刘志强：我国大直径钻井技术装备发展的挑战与思考

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“向地下要资源、要空间”是解决人类面临的能源、资源和生存空间基本问题的有效途径。井筒是从地面进入地层中的咽喉工程，其安全、高效、绿色、智能化建设是保障地下矿产资源开采和地下空间开发利用的必由之路。

4月13日，刘志强研究员等在《中国工程科学》首发研究成果《我国大直径钻井技术装备发展的挑战与思考》，分析了发展大直径钻井技术装备的需求和必要性，对比分析了国内外相关装备的发展现状；从基础科学问题研究、应用技术研发、高端装备制造、工程示范等角度，剖析了我国钻井技术装备发展面临的挑战，提出了井筒建设技术与装备的发展方向。

研究建议：确立智能钻井发展理念，明确智能钻井发展路径与任务，建立和完善大直径钻井相关标准规范，推动智能钻井平台与示范工程建设，以期为矿山、水电、交通、城市建设等领域井筒建设技术发展提供支撑。

亮点论述：

四、我国钻井技术装备发展面临的挑战

（一）工程场景与市场环境的接受程度较低

　　钻孔爆破破岩和小型机械挖掘在矿山井巷与地下工程建设中长时间占据主流位置，施工企业从经济性、效率性、可靠性等方面考虑，对新型大直径井筒钻井技术装备认知程度和接受程度较低，机械破岩钻井技术装备替代难度依然较大。大直径井筒穿越地层的复杂性和不确定性对大直径钻井提出了极高的安全性要求，钻井过程中的多系统集中控制和协同作业难度较高。目前钻井工程应用案例基数少，市场反馈支撑不足，不仅导致钻井技术装备开发的科研院所和企业参与度较低，同时阻碍了钻机技术装备功能和性能的优化提升，不利于技术与装备革新适应地下工程建设发展需求。

（二）大直径钻井技术装备产业链不完善

　　中国煤炭科工集团有限公司、中煤矿山建设集团有限责任公司、洛阳中信重工机械股份有限公司是我国最早从事机械钻井技术装备研究的单位。中国铁建重工集团股份有限公司、中铁工程装备集团有限公司、中交天和机械设备制造有限公司等企业在大直径钻井装备制造方面起步较晚，主要从研制隧道或巷道掘进机方面转型到研制井筒钻机装备， 核心技术自主创新能力薄弱，较多集中在对国外已有装备的改造和升级。钻井装备整机的主轴承、液压件、电气控制组件等关键部件以及总体集成设计技术已经实现国产化，核心部件对外依赖度不断降低，但新材料、加工技术和工艺的产业链少、产业链短等因素导致相比国外企业依然存在差距。装备制造企业对凿井工艺及装备的工程适应性认知不足，钻井基础理论、技术、工艺以及装备的设计与研发更多停留在科研院所和高校层面，钻井技术装备产业链不完善成为推动钻井技术发展和制造装备性能提高的障碍。

（三）智能钻井技术装备处于初级阶段

　　智能化钻井是机械化和信息化建井到智慧化建井的过渡阶段。目前智能钻井相关基础理论薄弱，核心关键技术、智能装备制造能力等瓶颈尚未取得重大突破，现有机械破岩钻井技术装备更多还是对爆破破岩技术的替代以及对作业工人体力的延伸或替代。地层条件的复杂性、特殊性、多变性以及装备运行重复出现率较低的自主学习机会，极大制约了智能钻井装备深度学习、分析、决策系统的研发与运行可靠度，使得地层感知、钻井装备运行、井筒结构稳定等方面实现自主决策与智能防控困难重重。现有的钻井智能监控分析系统存在“重监测、轻控制”“管理强、技术弱”等问题，“环境装备 – 仿真模拟 – 判识反馈”三元体系的智能分析决策成为现阶段智能化建井需要首先解决的难题。由于智能钻井处于发展的初级阶段，关键技术、核心装备、研发平台、学科专业、标准规范、人才梯队、示范工程等顶层设计与发展路径不完善，甚至有缺失。

