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(zhì)環(huán)境監(jiān)測教育部重點實驗室，湖南 長沙 410083；3.山東省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第六地質(zhì)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(guī)油氣能源的持續(xù)開發(fā)，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(shù)裝備來提高企業(yè)的勘探開發(fā)效益。而鉆井是油氣資源開采中的重要環(huán)節(jié)，亟需發(fā)展新一代革命性鉆井技術(shù)，以提升勘探開發(fā)水平與鉆井工藝質(zhì)量[1]。而在當今世界科學技術(shù)走向數(shù)字化、智能化的大背景下，智能化鉆探已經(jīng)成為了行業(yè)前沿熱點與未來的發(fā)展方向。智能鉆井技術(shù)與裝備的發(fā)展，可大幅減少現(xiàn)場作業(yè)人員數(shù)量，對無人則安、資源高效開發(fā)利用具有重要的現(xiàn)實意義。

當前，國內(nèi)外自動化、智能化鉆井技術(shù)整體上發(fā)展迅速，在鉆機設備、井下工具、控制系統(tǒng)和通信系統(tǒng)等方面都有了較大的發(fā)展。我國由于研究起步較晚，與發(fā)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(lǐng)域處于國際領(lǐng)先地位，研發(fā)的部分技術(shù)與裝備已投入了商業(yè)化的應用[2-3]，國內(nèi)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(shù)構(gòu)架與“群智慧”相融合的策略，來適應頁巖氣井工廠化開發(fā)的需求；李泉新等[5]提出了圍繞智能化鉆機、高精度數(shù)據(jù)獲取與傳輸、鉆孔軌跡智能優(yōu)化與控制、輔助關(guān)聯(lián)設備集成控制和數(shù)字化鉆進平臺展開攻關(guān)的發(fā)展路徑，來實現(xiàn)煤礦井下智能化施工作業(yè)。李根生等[6]針對油氣勘探開發(fā)面臨的一系列難題和挑戰(zhàn)，探討了我國智能鉆井重點攻關(guān)方向。

通過分析智能鉆井技術(shù)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(nèi)外現(xiàn)狀進行梳理，研究總結(jié)智能導向、智能取心、智能鉆井液、微小井眼技術(shù)、無人化鉆探等近年來國內(nèi)外的最新研究成果，以期為我國智能鉆井技術(shù)及相關(guān)裝備的發(fā)展提供一些新的思路。

1 智能鉆井系統(tǒng)及基本組成

縱觀鉆井工程百余年的發(fā)展歷程，主要經(jīng)歷了從經(jīng)驗到科學、從科學鉆探到自動化、智能化的發(fā)展歷程。鉆井技術(shù)通常被劃分為經(jīng)驗鉆井、科學鉆井、自動化鉆井和智能化鉆井4個發(fā)展階段。智能鉆井系統(tǒng)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(huán)節(jié)主要包括：現(xiàn)場地面智能控制平臺、智能導向鉆井系統(tǒng)、數(shù)據(jù)測量通信控制網(wǎng)絡系統(tǒng)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(tǒng)通過智能鉆桿、智能鉆頭等裝備，與隨鉆測量技術(shù)、旋轉(zhuǎn)導向鉆井技術(shù)及地質(zhì)導向鉆井技術(shù)等相結(jié)合，收集井下地層信息、鉆進參數(shù)、鉆頭工況等信息，利用數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡系統(tǒng)由地面智能控制平臺進行接收。地面現(xiàn)場根據(jù)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(guān)情況，進行實施作業(yè)。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(zhuǎn)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(shù)據(jù)、專家系統(tǒng)，對整個鉆進過程進行實時監(jiān)測并做出優(yōu)化方案，在鉆后對鉆井效果進行評價分析，將相關(guān)資料錄入數(shù)據(jù)庫。

圖1 智能鉆井系統(tǒng)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(xù)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(zhì)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(tǒng)、自動換桿系統(tǒng)、鉆孔導航系統(tǒng)、輔助定位功能，實現(xiàn)單孔全過程自動化鉆孔，可大幅度提高鉆孔效率、精度和質(zhì)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(tǒng)組成。鉆機具有自動鉆探功能、可視化鉆孔規(guī)劃、多個孔位之間的自動定位、遠程監(jiān)控系統(tǒng)集成和數(shù)據(jù)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?qū)崿F(xiàn)自動化。RDS 機器人系統(tǒng)，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(tǒng)以及機器人鉆工4 大模塊。各系統(tǒng)間相互配合，無需人工介入，可實現(xiàn)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(fā)展主要實現(xiàn)了鉆桿、鉆頭的自動裝卸、自動調(diào)姿等功能；實現(xiàn)了遠程操作監(jiān)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(lǐng)域，智能油氣鉆機實現(xiàn)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(yè)進行實時監(jiān)測，從而調(diào)節(jié)鉆井參數(shù)、做出優(yōu)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(qū)動，并配備有連續(xù)循環(huán)及流量監(jiān)測、全自動離線處理等系統(tǒng)，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(fā)的RAPID 智能鉆機可以實現(xiàn)鉆桿自動安裝更換，并適應各種復雜鉆井環(huán)境等。

