張永勤

（中國地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所，河北 廊坊 065000）

0 引言

鉆探技術(shù)是一門古老而又年輕的技術(shù)，它的誕生及應(yīng)用已有數(shù)千年的歷史。鉆探是為探明地下礦藏或其它各類地質(zhì)信息所進(jìn)行的鉆進(jìn)工作過程，鉆探技術(shù)就是在鉆進(jìn)過程中所采用的各種技術(shù)。筆者認(rèn)為，鉆探技術(shù)是集地表設(shè)備、地下鉆具、工藝方法、沖洗介質(zhì)循環(huán)冷卻、人為操控、參數(shù)控制、事故預(yù)防與處理于一體的綜合體現(xiàn)。隨著人類對探索地下礦產(chǎn)資源的需求、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的需要、對地球起源與深處奧秘及地外空間等的求知，鉆探技術(shù)的應(yīng)用范圍及領(lǐng)域不斷拓展，并迅速發(fā)展和不斷進(jìn)步。除了最初用于打水井和尋找地下礦產(chǎn)資源外，城市建筑、鐵路、公路、橋梁、地下空間、管道鋪設(shè)等各類基礎(chǔ)工程建設(shè)也對鉆探技術(shù)提出了新的應(yīng)用要求和期望，為鉆探技術(shù)的不斷發(fā)展提供了巨大的拓展空間和發(fā)展動力。從鉆探技術(shù)在人類社會生存和發(fā)展等方面所發(fā)揮的作用、人類了解地下信息所能采取的技術(shù)手段與措施發(fā)展現(xiàn)狀看，鉆探技術(shù)近期仍將起到不可替代的作用［1］。隨著社會發(fā)展和現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)進(jìn)步，人類對鉆探技術(shù)各方面的更高要求，鉆探技術(shù)在跟隨未來社會發(fā)展與科技進(jìn)步趨勢的同時，需要通過不斷地自身完善和優(yōu)化，更好地完成上述領(lǐng)域?qū)︺@探技術(shù)所需要的工作。

1 地質(zhì)鉆探技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用現(xiàn)狀

英國著名科學(xué)家約瑟夫在其著的《Science and Civilization in China》提到：有許多證據(jù)證明鉆井技術(shù)無疑是中國發(fā)明的，世界上所有深井，基本上都是采用中國人創(chuàng)造的方法為基礎(chǔ)方法打成的，特別是油田勘探［2］。有歷史記載，1835年我們的先輩們就用人力、木架和竹竿在四川的自貢鉆鑿出世界第一口超千米的鹽井。隨著人類社會及各項技術(shù)的不斷進(jìn)步與發(fā)展，鉆探技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到如下狀況：繩索取心鉆探技術(shù)鉆深已超5000 m、科學(xué)鉆探深度超過萬米、油氣鉆井日進(jìn)尺超過千米、海洋鉆井水深超過3000 m、鉆孔軌跡及方向的隨意變更、一個鉆孔內(nèi)實現(xiàn)多個分支孔、水平井段長度超過萬米、單個鉆頭壽命超過萬米、礦山鉆井直徑超過10 m、TBM最大掘進(jìn)直徑超過16 m、鉆探設(shè)備動力實現(xiàn)機(jī)電液驅(qū)動及遙控、鉆進(jìn)技術(shù)參數(shù)實時監(jiān)測、鉆進(jìn)過程中隨鉆測井等等。隨著工業(yè)革命、科技與社會的進(jìn)步，鉆探技術(shù)從初始的地下礦產(chǎn)資源和地下水資源探尋，拓展到今天人類與地下打交道的各個方面，并已形成了具有自身特點和多個分支的龐大工程技術(shù)體系［3-6］。

