智能钻井装备与技术研究进展

张鑫鑫，梁博文，张晓龙，张绍和，金 新,4

(1.中南大学 地球科学与信息物理学院，湖南 长沙 410083；2.有色金属成矿预测与地质环境监测教育部重点实验室，湖南 长沙 410083；3.山东省地质矿产勘查开发局第六地质大队，山东 威海 264209；4.中煤科工西安研究院(集团)有限公司，陕西 西安 710077)

近年来，随着对常规油气能源的持续开发，地下剩余能源日益减少，开采难度及所需成本逐渐增加，迫切需要新的技术装备来提高企业的勘探开发效益。而钻井是油气资源开采中的重要环节，亟需发展新一代革命性钻井技术，以提升勘探开发水平与钻井工艺质量[1]。而在当今世界科学技术走向数字化、智能化的大背景下，智能化钻探已经成为了行业前沿热点与未来的发展方向。智能钻井技术与装备的发展，可大幅减少现场作业人员数量，对无人则安、资源高效开发利用具有重要的现实意义。

当前，国内外自动化、智能化钻井技术整体上发展迅速，在钻机设备、井下工具、控制系统和通信系统等方面都有了较大的发展。我国由于研究起步较晚，与发达国家尚存在一定的差距。以斯伦贝谢、贝克休斯、哈里伯顿为首的油服公司在智能化钻井领域处于国际领先地位，研发的部分技术与装备已投入了商业化的应用[2-3]，国内学者刘清友[4]分析了智能钻井装备及工具在页岩气钻井中的重要作用，并提出了智能钻井技术构架与“群智慧”相融合的策略，来适应页岩气井工厂化开发的需求；李泉新等[5]提出了围绕智能化钻机、高精度数据获取与传输、钻孔轨迹智能优化与控制、辅助关联设备集成控制和数字化钻进平台展开攻关的发展路径，来实现煤矿井下智能化施工作业。李根生等[6]针对油气勘探开发面临的一系列难题和挑战，探讨了我国智能钻井重点攻关方向。

通过分析智能钻井技术及其组成，从智能钻机、智能钻杆和钻头、智能钻探平台等方面对国内外现状进行梳理，研究总结智能导向、智能取心、智能钻井液、微小井眼技术、无人化钻探等近年来国内外的最新研究成果，以期为我国智能钻井技术及相关装备的发展提供一些新的思路。

1 智能钻井系统及基本组成

纵观钻井工程百余年的发展历程，主要经历了从经验到科学、从科学钻探到自动化、智能化的发展历程。钻井技术通常被划分为经验钻井、科学钻井、自动化钻井和智能化钻井4个发展阶段。智能钻井系统是建立在自动化、井下智能化钻井的基础上，钻井过程的各个环节主要包括：现场地面智能控制平台、智能导向钻井系统、数据测量通信控制网络系统和远程实时控制平台[7]，如图1 所示。在钻进过程中，智能导向钻井系统通过智能钻杆、智能钻头等装备，与随钻测量技术、旋转导向钻井技术及地质导向钻井技术等相结合，收集井下地层信息、钻进参数、钻头工况等信息，利用数据通信网络系统由地面智能控制平台进行接收。地面现场根据已取得的钻井资料进行分析，判断钻探目标体方位、厚度及走向的相关情况，进行实施作业。在此基础上，通过对智能钻机、钻井机器人输入指令，并指导旋转导向、智能钻头等工具做出精准动作，寻找最佳井眼轨迹并抵达目标体。远程实时智能控制中心利用信息中心数据、专家系统，对整个钻进过程进行实时监测并做出优化方案，在钻后对钻井效果进行评价分析，将相关资料录入数据库。

图1 智能钻井系统组成[7]Fig.1 Composition of intelligent drilling system[7]

1.1 智能钻机

21 世纪以来，随着欧美等国家陆续完成了对钻机的自动化和智能化升级，智能钻机的钻杆操作一键完成，送钻精度、取心质量、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、瑞典山特维克(Sandvik)公司、挪威机器人钻井公司(RDS)等。