五、井筒建设技术与装备重点发展方向

　　推动我国从地下工程建设大国迈向强国行列， 提升我国钻井技术与国产高端装备核心竞争力，应遵循“基础理论 – 应用技术 – 整机装备 – 钻井工艺 – 工程示范”研究思路，突破钻井地层控制、高效钻进和结构稳定、灾害防控等关键科学技术问题，研发高效、可靠、智能钻井装备及配套系统，满足地下工程领域井筒“安全、快速、智能、绿色”建设的迫切需求。

（一）钻井工程地质保障

　　岩土工程特别是千米级深井建设问题的复杂性，在很大程度上取决于井筒穿越的地质条件。复杂地质环境和工况下高可靠、高效率、智能化的机械破岩装备要实现安全、高效、绿色钻井，必须率先攻克面临的地质透明化难题，为钻井装备“干井掘进”提供“透明地质、靶域改性、主动控灾”的地质安全保障。重点开展基于多重探测手段的地层岩体原位精细化探测、岩性识别与围岩分级方法研究，攻克随钻远距离动态探测与岩体参数感知、风险判识、地层综合预改性等关键技术，完善大直径钻井地质风险评价与防控机制。

（二）钻井技术工艺突破

　　竖井钻机、竖井掘进机、反井钻机、斜井掘进机等钻井装备形成了各自相适应的钻井技术与工艺。然而无论以哪种机械破岩钻机进行钻井施工， 均要遵循“破得掉”“排得出”“控得住”“支得牢”四大原则，即实现“高效破岩”“连续排渣”“精准钻进”“围岩稳定”4 项关键技术与工艺 [7]。针对井筒多场耦合条件下钻机装备大直径钻井工艺适应性难题，开展机械破岩钻井井内空间布置设计理论和方法、钻进 – 排渣 – 支护与地层改性平行作业工艺、钻井风险控制技术等研究。针对坚硬岩石难破碎、重复破碎和围岩扰动失稳问题，攻克多刀协同与新型破岩方式联合的坚硬岩石大体积破碎、克服重力的机械或流体连续排渣、随钻支护与掘– 支协同永久支护等科学技术难题。

（三）装备设计与制造能力提升

　　为适应钻井井筒穿越地层复杂性、多变性、不确定性的特点，装备研制采用“材料 – 结构 – 性能”一体化与“设计 – 制造 – 运行”全过程协同的设计理念，研发智能感知、集中控制、强自适应的大直径钻井钻机。重点开展钻机装备多源动载激励下钻井钻机的动力学建模、系统耦合动力学分析与优化、整机总成及其空间优化布置等研究，研发破岩钻进岩 – 机作用感知反馈、不良地质超前探测、旋转 – 推进 – 支撑协调、高精度装备姿态调控等核心功能系统，形成轻量化、高性能、低能耗、高效率、高可靠的智能高端钻井装备及配套系统。

（四）钻井系统运维与预警

　　在地下大直径钻井过程中，需要对钻井装备运行状态、围岩与支护结构的稳定性开展实时监控并制定防灾减灾技术对策。重点开展智能钻井装备探测、掘进、排渣、支护、推进、支撑、导向、降温、排水、通风等系统运行状态可靠性与稳定性的智能诊断与预警，钻井围岩及其支护结构的监测与风险防控研究，建立钻井过程中井下多维数据融合共网传输体系与智慧终端平台；突破适应井内极端恶劣环境的钻井装备快速脱困技术，快速应对风险，避免并降低潜在的经济损失。

六、对策建议

（一）确立智能钻井发展理念

　　我国地下工程大直径钻井技术与装备的发展应秉持安全、高效、绿色、智能等理念，协同政府、行业、企业、科研院所，面向国家重点项目或工程， 发挥校企联合主体地位、政府和行业主管部门服务、市场需求引领的作用，合理加大专项资金投入，制定配套支持政策，完善技术产业链。研制大功率智能钻机及配套装备，突破复杂地质条件下大直径钻井全系统协同控制技术，基于信息融合、数字逻辑模型、智能控制等技术构建大直径井筒信息化、无人化、智能化钻井体系。针对智能钻井组织架构、管控模式、管理方法、经营模式、岗位权责等，制定全面覆盖、重点突出、持久力强的保障措施。积极整合现有资源和潜在资源，推动我国智能钻井基础研究、关键技术突破和智能装备制造，满足提质增效、高质量发展的需要。