2 地質(zhì)鉆探技術(shù)的擔(dān)當(dāng)與使命

盡管鉆探技術(shù)取得了前述的發(fā)展及進(jìn)步，但它仍然以機(jī)電液為基礎(chǔ)的機(jī)械碎巖和操控方式進(jìn)行工作。固體礦產(chǎn)鉆探的繩索取心鉆探技術(shù)誕生于20世紀(jì)40年代石油鉆井行業(yè)，后期被廣泛而成功地應(yīng)用于固體礦產(chǎn)取心鉆探領(lǐng)域，由于它具有無須提出孔內(nèi)鉆桿及全部鉆具就能獲得地質(zhì)學(xué)家所需的地層樣品的優(yōu)點，因此被鉆探界稱為鉆探技術(shù)的一次革命。該技術(shù)誕生已有80年的歷史，迄今就地質(zhì)礦產(chǎn)勘探取心鉆探施工的綜合效益看，還沒有哪種取心鉆探技術(shù)能與繩索取心鉆探技術(shù)相媲美。鉆探技術(shù)自誕生以來，一直被作為了解地下信息的主要技術(shù)手段，雖然現(xiàn)在地表探測儀器、探測技術(shù)及地質(zhì)理論取得了長足的進(jìn)步，但地下各類信息的確認(rèn)，仍需要鉆探技術(shù)獲取地下的實物樣品。然而鉆探技術(shù)與當(dāng)前其他科學(xué)技術(shù)（如交通、通訊、航空航天、機(jī)械制造、汽車、醫(yī)療與醫(yī)藥、生物、環(huán)保與氣象等）相比，進(jìn)步程度相對較弱。雖然20世紀(jì)80年代美國人出版的一本名為《Advanced Drilling Techniques》的科技書刊，介紹了包括激光、電子束、火焰噴射等20多種鉆探碎巖技術(shù)方法，除了金剛石復(fù)合片鉆頭碎巖技術(shù)得到實際應(yīng)用外，迄今其它沒有一個付諸實際應(yīng)用［7］。近來也有鉆探界的有識之士和專家提出鉆探機(jī)器人、向地下3萬m進(jìn)軍、智能鉆探技術(shù)等研發(fā)方向，但鉆探技術(shù)是一種實用技術(shù)，是最容易用簡單實踐檢驗的技術(shù)［8-9］，筆者認(rèn)為，這些都還需要開展廣泛的討論和不斷攻關(guān)去驗證其可行性，同時也需要行業(yè)有識之士基于科技進(jìn)步的基礎(chǔ)而不斷創(chuàng)新提出新的可行方案，共同促進(jìn)行業(yè)的不斷發(fā)展和提升，為人類征服自然做出貢獻(xiàn)。

隨著社會發(fā)展及現(xiàn)代其他科技的不斷進(jìn)步，鉆探技術(shù)也需要不斷進(jìn)步以滿足未來更深、更難和更高要求的工程施工需求。地質(zhì)鉆探技術(shù)目前在鉆深能力、施工效率、取心（樣）質(zhì)量、能耗及環(huán)保等方面還存在不足，比如固體礦產(chǎn)取心鉆探3000 m以深鉆進(jìn)能力及效率問題、破碎及不穩(wěn)定地層取心質(zhì)量問題、施工現(xiàn)場地面擾動及環(huán)境污染問題等，應(yīng)針對上述問題，在現(xiàn)有基礎(chǔ)上，充分利用現(xiàn)代科技發(fā)展成果，與時俱進(jìn)，不斷地進(jìn)行自我完善和優(yōu)化，進(jìn)一步提高向地球深部探索工程提供技術(shù)支撐的能力，為地質(zhì)學(xué)家提供更滿意的地球某一深處地層的實物樣品，這就是鉆探技術(shù)的初心、擔(dān)當(dāng)與使命［9-10］。

3 鉆探技術(shù)智能化與綠色發(fā)展

3.1 智能鉆探技術(shù)的認(rèn)知

當(dāng)前人工智能、數(shù)字化、大數(shù)據(jù)等不僅成為人們熱議的詞語，而且在很多技術(shù)領(lǐng)域和人民的生活中得到應(yīng)用，并發(fā)揮了積極作用，取得了顯著的社會與經(jīng)濟(jì)效益，特別是人工智能與大數(shù)據(jù)。智能化是一項非常復(fù)雜的技術(shù)體系，它涉及到計算機(jī)語言、心理學(xué)、大數(shù)據(jù)、語言學(xué)、計算機(jī)科學(xué)、人類學(xué)、神經(jīng)學(xué)、認(rèn)知科學(xué)等學(xué)科，其基礎(chǔ)條件要通過傳感器及芯片實現(xiàn)實時感知，通過模擬和大數(shù)據(jù)分析實現(xiàn)智慧分析，利用物聯(lián)網(wǎng)、云平臺、寬帶、移動終端這些基礎(chǔ)設(shè)施，實現(xiàn)機(jī)器與機(jī)器之間的高速對話，能動地滿足人的各種需求。鉆探技術(shù)是集地表設(shè)備、地下鉆具、工藝方法、沖洗介質(zhì)循環(huán)冷卻、人為操控、機(jī)具參數(shù)調(diào)控、事故預(yù)防與處理等于一體的綜合體現(xiàn)，“智能鉆探技術(shù)”就是將智能與鉆探技術(shù)有效地結(jié)合起來，發(fā)揮各自的特長完成人們所期望的工作任務(wù)。從智能所涉及的學(xué)科及必要的基礎(chǔ)設(shè)施看，要想實現(xiàn)智能化，必須具有神經(jīng)中樞和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，神經(jīng)中樞要想指揮執(zhí)行機(jī)構(gòu)去執(zhí)行某一動作，就必須有足夠的外部信息反映到神經(jīng)中樞，即必須有傳感器芯片捕捉所有實用可靠的各類信息傳輸?shù)缴窠?jīng)中樞。然而，鉆探施工面臨著地層巖性的多樣性、各向異性及工程響應(yīng)復(fù)雜性等特點，地質(zhì)鉆探技術(shù)實現(xiàn)上述信號采集的方式、傳遞的通道、介質(zhì)與空間都處在非均質(zhì)動態(tài)環(huán)境下，因而十分復(fù)雜。如何實現(xiàn)將地層、孔內(nèi)及鉆頭附近的信號實時傳遞到神經(jīng)中樞，如何實現(xiàn)機(jī)器與機(jī)器之間的高速對話，是實現(xiàn)智能鉆探技術(shù)的關(guān)鍵，且面臨極大的挑戰(zhàn)。筆者認(rèn)為，首先在鉆探技術(shù)領(lǐng)域的某些鉆探設(shè)備實現(xiàn)其功能的智能化是比較現(xiàn)實和可能的，比如智能鉆機(jī)、智能泥漿泵、智能固控系統(tǒng)及智能泥漿配制設(shè)備等。通過這些設(shè)備的智能化可以提高鉆探施工效率和操控的人性化［11-13］。