瑞典安百拓(Epiroc)公司的Diamec Smart ROC系列钻机[8]，如图2a 所示配备了先进的自动化远程控制系统、自动换杆系统、钻孔导航系统、辅助定位功能，实现单孔全过程自动化钻孔，可大幅度提高钻孔效率、精度和质量。瑞典山特维克(Sandvik)公司DI650i潜孔钻机[9]，如图2b 所示，由固定式机械臂、钻杆装卸装置、干式集尘器以及可扩展的自动化控制系统组成。钻机具有自动钻探功能、可视化钻孔规划、多个孔位之间的自动定位、远程监控系统集成和数据传输功能。挪威机器人钻井公司(RDS)研制出全电动的机器人[10]，使钻探工作能够实现自动化。RDS 机器人系统，如图2c所示，包括钻井平台机器人、升降机器人、钻杆装卸系统以及机器人钻工4 大模块。各系统间相互配合，无需人工介入，可实现迅速无缝对接，管件、钻具等自主进行装卸。目前，国外研制的智能钻机的发展主要实现了钻杆、钻头的自动装卸、自动调姿等功能；实现了远程操作监控以及信息化管理；采用自动程序，在无人干预的情况下精确完成多个钻孔的自动钻进[11]。

图2 智能钻机系列Fig.2 Intelligent drilling rig series

在石油钻井领域，智能油气钻机实现了钻井平台的无人化。它可以通过地面控制中心对井下作业进行实时监测，从而调节钻井参数、做出优化决策。如意大利Drillmec 公司推出的AHEAD 自动钻机[12]，采用了液压和电动双重驱动，并配备有连续循环及流量监测、全自动离线处理等系统，具有智能钻杆、自动送钻等功能，钻井效率提升了50%以上。美国NOV 公司[1]研发的RAPID 智能钻机可以实现钻杆自动安装更换，并适应各种复杂钻井环境等。

国内智能钻机研发相对滞后。20 世纪80 年代，我国研制了钻孔机器人、采煤机器人，并将其应用于煤矿井下，中国煤科西安研究院[13]于2021 年研发了能满足大倾角、全自动化作业的电控自动化系列钻机，该钻机一次可携带长度达150 m 钻杆，具有远程监测和控制的功能，能够实现地面与井下数据的实时通信。中国宝鸡石油机械公司[1]研发的7 000 m 自动化钻机，通过一键实现钻机多个设备自动化运行。

综上，尽管我国已研制出全自动钻机，并且已经具备了远程控制、自动换杆、无线数据传输与监控等功能，但是仍未实现施工全过程的智能化。目前，我国研制的钻机仍处于机械化、自动化阶段，还需要融合前沿人工智能技术，才能真正实现对钻机设备的精准控制和智能化；向多自由度、高精度、智能化方向发展，推进智能钻机的无人化。

1.2 智能钻杆

在20 世纪70 年代，苏联的研究人员开发出了基于电磁信号的智能钻杆传输系统。自2000 年开始美国Grant Predico 公司与Nevotek 公司展开合作，共同研制了一套感应接头式的智能钻杆设备，该设备的信息数据的传输速率达到了1 Mb/s。在2003 年，美国IntelliServ 公司[14-15]研制出了一种可以双向传输数据的智能钻杆，其传输速率可达2×106b/s，它是世界上首个应用于商业的磁耦合有缆钻杆系统(图3)。美国NOV公司[16]根据电磁感应原理，研制出了一种“软连接”的智能钻杆，目前已实现商业化应用。中国石油集团研发出一种ø127 mm 高速信息钻杆，结合磁耦合有缆钻杆的关键技术，双向通信速率达到1×105b/s[7]。中国煤科西安研究院[17]研制的通缆钻杆属于随钻测量钻杆，可实现孔口防爆计算机和孔底测量探管之间的双向实时通信，在煤矿井下定向长钻孔、探放水钻孔的施工中应用广泛。智能钻杆技术相关研究成果提高了钻井数据的传输效率，改善信息传输延时性，大容量、高速率随钻传输，满足智能钻井对数据的需求。在复杂结构井工况下，智能钻杆的应用前景非常乐观，对随钻测量、随钻测井、地质导向等技术的发展具有重要的促进作用。