國內(nèi)智能鉆機研發(fā)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(fā)了能滿足大傾角、全自動化作業(yè)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(jiān)測和控制的功能，能夠?qū)崿F(xiàn)地面與井下數(shù)據(jù)的實時通信。中國寶雞石油機械公司[1]研發(fā)的7 000 m 自動化鉆機，通過一鍵實現(xiàn)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(jīng)具備了遠程控制、自動換桿、無線數(shù)據(jù)傳輸與監(jiān)控等功能，但是仍未實現(xiàn)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(shù)，才能真正實現(xiàn)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(fā)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(lián)的研究人員開發(fā)出了基于電磁信號的智能鉆桿傳輸系統(tǒng)。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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(yè)的磁耦合有纜鉆桿系統(tǒng)(圖3)。美國NOV公司[16]根據(jù)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(xiàn)商業(yè)化應用。中國石油集團研發(fā)出一種?127 mm 高速信息鉆桿，結(jié)合磁耦合有纜鉆桿的關(guān)鍵技術(shù)，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(xiàn)孔口防爆計算機和孔底測量探管之間的雙向?qū)崟r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(shù)相關(guān)研究成果提高了鉆井數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)的需求。在復雜結(jié)構(gòu)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(zhì)導向等技術(shù)的發(fā)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(diào)整自身形態(tài)及相關(guān)參數(shù)以實現(xiàn)高效鉆進的鉆頭。得益于機械比能(Mechanical Specific Engergy，MSE)技術(shù)的不斷進步，智能鉆頭設備得以快速的發(fā)展。智能鉆頭大致分為兩類：一種是自適應鉆頭，可以實現(xiàn)最優(yōu)參數(shù)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(jù)地層狀況自動調(diào)整切削深度，降低振動、沖擊荷載以及黏滑效應，實現(xiàn)快速平穩(wěn)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(yōu)化鉆井參數(shù)，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(nèi)傳感器模塊，可安裝在PCD 鉆頭接頭內(nèi)，可對鉆頭的振動、扭矩、載荷、壓力、溫度等多個參數(shù)進行實時監(jiān)測(圖4)。貝克休斯公司[21]于2021 年也推出MultiSenseTMHD 2.0 動態(tài)傳感器模塊，也可實時采集和傳輸各種參數(shù)。還有英國AnTech 公司[22]的傳感器鉆頭，在地質(zhì)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(shù)據(jù)的有效性。

圖4 哈里伯頓Cerebro ForceTM 位內(nèi)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(jīng)成為鉆探行業(yè)未來的發(fā)展趨勢。我國在智能鉆頭的研發(fā)方面起步相對較晚，目前正處于技術(shù)攻關(guān)和測試階段。未來，智能鉆頭將朝著更加先進的水平發(fā)展，向智能化主動式破巖方向發(fā)展，在復雜的環(huán)境中實現(xiàn)自動獲取地下信息和實時調(diào)整鉆探參數(shù)。