很多油氣鉆井專家對油氣鉆井未來的智能化能夠達(dá)到“少人”和遠(yuǎn)程控制充滿期待；但部分長期從事隨鉆測控技術(shù)及人工智能學(xué)研究的專家認(rèn)為，就目前我們的軟件及芯片發(fā)展現(xiàn)狀看，在隨鉆測控技術(shù)及智能鉆探方面，高溫芯片目前還不能滿足要求，認(rèn)為實現(xiàn)智能鉆探技術(shù)很難。當(dāng)前石油鉆井領(lǐng)域的設(shè)備與技術(shù)相對于地質(zhì)巖心鉆探的設(shè)備與技術(shù)發(fā)展得更快，也只是在鉆井設(shè)備與鉆井技術(shù)方面提出了設(shè)備的自動化、系列化和標(biāo)準(zhǔn)化升級改造，“鉆井技術(shù)智能化”還只是在發(fā)展的路上［14］。地質(zhì)礦產(chǎn)鉆探界提出“鉆探技術(shù)智能化”的發(fā)展目標(biāo)將任重而道遠(yuǎn)。

3.2 綠色鉆探的內(nèi)涵與實質(zhì)

當(dāng)前“綠色”一詞已被社會各界熱傳熱用，實際上“綠色”在當(dāng)今社會上的真正含義更多的是低碳環(huán)保和高質(zhì)量可持續(xù)發(fā)展，因此，各行各業(yè)都提倡“綠色”確實非常必要，這將對人類生存及健康具有良好的現(xiàn)實意義。地質(zhì)鉆探界提倡“綠色鉆探”是完全符合人類社會發(fā)展與生存需要的。通俗地講，綠色鉆探最現(xiàn)實的含義就是實施完鉆探工程后，施工現(xiàn)場沒有造成地下的污染、沒有地表環(huán)境擾動及破壞、沒有影響現(xiàn)場附近植被等環(huán)境破壞或?qū)ι鲜鲈斐珊苄〉牟焕绊懀?5］。從地質(zhì)鉆探自身特點看，在施工過程中，造成上述不利影響的關(guān)鍵因素在于施工現(xiàn)場的地面及植被的破壞、泥漿對地下及地表的污染、動力消耗釋放的二氧化碳對環(huán)境的影響等，要想實現(xiàn)“綠色鉆探”必須解決以上問題。要想實現(xiàn)“綠色鉆探”首先是所采用的鉆探設(shè)備到達(dá)現(xiàn)場無須開挖平整地面即可通過自身結(jié)構(gòu)性能調(diào)平、找正和定位，同時無須開挖泥漿池。實現(xiàn)泥漿不落地和使泥漿與巖屑分離并使巖屑轉(zhuǎn)化成有用的建筑材料是提倡綠色鉆探的良好措施，但在固體礦產(chǎn)地質(zhì)巖心鉆探界推廣應(yīng)用則需要考慮其成本問題。因此，提倡綠色鉆探非常必要，但需要根據(jù)地質(zhì)巖心鉆探的特點，尋求獨特的解決方案，要考慮綜合效果［15］。

