellEye 軟件為例，它能夠通過使用不同顏色標定方向性數值，實現三維的成像數據的直觀顯示，實時獲取地層傾角，為作業人員及時提供準確的地層信息，如圖7 所示。此外，該軟件還可以通過前端軌跡設計對前方地層的預測，進而實現前瞻性的地質導向[33]。

圖7 WellEye 軟件成像[33]Fig.7 WellEye software imaging[33]

當前，基于隨鉆測井的地質導向技術已逐漸趨于成熟，已經形成幾十種不同類型的隨鉆測井工具，并且朝著深探測、多參數、近鉆頭、快速穩定傳輸方向發展。過去十多年來，地質導向軟件已經實現了隨鉆高分辨率伽馬和電阻率成像，并可實時更新三維地質導向模型，極大地提升了井眼軌跡控制水平及儲層鉆遇率。

3 智能取心技術

3.1 切換取心技術

2018 年，挪威CoreAlI 公司[34]推出了智能取心系統ICS，是一種模塊化，完全儀表化的取心鉆孔組件，如圖8a 所示。CoDril 模塊允許操作員在取心模式和鉆孔模式之間實時切換。如果特定間隔內不要取心，則可以將工具設置為全直徑鉆孔，以避免填滿巖心筒。因此，可以減少或消除取心和鉆井設備之間的更換行程。隨測取心模塊在巖心進入巖心筒時提供巖心的基本實時測井信息，包括伽馬射線、電阻率、溫度、振動和內筒失速檢測等，使鉆探人員能夠通過實時評估巖心來優化取心過程。該系統具有高性能電氣連接發電、數據處理和存儲以及到地面的雙向數據通信。我國5 000 m 新型能源勘探智能鉆探裝備與技術研發項目中也提出了取心與無心鉆進不提鉆切換的方案，可在大于130 mm 孔徑中應用該技術工藝[35]。

圖8 智能取心系統Fig.8 Intelligent coring system

在干熱巖和地熱鉆井等領域中，切換取心技術具有廣泛的應用前景。這些領域通常不需要對整個井底進行取心，只是目標地層進行局部取心或者間斷取心。該技術可以提供更好的鉆進效率和質量，提高鉆井安全性。

3.2 井壁取心技術

在傳統的取心方法中，取得的樣品在提取過程中減壓，導致50%～70%的流體從樣品中逸出。基于側壁旋轉取心技術，哈里伯頓公司[36]推出了CoreVault系統(圖7b)，通過全自動化實現智能取心，采用多參數控制的全自動取心系統，可以在壓力或扭矩控制的取心模式下運行，從而優化取心時間，實現在惡劣環境中高保真原位取心。

哈里伯頓的CoreVault 系統將巖心取樣與井下流體取樣、壓力和溫度測量相結合，可在單次運行中采集高質量樣品，提供高速鉆頭旋轉、扭矩和鉆頭推進的獨特組合。可在一次運行中捕獲密封壓力容器中的達10 個巖心樣品，且可以防止儲層流體在巖心提取和運輸過程中逸出。容器可安全地將關鍵的儲層流體鎖定在目標巖心中，此時這些巖心中的儲層流體可以被測量和分析。因此，操作員可以避免干孔并準確預測產量，這使得生產模擬更加準確。CoreVault 系統獲得的樣品測量顯示，石油和天然氣的到位量是先前估計的2.5 倍，這一獨特的解決方案為整個油藏的綜合分析提供了有利的信息。

3.3 定向取心技術

定向鉆進技術在資源開采、地下空間利用、工程地質勘察、海底地質調查等領域應用廣泛。其中，取心是定向鉆進需要解決的難題之一，為此挪威Devico公司[37]研制了一種定向繩索取心鉆進系統，如圖8c所示，在定向鉆進中實現了繩索取心的功能。采用這種系統，能方便地對鉆孔軌跡進行控制，顯著降低勘探鉆進的工期和成本。該公司掌握定向巖心鉆探技術，實現了糾斜、繞障、多分支孔鉆進等功能，可以在采集巖心樣品的同時，將井眼按預定方向鉆進。可以在最初的“母井”內啟動多個分支井，減少鉆井場地，對環境產生積極影響，并進一步降低成本。中國地質科學院勘探技術研究所[38]也研制了繩索定向造斜及定向取心工具，并在云南華澤礦區進行應用，獲取了一定的成功。