1.4 智能鉆探平臺

以鉆井過程中產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)為基礎，人工智能、機器學習、云計算等先進計算機技術(shù)的模型在國外智能建模平臺相繼得到大規(guī)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(jiān)控。比如：美國NOV 公司[23]研發(fā)的司鉆控制平臺集合了鉆井全自動遠程自動控制系統(tǒng)(圖5)，實現(xiàn)地面和井下鉆井閉環(huán)優(yōu)化。哈里伯頓公司[24]推出了智慧建井4.0 工程，基于大數(shù)據(jù)處理與井筒數(shù)字孿生技術(shù)搭建了鉆井智能平臺，并結(jié)合智能傳感器和物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)，實現(xiàn)了對鉆前預測、鉆中優(yōu)化、鉆后評價等多個環(huán)節(jié)優(yōu)化仿真。由斯倫貝謝公司[25]研發(fā)的以數(shù)據(jù)生態(tài)環(huán)境作為其核心的DELFI 平臺，實現(xiàn)了井下與地上數(shù)據(jù)的無縫連接，可對數(shù)以百萬計的數(shù)據(jù)記錄提供有效訪問，并支持數(shù)據(jù)標準化、智能解釋和成果提交等功能，為平臺作業(yè)提供豐富的數(shù)據(jù)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(yōu)化、虛擬鉆井、自動監(jiān)測與實時優(yōu)化、動態(tài)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(yōu)化、預測、實施、評估等內(nèi)容，從風險防范、鉆井優(yōu)化和減少非生產(chǎn)時間等方面實現(xiàn)了經(jīng)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(tǒng)[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(shù)于一體，由自動化鉆機、井下遙控系統(tǒng)、集控中心、隨鉆測量系統(tǒng)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(zhì)系統(tǒng)，服務智慧礦山建設。智能鉆探平臺可實現(xiàn)設備狀態(tài)實時監(jiān)控，鉆孔參數(shù)井上井下多方互通，基于云平臺的智能鉆探平臺，具備數(shù)據(jù)分級查看功能。中國地質(zhì)大學(武漢)[26]開展了鉆進狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的研究，主要包括鉆進數(shù)據(jù)庫、智能控制中心和遠程監(jiān)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(zhì)科學院勘探技術(shù)研究所[27]研制了一種鉆探參數(shù)實時采集系統(tǒng)，基于地質(zhì)云平臺建設，建立了鉆探數(shù)據(jù)庫。該系統(tǒng)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(zhuǎn)速、泥漿流量和壓力等數(shù)據(jù)，并將實時工況數(shù)據(jù)傳輸至遠程服務器。

在鉆井數(shù)字化、自動化的背景下，開展面向鉆進過程狀態(tài)監(jiān)測的智能鉆探分析平臺對提升鉆進作業(yè)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(shù)鏈，國內(nèi)目前還處于初級階段，還需要在充分借鑒國外技術(shù)的基礎上，進行技術(shù)攻關(guān)，實現(xiàn)數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級。

2 智能導向鉆進技術(shù)

2.1 旋轉(zhuǎn)導向鉆進技術(shù)

在鉆井施工中，隨著鉆井深度的增加，旋轉(zhuǎn)導向鉆進技術(shù)已經(jīng)成為了一種必要的工具和技術(shù)手段。在過去的20 多年里，國外旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)經(jīng)歷了4 次重大的更新?lián)Q代，現(xiàn)在已經(jīng)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(shù)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(zhuǎn)導向系統(tǒng)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(chǎn)品，如圖6 所示，并大規(guī)模應用在油田技術(shù)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(tǒng)，將旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)與鉆頭相結(jié)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(yōu)化導向控制，得到直井段更直、定向段質(zhì)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(shù)，縮短了非生產(chǎn)時效。近年來，面對油氣開發(fā)過程中的“卡脖子”問題，國內(nèi)“三桶油”經(jīng)過持續(xù)的研究探索，對部分核心技術(shù)實現(xiàn)了較大的突破，并在現(xiàn)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(fā)的指向式旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)、中國石化勝利石油工程公司自主研發(fā)的SINOMACS ATSI 型旋轉(zhuǎn)導向儀器以及中海油服自主研發(fā)的Welleader 旋轉(zhuǎn)導向鉆井系統(tǒng)等。

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

雖然當前國內(nèi)的旋轉(zhuǎn)導向技術(shù)取得了一定的進展，但暫時還未實現(xiàn)自動化、高效化、多元化的應用，與國外成熟技術(shù)仍存在一定差距。今后應當加大科研投入，密切關(guān)注先進技術(shù)的發(fā)展，針對核心技術(shù)問題進行重點攻關(guān)，積極推進國產(chǎn)技術(shù)裝備在油田現(xiàn)場的大規(guī)模應用。

2.2 地質(zhì)導向鉆進技術(shù)

地質(zhì)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(shù)，在鉆井過程中實時探測地層物性、結(jié)構(gòu)及流體性質(zhì)，來引導旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)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(zhì)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(zhì)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(zhì)導向工具及相應的地質(zhì)導向軟件[31]。