人類在提倡“綠色”生活與發(fā)展時已將二氧化碳排放作為一項重要指標(biāo)，中國政府已向世界做出2060年實現(xiàn)碳中和的承諾，地質(zhì)鉆探技術(shù)界理應(yīng)為實現(xiàn)碳中和目標(biāo)做出積極貢獻(xiàn)。因此，提倡綠色鉆探應(yīng)當(dāng)把鉆探施工過程中動力消耗釋放二氧化碳的多少作為判定是否實現(xiàn)“綠色鉆探”的重要指標(biāo)之一。根據(jù)當(dāng)前二氧化碳排放計算方法及標(biāo)準(zhǔn)，1 t柴油釋放的二氧化碳達(dá)3.16 t。全液壓驅(qū)動鉆機(jī)的動力配備是機(jī)械傳動鉆機(jī)的近2倍［15-16］（主要是液壓傳動效率低），不僅成本遠(yuǎn)高于機(jī)械傳動立軸式鉆機(jī)，而且所排放的二氧化碳將是機(jī)械驅(qū)動鉆機(jī)的2倍，在提倡綠色鉆探時，不能以采用輕便的全液壓驅(qū)動鉆機(jī)作為主要指標(biāo)，必須按照前述的“綠色鉆探”的含義結(jié)合具體工程需求和環(huán)境影響的特點綜合分析評價來提倡綠色鉆探［16-17］。習(xí)近平總書記在2022年9月6日主持召開的中央全面深化改革委員會第27次會議上及二十大報告中特別強(qiáng)調(diào)并提出，要加快節(jié)能降碳先進(jìn)技術(shù)研發(fā)和推廣應(yīng)用，要促進(jìn)生產(chǎn)領(lǐng)域節(jié)能降碳，要增強(qiáng)全民綠色低碳生活方式。習(xí)近平總書記上述強(qiáng)調(diào)提出的內(nèi)容正是生產(chǎn)及生活方式“綠色”的精髓。從2022年在埃及沙姆沙伊赫舉行的《聯(lián)合國氣候變化框架公約》第二十七次締約方（COP27）大會上各國對“綠色”發(fā)展的共識看，“降碳”是人類社會生存發(fā)展是否“綠色”的最重要標(biāo)志。所以，鉆探技術(shù)在生產(chǎn)過程中是否“綠色”，應(yīng)以真正降低碳排放作為主要衡量標(biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié)論及建議

隨著人類對獲取更深、更加豐富地下地質(zhì)信息的不懈追求，鉆探技術(shù)無疑要不斷發(fā)展和完善。應(yīng)如何發(fā)展，是緊跟智能技術(shù)的發(fā)展作為未來發(fā)展目標(biāo)，還是結(jié)合自身的特點和所承擔(dān)的工作對象，不斷完善和優(yōu)化，既要安全、高效，又要低耗和環(huán)保。鉆探技術(shù)的發(fā)展要實事求是，量力而行。地質(zhì)鉆探深度越來越深、地層越來越復(fù)雜，工程難度將更大。因此，鉆探技術(shù)應(yīng)以解決當(dāng)前面臨的問題為導(dǎo)向，在加速鉆探設(shè)備自動化、系列化和標(biāo)準(zhǔn)化升級改造外，研發(fā)更長壽命鉆頭及改性“智慧”泥漿解決深孔及復(fù)雜地層鉆探難題是目前可行及可期待效果的主要發(fā)展方向。研發(fā)長壽命鉆頭涉及材料學(xué)、冶金工藝學(xué)、機(jī)械加工學(xué)，以上學(xué)科都是成熟的應(yīng)用科學(xué)，隨著納米材料等新型材料的不斷發(fā)展進(jìn)步，研發(fā)出更長壽命的鉆頭是完全可能的。對于更深的鉆孔，鉆頭壽命的提高所帶來的減少輔助時間及事故隱患的益處是顯而易見的。研發(fā)改性“智慧”泥漿涉及成熟而廣泛應(yīng)用的高分子化學(xué)等學(xué)科，從其技術(shù)發(fā)展看也是可行的。所謂改性“智慧”泥漿，即這種泥漿具有“同性相吸”、“異性相斥”特性，對于同性的巖石裂隙及裂縫，它具有粘結(jié)吸附作用，對于鉆桿及鉆具金屬器具與巖石之間它具有潤滑、護(hù)壁和較好的流動攜巖作用，這就會大大減少孔壁巖石脫落卡鉆及巖心破碎而堵塞等問題，從而提高生產(chǎn)效率、工程質(zhì)量和降低能耗。因此，地質(zhì)鉆探技術(shù)在承擔(dān)使命與擔(dān)當(dāng)完成相應(yīng)的生產(chǎn)任務(wù)時，應(yīng)以“鉆得下，取得出，鉆得快，花得少，既少能，又低碳”為宗旨［16-17］。

鉆探技術(shù)完全實現(xiàn)智能化任重道遠(yuǎn)。鉆探界應(yīng)該客觀、科學(xué)地分析和探討“智能鉆探技術(shù)”概念和實施的可能性，審慎決策，以正確指導(dǎo)領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)的發(fā)展［17-19］。關(guān)于踐行“綠色”鉆探理念，應(yīng)以加快先進(jìn)的節(jié)能降碳技術(shù)研發(fā)和推廣應(yīng)用作為鉆探領(lǐng)域的行動指南。