4 智能鉆井液技術

從廣義上講，鉆井液智能化包括鉆井液化學體系的智能化、鉆井液控制系統的智能化以及鉆井液信息平臺智能化[39]。從狹義上講，智能鉆井液是指可以自主識別井下環境變化，并通過調整自身物化特性，來實現對井下環境自適應的鉆井液[40]。具有“自識別、自調節、自適應”等特點的鉆井液，能夠在鉆井過程中有效地改善鉆井液的性能，降低人為干預的次數，減緩甚至避免井下事故的發生，提高鉆井效率。

目前，國內外學者研究具有初級智能特征的鉆井液技術主要包括鹽響應聚合物、壓力敏感的可變密度、溫敏聚合物的恒流變、pH 值響應材料的可逆轉乳化(圖9)、磁響應粒子的流變性原位調控、智能暫堵的保護油氣層、形狀記憶材料的智能堵漏體系等幾個方面[39-40]。目前，初級智能鉆井液對地層適應性較低，還需要進一步改進并根據現場應用效果進行驗證。

圖9 可逆轉乳化鉆井液 [40]Fig.9 Reversible emulsified drilling fluid[40]

鉆井液技術智能化還體現在鉆井液智能輔助系統。它不僅包括鉆井液傳送設備、實時監測等裝置，還包括鉆井液智能操控系統、鉆井液信息平臺等，是實現鉆井液智能化的關鍵環節。法赫德國王石油和礦產大學[41]、中法渤海地質服務有限公司[42]、天津大學[43]、西安科技大學[44]等分別研制了鉆井液智能監測裝置，利用傳感器實現了信息傳輸、自動化監測等功能。徐超[45]通過大量的數據庫資料，建立了鉆井液專家數據庫。使用者可通過鉆井過程中數據參數，選擇合適的鉆井液類型，促進了鉆井液的智能化管理。S.C.Magalhaes 等[46]研制了一套遠程控制的智能鉆井液生產系統，對生產過程中流通量、密度、黏度等參數實時監測，實現了鉆井液的智能化生產。

總之，國際上對智能鉆井液的研究尚處于初級階段。智能鉆井液技術的進一步發展，不僅需要研發新型智能鉆井液化學體系，使鉆井液實現多變地層巖性與流體、多變壓力與溫度等復雜環境的綜合響應，而且需要與大數據、物聯網、人工智能等新興科學技術結合起來，發展更高級的智能鉆井液監測系統和專家系統，形成智能化、多元化、綜合化程度更高的智能鉆井液裝備，推動鉆井液技術真正進入智能化時代。

5 微小井眼鉆井技術

微小井眼(直徑小于88.9 mm)鉆井技術具有高效率、低污染、低成本等特點(圖10)，自1994 年被美國Los Alamos 國家實驗室提出后，在全球發展迅速，已成為國內外研究熱點[48-49]。該技術使用連續管進行鉆進，不僅能解決頻繁的接單根的問題以提高起下鉆的效率，還能有效地控制井口壓力方便實施欠平衡鉆井，而且整個裝備易于搬遷，所需操作人員較少，這與當前自動化和智能化發展趨勢相吻合。

圖10 微小井眼鉆進技術[47]Fig.10 Micro-hole drilling technology[47]

2021 年，美國WWT 公司[50]將井下傳感器與液動錘集成到連續油管近鉆頭處，可實現孔下控制與通信，連續記錄油管壓差、環空壓力、扭矩、溫度、振動和傾斜度等參數，并將獲得數據從傳感器中無線傳輸到地面。

為了提高微小井眼水平井連續油管鉆井水平段延伸能力及自動化水平，WWT 公司提出了利用鉆井機器人牽引連續油管鉆井的方案。將鉆井機器人設計在連續油管與定向工具之間，通過鉆井液驅動鉆井機器人，為連續油管和鉆具提供牽引力和鉆壓[51]。成都理工大學[52]設計了一種伸縮式井下鉆井機器人，為微小井眼中牽引連續油管并提供所需鉆壓，以達到大幅度增加水平段長度的目的。但目前國內外對該機器人的研發都仍處于實驗研究階段。