近年來，測量工具傳輸速率與探測數(shù)據(jù)分辨率逐漸提高，地質(zhì)導向技術(shù)的相關(guān)軟件實現(xiàn)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(guān)地質(zhì)導向鉆進技術(shù)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(shù)人員直接、準確地進行鉆頭定向作業(yè)[32]。以WellEye 軟件為例，它能夠通過使用不同顏色標定方向性數(shù)值，實現(xiàn)三維的成像數(shù)據(jù)的直觀顯示，實時獲取地層傾角，為作業(yè)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(xiàn)前瞻性的地質(zhì)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(zhì)導向技術(shù)已逐漸趨于成熟，已經(jīng)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(shù)、近鉆頭、快速穩(wěn)定傳輸方向發(fā)展。過去十多年來，地質(zhì)導向軟件已經(jīng)實現(xiàn)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(zhì)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(shù)

3.1 切換取心技術(shù)

2018 年，挪威CoreAlI 公司[34]推出了智能取心系統(tǒng)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(nèi)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(nèi)筒失速檢測等，使鉆探人員能夠通過實時評估巖心來優(yōu)化取心過程。該系統(tǒng)具有高性能電氣連接發(fā)電、數(shù)據(jù)處理和存儲以及到地面的雙向數(shù)據(jù)通信。我國5 000 m 新型能源勘探智能鉆探裝備與技術(shù)研發(fā)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(shù)工藝[35]。

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

在干熱巖和地熱鉆井等領(lǐng)域中，切換取心技術(shù)具有廣泛的應用前景。這些領(lǐng)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(shù)可以提供更好的鉆進效率和質(zhì)量，提高鉆井安全性。

3.2 井壁取心技術(shù)

在傳統(tǒng)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?；趥?cè)壁旋轉(zhuǎn)取心技術(shù)，哈里伯頓公司[36]推出了CoreVault系統(tǒng)(圖7b)，通過全自動化實現(xiàn)智能取心，采用多參數(shù)控制的全自動取心系統(tǒng)，可以在壓力或扭矩控制的取心模式下運行，從而優(yōu)化取心時間，實現(xiàn)在惡劣環(huán)境中高保真原位取心。

哈里伯頓的CoreVault 系統(tǒng)將巖心取樣與井下流體取樣、壓力和溫度測量相結(jié)合，可在單次運行中采集高質(zhì)量樣品，提供高速鉆頭旋轉(zhuǎn)、扭矩和鉆頭推進的獨特組合?？稍谝淮芜\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(guān)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(chǎn)量，這使得生產(chǎn)模擬更加準確。CoreVault 系統(tǒng)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(shù)

定向鉆進技術(shù)在資源開采、地下空間利用、工程地質(zhì)勘察、海底地質(zhì)調(diào)查等領(lǐng)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(tǒng)，如圖8c所示，在定向鉆進中實現(xiàn)了繩索取心的功能。采用這種系統(tǒng)，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(shù)，實現(xiàn)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(nèi)啟動多個分支井，減少鉆井場地，對環(huán)境產(chǎn)生積極影響，并進一步降低成本。中國地質(zhì)科學院勘探技術(shù)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(qū)進行應用，獲取了一定的成功。

4 智能鉆井液技術(shù)

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(tǒng)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(huán)境變化，并通過調(diào)整自身物化特性，來實現(xiàn)對井下環(huán)境自適應的鉆井液[40]。具有“自識別、自調(diào)節(jié)、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(shù)，減緩甚至避免井下事故的發(fā)生，提高鉆井效率。

目前，國內(nèi)外學者研究具有初級智能特征的鉆井液技術(shù)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(zhuǎn)乳化(圖9)、磁響應粒子的流變性原位調(diào)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(jù)現(xiàn)場應用效果進行驗證。

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

鉆井液技術(shù)智能化還體現(xiàn)在鉆井液智能輔助系統(tǒng)。它不僅包括鉆井液傳送設備、實時監(jiān)測等裝置，還包括鉆井液智能操控系統(tǒng)、鉆井液信息平臺等，是實現(xiàn)鉆井液智能化的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。法赫德國王石油和礦產(chǎn)大學[41]、中法渤海地質(zhì)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(jiān)測裝置，利用傳感器實現(xiàn)了信息傳輸、自動化監(jiān)測等功能。徐超[45]通過大量的數(shù)據(jù)庫資料，建立了鉆井液專家數(shù)據(jù)庫。使用者可通過鉆井過程中數(shù)據(jù)參數(shù)，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(chǎn)系統(tǒng)，對生產(chǎn)過程中流通量、密度、黏度等參數(shù)實時監(jiān)測，實現(xiàn)了鉆井液的智能化生產(chǎn)。

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(shù)的進一步發(fā)展，不僅需要研發(fā)新型智能鉆井液化學體系，使鉆井液實現(xiàn)多變地層巖性與流體、多變壓力與溫度等復雜環(huán)境的綜合響應，而且需要與大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等新興科學技術(shù)結(jié)合起來，發(fā)展更高級的智能鉆井液監(jiān)測系統(tǒng)和專家系統(tǒng)，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(shù)真正進入智能化時代。