图3 耦合式智能化钻杆 [15]Fig.3 Coupling intelligent drill pipe[15]

1.3 智能钻头

智能钻头是一种以传感器和智能芯片为核心，通过对地层温度与压力、钻头深度与角度等信息自主感知、自动调整自身形态及相关参数以实现高效钻进的钻头。得益于机械比能(Mechanical Specific Engergy，MSE)技术的不断进步，智能钻头设备得以快速的发展。智能钻头大致分为两类：一种是自适应钻头，可以实现最优参数的钻进。比如贝克休斯公司[18]TerrAdapt 自适应钻头，通过自动化控制减小井下故障频率，根据地层状况自动调整切削深度，降低振动、冲击荷载以及黏滑效应，实现快速平稳钻进，延长钻头的使用寿命；哈里伯顿公司[19]推出的深切削滚珠钻头，也具有类似的功能。另一种是，随钻井动力学测量工具配合智能钻头工作，有助于优化钻井参数，能够更快速的提供井下信息：如2020 年，哈里伯顿公司[20]推出Cerebro ForceTM位内传感器模块，可安装在PCD 钻头接头内，可对钻头的振动、扭矩、载荷、压力、温度等多个参数进行实时监测(图4)。贝克休斯公司[21]于2021 年也推出MultiSenseTMHD 2.0 动态传感器模块，也可实时采集和传输各种参数。还有英国AnTech 公司[22]的传感器钻头，在地质导向钻井中将钻头作为传感器，避免随钻测量信息的滞后性，提高了数据的有效性。

图4 哈里伯顿Cerebro ForceTM 位内传感器钻头[20]Fig.4 HalliburtonCerebro ForceTM in-place sensor drill bits[20]

当前，高性能的智能钻头已经成为钻探行业未来的发展趋势。我国在智能钻头的研发方面起步相对较晚，目前正处于技术攻关和测试阶段。未来，智能钻头将朝着更加先进的水平发展，向智能化主动式破岩方向发展，在复杂的环境中实现自动获取地下信息和实时调整钻探参数。

1.4 智能钻探平台

以钻井过程中产生的海量数据为基础，人工智能、机器学习、云计算等先进计算机技术的模型在国外智能建模平台相继得到大规模的应用，为钻井各个阶段提供了自动化计算分析指导和实时监控。比如：美国NOV 公司[23]研发的司钻控制平台集合了钻井全自动远程自动控制系统(图5)，实现地面和井下钻井闭环优化。哈里伯顿公司[24]推出了智慧建井4.0 工程，基于大数据处理与井筒数字孪生技术搭建了钻井智能平台，并结合智能传感器和物联网等技术，实现了对钻前预测、钻中优化、钻后评价等多个环节优化仿真。由斯伦贝谢公司[25]研发的以数据生态环境作为其核心的DELFI 平台，实现了井下与地上数据的无缝连接，可对数以百万计的数据记录提供有效访问，并支持数据标准化、智能解释和成果提交等功能，为平台作业提供丰富的数据资源。挪威的eDrilling 公司推出的智能化平台具有自动化钻井控制、钻井设计与优化、虚拟钻井、自动监测与实时优化、动态井控和实时控压钻井等核心功能，集合实时钻井仿真、三维可视化和远程控制于一体，覆盖钻井设计与优化、预测、实施、评估等内容，从风险防范、钻井优化和减少非生产时间等方面实现了经济、安全、高效钻井。

图5 NOV 公司钻井全过程远程自动控制系统[23]Fig.5 NOV company remote automatic control system for the whole drilling process[23]