（二）明确智能钻井发展路径与任务

　　制定智能钻井顶层规划，梳理钻井技术装备发展的关键科学问题和“卡脖子”技术，明确智能钻井技术装备发展路径和重点任务。针对地下工程井筒建设从浅部走向深部、从小直径钻井向大直径钻井的发展趋势，大直径井筒钻井钻机产品未来为了适应地层条件和工程条件必然朝着多样化和系列化方向发展，应分类型、分阶段、分层次建设可迭代大直径钻井技术装备体系和发展架构。针对地下工程建设智能钻井整体系统，基于目标钻井深度和直径，开展钻机钻井可行性分析和工艺研究，建立钻井整体装备选型与井内空间布置理论方法；攻克地层精细探查与地层预改性技术、大体积破岩与连续排渣技术、围岩稳定与掘 – 支协同控制技术等；发展钻井装备环境感知、决策与姿态调控技术，研制轻量化、高性能、低能耗、高效率、高可靠的智能钻井装备；突破钻井装备和围岩支护结构实时监测和预警技术，构建智能钻井防灾减灾和全过程风险管控体系，实现大直径钻井智能感知、精准钻井、风险控制。

（三）建立和完善大直径钻井相关标准规范

　　建立健全体系性、继承性、前瞻性的标准规范， 引领和推动行业的高质量发展。我国大直径钻井技术装备应用涉及煤矿、金属矿山、铁路交通、城市地下空间、水力发电、海上风电等行业，因工程功能属性和地层条件的差异必然导致对大直径钻井技术装备的要求有所不同，因此各行业均有各自适用的标准或规范。以煤炭行业为例，针对反井钻机钻井法和立井钻井法均出台了相关的标准规范，而竖井掘进机钻井法和斜井掘进机钻井法的标准规范仍属空白。部分行业缺乏对大直径钻井法的相关标准规范，导致施工企业对大直径钻井法排斥或接受度不高。行业缺失智能钻井相关的标准和规范，很大程度上阻碍或限制了大直径钻井技术装备的发展。需要制定技术术语、工艺、装备、检验监测、质量验收等标准规范，同时制定相关通用技术国家标准， 推进智能钻井从初级阶段向中、高级阶段迈进。

（四）推动智能钻井平台与示范工程建设

　　我国大直径钻井装备制造企业基数较少，且智能钻井技术的技术装备研发很难由单一企业独立完成，做不强也做不精。我国在井筒建设领域仅有国家发展和改革委员会办公厅批复的“矿山深井建设技术国家工程研究中心”1 个国家级研发平台（由1 家科研院所、1 个安标国家中心、3 所高等院校、3 家生产施工单位共建）。亟需加强相关装备制造企业、设备应用企业、承担技术攻关任务的科研院所及高校之间的合作，强化基础研发投入、工程创新决策、科研组织和成果应用的主体作用，以创新为动力、协调为路径、绿色为使命，形成开放合作格局共享发展成果。针对大直径钻井产业链短、技术研发和装备制造资源分散、学科交叉融合度较低等问题，建议在国家层面进行统筹和规划，形成地下工程领域智能钻井发展指导意见，整合优势资源， 建立智能钻井基础理论、共性技术、装备研制、工程示范的综合技术创新平台；支持各类企业建立创新中心、技术中心、工业设计中心等研发平台，必要时加强国际交流合作；高校分层次建设钻井技术学科，培养专有技术人才，形成集研发、设计、建造为一体的人才队伍，为大直径智能钻井技术装备发展提供坚实的智力支撑。

这项研究得到了中国工程院咨询项目“深部矿产和地热资源共采战略研究”、国家自然科学基金的资金支持。

引用格式：刘志强,陈湘生,蔡美峰,纪洪广,宋朝阳.我国大直径钻井技术装备发展的挑战与思考[J/OL].中国工程科学:1-8[2022-04-14].

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