5 微小井眼鉆井技術(shù)

微小井眼(直徑小于88.9 mm)鉆井技術(shù)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(fā)展迅速，已成為國內(nèi)外研究熱點[48-49]。該技術(shù)使用連續(xù)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(fā)展趨勢相吻合。

圖10 微小井眼鉆進技術(shù)[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(xù)油管近鉆頭處，可實現(xiàn)孔下控制與通信，連續(xù)記錄油管壓差、環(huán)空壓力、扭矩、溫度、振動和傾斜度等參數(shù)，并將獲得數(shù)據(jù)從傳感器中無線傳輸?shù)降孛妗?/p>

為了提高微小井眼水平井連續(xù)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(xù)油管鉆井的方案。將鉆井機器人設計在連續(xù)油管與定向工具之間，通過鉆井液驅(qū)動鉆井機器人，為連續(xù)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(xù)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(nèi)外對該機器人的研發(fā)都仍處于實驗研究階段。

此外，微小井眼鉆井技術(shù)為近年來快速發(fā)展的短半徑、多分支、多側(cè)向水平定向鉆井提供了先進、安全、有效的技術(shù)手段。不僅適用于油田挖潛中的老井側(cè)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(fā)，鉆井費用僅為常規(guī)方法的30%左右，擁有較大的發(fā)展?jié)摿σ约皬V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(xiàn)實、計算機視覺、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的應用發(fā)展，鉆探無疑也必將向無人化方向發(fā)展，成為未來鉆探領(lǐng)域的重要發(fā)展方向。

6.1 無人機鉆探

美國內(nèi)布拉斯加大學林肯分校(University of Nebraska Lincdn，UNL)[55]開發(fā)了無人機鉆探系統(tǒng)(圖11a)，該系統(tǒng)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(shù)據(jù)，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(qū)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(huán)境的影響減少到最低，提高勘探資源的可持續(xù)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(huán)境和危險田野工作的需求。在未來，該系統(tǒng)可能成為礦產(chǎn)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(tǒng)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(qū)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(xù)纜管鉆進技術(shù)，利用內(nèi)外鉆頭異向同步回轉(zhuǎn)的功能，實現(xiàn)扭矩動態(tài)自平衡。該技術(shù)具有無需鉆機、鉆進速度快和對井壁擾動小的優(yōu)點，在構(gòu)建礦山災害救援通道方面具有很大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

長期以來，無論是陸地還是海洋鉆井技術(shù)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(shù)即獾式鉆探器，如圖11b 所示，依靠鉆探器的自重實現(xiàn)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(shù)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(qū)動鉆頭實現(xiàn)鉆進；亦可以利用電纜實現(xiàn)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(jiān)測，實現(xiàn)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(shù)的一個重要發(fā)展方向，其優(yōu)勢在于可以減少對傳統(tǒng)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(shù)的研發(fā)方向需要注重提高鉆深能力和耐溫能力、實現(xiàn)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(zhì)條件和提高鉆井效率的需求。

7 結(jié)語

回顧過去，自新中國成立以來，我國鉆井技術(shù)歷經(jīng)70 余年的發(fā)展歷程，從鉆機設備、井下工具、控制系統(tǒng)等方面都取得了長足的進步。全球科學技術(shù)正朝著數(shù)字化、信息化的方向飛速發(fā)展，這也為智能鉆井技術(shù)與裝備的發(fā)展奠定了堅實的基礎。當前，國外智能鉆井技術(shù)目前已處于開發(fā)攻關(guān)驗證階段，個別單項技術(shù)已經(jīng)實現(xiàn)商業(yè)化應用。相比之下，而我國智能鉆井技術(shù)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(fā)展。

展望未來，智能化鉆井技術(shù)與裝備的發(fā)展與物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等關(guān)鍵基礎理論與技術(shù)密切相關(guān)。有必要推進多學科融合，加強鉆井工程與前沿理論及技術(shù)的跨界交流。同時，在借鑒國外先進經(jīng)驗的基礎上，需要強化協(xié)同創(chuàng)新，健全人才培養(yǎng)和團隊建設機制，構(gòu)建產(chǎn)學研合作平臺，提升我國鉆井工程技術(shù)與裝備水平，大幅提升作業(yè)效率和人員安全，不斷增強對能源供應的質(zhì)量和安全保障能力。