我国中国煤科西安研究院也研制出煤矿井下智能钻探平台，集合机、电、液、云技术于一体，由自动化钻机、井下遥控系统、集控中心、随钻测量系统等组成。平台致力于瓦斯抽采、冲击地压防治、探放水等各类钻孔的远控自动化施工，融合透明地质系统，服务智慧矿山建设。智能钻探平台可实现设备状态实时监控，钻孔参数井上井下多方互通，基于云平台的智能钻探平台，具备数据分级查看功能。中国地质大学(武汉)[26]开展了钻进状态监测系统的研究，主要包括钻进数据库、智能控制中心和远程监控操作中心，建立了基于支持向量机的钻进工况识别模型。中国地质科学院勘探技术研究所[27]研制了一种钻探参数实时采集系统，基于地质云平台建设，建立了钻探数据库。该系统可以让用户全天候掌握钻探工况，通过传感器采集钻压、孔深、主轴转速、泥浆流量和压力等数据，并将实时工况数据传输至远程服务器。

在钻井数字化、自动化的背景下，开展面向钻进过程状态监测的智能钻探分析平台对提升钻进作业效率、保障钻井安全和降低钻井成本具有十分重要的作用。国外大型油气公司在智能化装备、工具、软件层面建立了完整的技术链，国内目前还处于初级阶段，还需要在充分借鉴国外技术的基础上，进行技术攻关，实现数字化转型升级。

2 智能导向钻进技术

2.1 旋转导向钻进技术

在钻井施工中，随着钻井深度的增加，旋转导向钻进技术已经成为了一种必要的工具和技术手段。在过去的20 多年里，国外旋转导向系统经历了4 次重大的更新换代，现在已经具备了可靠性高、使用寿命长、适用性好的特点。

目前，世界上大型油气技术服务公司如斯伦贝谢、哈里伯顿、威德福等分别拥有自己先进的旋转导向系统序列。例如斯伦贝谢公司相继推出了推靠式、指向式、混合式、近钻头式等一系列产品，如图6 所示，并大规模应用在油田技术服务中[28]。2019 年，斯伦贝谢公司[29]研制的NeoSteer 近钻头式导向系统，将旋转导向系统与钻头相结合，能够在定向井段达到高狗腿度，不仅可以达到更高的机械钻速，而且还可以优化导向控制，得到直井段更直、定向段质量更高的井眼轨迹。大造斜可以达到16(°)/30 m，以一趟钻完成造斜段和水平段钻进，从而减少起下钻次数，缩短了非生产时效。近年来，面对油气开发过程中的“卡脖子”问题，国内“三桶油”经过持续的研究探索，对部分核心技术实现了较大的突破，并在现场得到了一定的应用推广，初见成效。例如中国石油长城钻探自主研发的指向式旋转导向系统、中国石化胜利石油工程公司自主研发的SINOMACS ATSI 型旋转导向仪器以及中海油服自主研发的Welleader 旋转导向钻井系统等。

图6 斯伦贝谢旋转导向工具Fig.6 Schlumberger rotary steerable tools

虽然当前国内的旋转导向技术取得了一定的进展，但暂时还未实现自动化、高效化、多元化的应用，与国外成熟技术仍存在一定差距。今后应当加大科研投入，密切关注先进技术的发展，针对核心技术问题进行重点攻关，积极推进国产技术装备在油田现场的大规模应用。

2.2 地质导向钻进技术

地质导向是一种基于随钻测量、随钻地震和随钻测井的前沿导向钻井技术，在钻井过程中实时探测地层物性、结构及流体性质，来引导旋转导向系统钻进，被誉为水平钻进的“眼睛”[30]。1992 年，斯伦贝谢公司首先提出地质导向的概念并研制出了可用于测量深浅电阻率、自然伽马的地质导向随钻测井工具。随后，哈里伯顿、贝克休斯、挪威国家石油公司等相继研制出各自的地质导向工具及相应的地质导向软件[31]。

近年来，测量工具传输速率与探测数据分辨率逐渐提高，地质导向技术的相关软件实现了实时定量判断储层距离和边界的功能。诸如斯伦贝谢公司Geosteering 软件和WellEye 软件、哈里伯顿公司Stratasteer和RoxC 软件、贝克休斯公司RNS 软件等相关地质导向钻进技术软件都具有钻井可视化、三维储层建模等功能，可以辅助技术人员直接、准确地进行钻头定向作业[32]。以WellEye 软件为例，它能够通过使用不同颜色标定方向性数值，实现三维的成像数据的直观显示，实时获取地层倾角，为作业人员及时提供准确的地层信息，如图7 所示。此外，该软件还可以通过前端轨迹设计对前方地层的预测，进而实现前瞻性的地质导向[33]。