此外，微小井眼鉆井技術為近年來快速發展的短半徑、多分支、多側向水平定向鉆井提供了先進、安全、有效的技術手段。不僅適用于油田挖潛中的老井側鉆、邊際油藏開采，還可應用于天然氣水合物、煤層氣以及地熱資源的開發，鉆井費用僅為常規方法的30%左右，擁有較大的發展潛力以及廣闊的應用前景[53-54]。

6 無人化鉆探前景

隨著鉆井自動化和智能化程度的不斷提高，以及虛擬與現實、計算機視覺、人工智能、物聯網等技術的應用發展，鉆探無疑也必將向無人化方向發展，成為未來鉆探領域的重要發展方向。

6.1 無人機鉆探

美國內布拉斯加大學林肯分校(University of Nebraska Lincdn，UNL)[55]開發了無人機鉆探系統(圖11a)，該系統使用一臺無人機攜帶輕型鉆機。無人機在鉆掘過程中收集數據，完成后即可飛行返回。使用無人機進行鉆掘使得以前難以或不可能到達的地區得以探索，將輕型化鉆機直接投放到目標鉆孔中，減少人工勞動。同時，對環境的影響減少到最低，提高勘探資源的可持續性。使用無人機進行鉆掘提供高效率、準確性和安全性，其輕型設計最小化了對環境和危險田野工作的需求。在未來，該系統可能成為礦產勘查、巖土取樣等方面的寶貴工具，會得到更加廣泛的應用。

圖11 無人化鉆探系統Fig.11 Unmanned drilling system

6.2 無鉆機鉆井

針對礦山災害鉆孔救援過程中，地面鉆機對地下鉆頭“長臂管轄”式驅動造成的鉆進效率低、起下鉆輔助耗時長和孔壁擾動大等問題，吉林大學[56-58]提出了一種無鉆機雙鉆頭仿生自平衡連續纜管鉆進技術，利用內外鉆頭異向同步回轉的功能，實現扭矩動態自平衡。該技術具有無需鉆機、鉆進速度快和對井壁擾動小的優點，在構建礦山災害救援通道方面具有很大的發展潛力。

長期以來，無論是陸地還是海洋鉆井技術都需要鉆井平臺，同時還要依賴鉆桿、泥漿、套管等裝備材料，這對于鉆井時效及費用都是極大的消耗。近年來，挪威獾式鉆探器公司[59]推出了一種無鉆機鉆井技術即獾式鉆探器，如圖11b 所示，依靠鉆探器的自重實現自動化鉆進，不需要鉆井平臺及配套的鉆井耗材，在鉆井過程中可以對地層及工程參數進行實時測量。通過電纜為井下鉆具提供電力，并使用電動鉆具驅動鉆頭實現鉆進；亦可以利用電纜實現雙向通信，更有利于對石油、天然氣等進行快速準確的探測，從而提高了探井的成功率，減少了鉆井費用及風險；最后，獾式鉆探器到達目的地層后，可以長期留在井底對儲層進行監測，實現遠程控制和自動化鉆井的目的。無鉆機鉆井是未來鉆井技術的一個重要發展方向，其優勢在于可以減少對傳統鉆井設備的依賴，降低鉆井成本，并提高鉆井效率和安全性。在未來，獾式鉆探技術的研發方向需要注重提高鉆深能力和耐溫能力、實現遠程控制和自動化鉆井、提高可靠性和耐久性等方面，以應對復雜地質條件和提高鉆井效率的需求。

7 結語

回顧過去，自新中國成立以來，我國鉆井技術歷經70 余年的發展歷程，從鉆機設備、井下工具、控制系統等方面都取得了長足的進步。全球科學技術正朝著數字化、信息化的方向飛速發展，這也為智能鉆井技術與裝備的發展奠定了堅實的基礎。當前，國外智能鉆井技術目前已處于開發攻關驗證階段，個別單項技術已經實現商業化應用。相比之下，而我國智能鉆井技術起步較晚，與國際先進水平還存在著一定的距離，仍需要不斷地完善發展。

展望未來，智能化鉆井技術與裝備的發展與物聯網、大數據、人工智能等關鍵基礎理論與技術密切相關。有必要推進多學科融合，加強鉆井工程與前沿理論及技術的跨界交流。同時，在借鑒國外先進經驗的基礎上，需要強化協同創新，健全人才培養和團隊建設機制，構建產學研合作平臺，提升我國鉆井工程技術與裝備水平，大幅提升作業效率和人員安全，不斷增強對能源供應的質量和安全保障能力。