图7 WellEye 软件成像[33]Fig.7 WellEye software imaging[33]

当前，基于随钻测井的地质导向技术已逐渐趋于成熟，已经形成几十种不同类型的随钻测井工具，并且朝着深探测、多参数、近钻头、快速稳定传输方向发展。过去十多年来，地质导向软件已经实现了随钻高分辨率伽马和电阻率成像，并可实时更新三维地质导向模型，极大地提升了井眼轨迹控制水平及储层钻遇率。

3 智能取心技术

3.1 切换取心技术

2018 年，挪威CoreAlI 公司[34]推出了智能取心系统ICS，是一种模块化，完全仪表化的取心钻孔组件，如图8a 所示。CoDril 模块允许操作员在取心模式和钻孔模式之间实时切换。如果特定间隔内不要取心，则可以将工具设置为全直径钻孔，以避免填满岩心筒。因此，可以减少或消除取心和钻井设备之间的更换行程。随测取心模块在岩心进入岩心筒时提供岩心的基本实时测井信息，包括伽马射线、电阻率、温度、振动和内筒失速检测等，使钻探人员能够通过实时评估岩心来优化取心过程。该系统具有高性能电气连接发电、数据处理和存储以及到地面的双向数据通信。我国5 000 m 新型能源勘探智能钻探装备与技术研发项目中也提出了取心与无心钻进不提钻切换的方案，可在大于130 mm 孔径中应用该技术工艺[35]。

图8 智能取心系统Fig.8 Intelligent coring system

在干热岩和地热钻井等领域中，切换取心技术具有广泛的应用前景。这些领域通常不需要对整个井底进行取心，只是目标地层进行局部取心或者间断取心。该技术可以提供更好的钻进效率和质量，提高钻井安全性。

3.2 井壁取心技术

在传统的取心方法中，取得的样品在提取过程中减压，导致50%～70%的流体从样品中逸出。基于侧壁旋转取心技术，哈里伯顿公司[36]推出了CoreVault系统(图7b)，通过全自动化实现智能取心，采用多参数控制的全自动取心系统，可以在压力或扭矩控制的取心模式下运行，从而优化取心时间，实现在恶劣环境中高保真原位取心。

哈里伯顿的CoreVault 系统将岩心取样与井下流体取样、压力和温度测量相结合，可在单次运行中采集高质量样品，提供高速钻头旋转、扭矩和钻头推进的独特组合。可在一次运行中捕获密封压力容器中的达10 个岩心样品，且可以防止储层流体在岩心提取和运输过程中逸出。容器可安全地将关键的储层流体锁定在目标岩心中，此时这些岩心中的储层流体可以被测量和分析。因此，操作员可以避免干孔并准确预测产量，这使得生产模拟更加准确。CoreVault 系统获得的样品测量显示，石油和天然气的到位量是先前估计的2.5 倍，这一独特的解决方案为整个油藏的综合分析提供了有利的信息。

3.3 定向取心技术

定向钻进技术在资源开采、地下空间利用、工程地质勘察、海底地质调查等领域应用广泛。其中，取心是定向钻进需要解决的难题之一，为此挪威Devico公司[37]研制了一种定向绳索取心钻进系统，如图8c所示，在定向钻进中实现了绳索取心的功能。采用这种系统，能方便地对钻孔轨迹进行控制，显著降低勘探钻进的工期和成本。该公司掌握定向岩心钻探技术，实现了纠斜、绕障、多分支孔钻进等功能，可以在采集岩心样品的同时，将井眼按预定方向钻进。可以在最初的“母井”内启动多个分支井，减少钻井场地，对环境产生积极影响，并进一步降低成本。中国地质科学院勘探技术研究所[38]也研制了绳索定向造斜及定向取心工具，并在云南华泽矿区进行应用，获取了一定的成功。

4 智能钻井液技术

从广义上讲，钻井液智能化包括钻井液化学体系的智能化、钻井液控制系统的智能化以及钻井液信息平台智能化[39]。从狭义上讲，智能钻井液是指可以自主识别井下环境变化，并通过调整自身物化特性，来实现对井下环境自适应的钻井液[40]。具有“自识别、自调节、自适应”等特点的钻井液，能够在钻井过程中有效地改善钻井液的性能，降低人为干预的次数，减缓甚至避免井下事故的发生，提高钻井效率。

目前，国内外学者研究具有初级智能特征的钻井液技术主要包括盐响应聚合物、压力敏感的可变密度、温敏聚合物的恒流变、pH 值响应材料的可逆转乳化(图9)、磁响应粒子的流变性原位调控、智能暂堵的保护油气层、形状记忆材料的智能堵漏体系等几个方面[39-40]。目前，初级智能钻井液对地层适应性较低，还需要进一步改进并根据现场应用效果进行验证。

图9 可逆转乳化钻井液 [40]Fig.9 Reversible emulsified drilling fluid[40]

钻井液技术智能化还体现在钻井液智能辅助系统。它不仅包括钻井液传送设备、实时监测等装置，还包括钻井液智能操控系统、钻井液信息平台等，是实现钻井液智能化的关键环节。法赫德国王石油和矿产大学[41]、中法渤海地质服务有限公司[42]、天津大学[43]、西安科技大学[44]等分别研制了钻井液智能监测装置，利用传感器实现了信息传输、自动化监测等功能。徐超[45]通过大量的数据库资料，建立了钻井液专家数据库。使用者可通过钻井过程中数据参数，选择合适的钻井液类型，促进了钻井液的智能化管理。S.C.Magalhaes 等[46]研制了一套远程控制的智能钻井液生产系统，对生产过程中流通量、密度、黏度等参数实时监测，实现了钻井液的智能化生产。

总之，国际上对智能钻井液的研究尚处于初级阶段。智能钻井液技术的进一步发展，不仅需要研发新型智能钻井液化学体系，使钻井液实现多变地层岩性与流体、多变压力与温度等复杂环境的综合响应，而且需要与大数据、物联网、人工智能等新兴科学技术结合起来，发展更高级的智能钻井液监测系统和专家系统，形成智能化、多元化、综合化程度更高的智能钻井液装备，推动钻井液技术真正进入智能化时代。

5 微小井眼钻井技术

微小井眼(直径小于88.9 mm)钻井技术具有高效率、低污染、低成本等特点(图10)，自1994 年被美国Los Alamos 国家实验室提出后，在全球发展迅速，已成为国内外研究热点[48-49]。该技术使用连续管进行钻进，不仅能解决频繁的接单根的问题以提高起下钻的效率，还能有效地控制井口压力方便实施欠平衡钻井，而且整个装备易于搬迁，所需操作人员较少，这与当前自动化和智能化发展趋势相吻合。

图10 微小井眼钻进技术[47]Fig.10 Micro-hole drilling technology[47]

2021 年，美国WWT 公司[50]将井下传感器与液动锤集成到连续油管近钻头处，可实现孔下控制与通信，连续记录油管压差、环空压力、扭矩、温度、振动和倾斜度等参数，并将获得数据从传感器中无线传输到地面。

为了提高微小井眼水平井连续油管钻井水平段延伸能力及自动化水平，WWT 公司提出了利用钻井机器人牵引连续油管钻井的方案。将钻井机器人设计在连续油管与定向工具之间，通过钻井液驱动钻井机器人，为连续油管和钻具提供牵引力和钻压[51]。成都理工大学[52]设计了一种伸缩式井下钻井机器人，为微小井眼中牵引连续油管并提供所需钻压，以达到大幅度增加水平段长度的目的。但目前国内外对该机器人的研发都仍处于实验研究阶段。

此外，微小井眼钻井技术为近年来快速发展的短半径、多分支、多侧向水平定向钻井提供了先进、安全、有效的技术手段。不仅适用于油田挖潜中的老井侧钻、边际油藏开采，还可应用于天然气水合物、煤层气以及地热资源的开发，钻井费用仅为常规方法的30%左右，拥有较大的发展潜力以及广阔的应用前景[53-54]。

6 无人化钻探前景

随着钻井自动化和智能化程度的不断提高，以及虚拟与现实、计算机视觉、人工智能、物联网等技术的应用发展，钻探无疑也必将向无人化方向发展，成为未来钻探领域的重要发展方向。

6.1 无人机钻探

美国内布拉斯加大学林肯分校(University of Nebraska Lincdn，UNL)[55]开发了无人机钻探系统(图11a)，该系统使用一台无人机携带轻型钻机。无人机在钻掘过程中收集数据，完成后即可飞行返回。使用无人机进行钻掘使得以前难以或不可能到达的地区得以探索，将轻型化钻机直接投放到目标钻孔中，减少人工劳动。同时，对环境的影响减少到最低，提高勘探资源的可持续性。使用无人机进行钻掘提供高效率、准确性和安全性，其轻型设计最小化了对环境和危险田野工作的需求。在未来，该系统可能成为矿产勘查、岩土取样等方面的宝贵工具，会得到更加广泛的应用。

图11 无人化钻探系统Fig.11 Unmanned drilling system

6.2 无钻机钻井

针对矿山灾害钻孔救援过程中，地面钻机对地下钻头“长臂管辖”式驱动造成的钻进效率低、起下钻辅助耗时长和孔壁扰动大等问题，吉林大学[56-58]提出了一种无钻机双钻头仿生自平衡连续缆管钻进技术，利用内外钻头异向同步回转的功能，实现扭矩动态自平衡。该技术具有无需钻机、钻进速度快和对井壁扰动小的优点，在构建矿山灾害救援通道方面具有很大的发展潜力。

长期以来，无论是陆地还是海洋钻井技术都需要钻井平台，同时还要依赖钻杆、泥浆、套管等装备材料，这对于钻井时效及费用都是极大的消耗。近年来，挪威獾式钻探器公司[59]推出了一种无钻机钻井技术即獾式钻探器，如图11b 所示，依靠钻探器的自重实现自动化钻进，不需要钻井平台及配套的钻井耗材，在钻井过程中可以对地层及工程参数进行实时测量。通过电缆为井下钻具提供电力，并使用电动钻具驱动钻头实现钻进；亦可以利用电缆实现双向通信，更有利于对石油、天然气等进行快速准确的探测，从而提高了探井的成功率，减少了钻井费用及风险；最后，獾式钻探器到达目的地层后，可以长期留在井底对储层进行监测，实现远程控制和自动化钻井的目的。无钻机钻井是未来钻井技术的一个重要发展方向，其优势在于可以减少对传统钻井设备的依赖，降低钻井成本，并提高钻井效率和安全性。在未来，獾式钻探技术的研发方向需要注重提高钻深能力和耐温能力、实现远程控制和自动化钻井、提高可靠性和耐久性等方面，以应对复杂地质条件和提高钻井效率的需求。

7 结语

回顾过去，自新中国成立以来，我国钻井技术历经70 余年的发展历程，从钻机设备、井下工具、控制系统等方面都取得了长足的进步。全球科学技术正朝着数字化、信息化的方向飞速发展，这也为智能钻井技术与装备的发展奠定了坚实的基础。当前，国外智能钻井技术目前已处于开发攻关验证阶段，个别单项技术已经实现商业化应用。相比之下，而我国智能钻井技术起步较晚，与国际先进水平还存在着一定的距离，仍需要不断地完善发展。

展望未来，智能化钻井技术与装备的发展与物联网、大数据、人工智能等关键基础理论与技术密切相关。有必要推进多学科融合，加强钻井工程与前沿理论及技术的跨界交流。同时，在借鉴国外先进经验的基础上，需要强化协同创新，健全人才培养和团队建设机制，构建产学研合作平台，提升我国钻井工程技术与装备水平，大幅提升作业效率和人员安全，不断增强对能源供应的质量和安全保障能力。