我國大直徑鉆井技術(shù)裝備發(fā)展的挑戰(zhàn)與思考

劉志強(qiáng) ，陳湘生, ，蔡美峰，紀(jì)洪廣，宋朝陽

（1. 北京中煤礦山工程有限公司，北京 100013；2. 礦山深井建設(shè)技術(shù)國家工程研究中心，北京 100013；3. 深圳大學(xué)土木與交通工程學(xué)院，廣東深圳 518061；4. 北京科技大學(xué)土木與資源工程學(xué)院，北京 100083）

一、前言

隨著人類社會(huì)進(jìn)步與國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展，“向地下要資源、要空間”成為改善人類生存環(huán)境、支撐人類可持續(xù)發(fā)展的有效途徑。世界各國相繼制定了地下能源資源與地下空間開發(fā)利用領(lǐng)域的工業(yè)化、數(shù)字化、智能化發(fā)展戰(zhàn)略[1,2]。我國在能源、礦業(yè)領(lǐng)域以及水電、鐵路、城市建設(shè)等行業(yè)快速發(fā)展，工程建設(shè)規(guī)模不斷擴(kuò)大，工程技術(shù)創(chuàng)新進(jìn)入高度活躍期。我國是礦產(chǎn)資源開采和地下空間開發(fā)利用的大國，已由解決供需矛盾為主轉(zhuǎn)變?yōu)樘嵘|(zhì)量為主的發(fā)展階段，“十四五”及中長期內(nèi)將致力于向安全、低碳、智能轉(zhuǎn)型與變革[3～5]。

井筒作為地下工程建設(shè)與開發(fā)的核心構(gòu)筑物，擔(dān)負(fù)著礦物、人員、材料、設(shè)備等運(yùn)輸，地下通風(fēng)、供電、排水等功能；從服務(wù)于傳統(tǒng)的井工礦產(chǎn)資源開采，拓展應(yīng)用到鐵路/公路隧道、城市地下空間、水力發(fā)電站、海上風(fēng)電、大科學(xué)實(shí)驗(yàn)和國防等領(lǐng)域的功能井筒建設(shè)。大直徑井筒是地下工程建設(shè)與開發(fā)的關(guān)鍵工程，也是首要工程， 被視為能源資源安全、地下空間開發(fā)利用、深地探索等國家重大戰(zhàn)略任務(wù)的重要支撐。

大直徑井筒鉆井技術(shù)與裝備研究不僅是地下工程建設(shè)領(lǐng)域的重點(diǎn)研究方向，也是國家高端裝備制造戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展的迫切任務(wù)[6]。對(duì)照國家能源戰(zhàn)略對(duì)潔凈、綠色、低碳能源需求的不斷調(diào)整，國家能源局、應(yīng)急管理部、 發(fā)展和改革委員會(huì)等部委對(duì)礦業(yè)和其他地下工程安全、高效、綠色、智能建設(shè)的總體要求，可以發(fā)現(xiàn)普通鉆孔爆破破巖鑿井技術(shù)存在安全風(fēng)險(xiǎn)高、作業(yè)不連續(xù)、環(huán)境污染、職業(yè)傷害嚴(yán)重等問題，與建井智能化發(fā)展趨勢不匹配、不協(xié)調(diào)。也要注意到，我國在機(jī)械破巖鉆井技術(shù)與裝備方面仍處于起步階段，盡管在大型豎井鉆機(jī)、反井鉆機(jī)、豎井掘進(jìn)機(jī)、斜井硬巖掘進(jìn)機(jī)等研究方面取得一定的進(jìn)展，但鉆機(jī)裝備和技術(shù)工藝基礎(chǔ)薄弱，與國外發(fā)達(dá)國家仍存在一定差距，部分鉆井裝備的關(guān)鍵構(gòu)件、傳感器、專用材料以及沉井式豎井掘進(jìn)機(jī)整機(jī)都依賴進(jìn)口；亟需通過地質(zhì)、設(shè)計(jì)、巖土、力學(xué)、機(jī)械、材料、安全、控制、信息等多學(xué)科的交叉融合，科學(xué)謀劃并統(tǒng)籌推進(jìn)，重點(diǎn)發(fā)展新型大體積破巖與克服重力排渣、圍巖與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定控制、整機(jī)裝備智能制造、環(huán)境感知與反饋、鉆井風(fēng)險(xiǎn)防控等智能鉆井技術(shù)裝備的創(chuàng)新與應(yīng)用[6,7]，力爭全面提升大直徑井筒鉆井技術(shù)與裝備的創(chuàng)新能力和國際競爭力。

本文在分析大直徑機(jī)械破巖鉆井技術(shù)裝備發(fā)展需求、對(duì)比國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，從基礎(chǔ)科學(xué)問題研究、應(yīng)用技術(shù)研發(fā)、高端裝備制造、工程示范等角度剖析我國鉆井技術(shù)裝備發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)，提出井筒建設(shè)技術(shù)與裝備的重點(diǎn)任務(wù)和發(fā)展建議，以期為推動(dòng)我國地下工程建設(shè)與資源開發(fā)領(lǐng)域研究提供基礎(chǔ)參考。

二、大直徑鉆井技術(shù)裝備的需求分析

（一）推動(dòng)井筒建設(shè)技術(shù)變革

地下固體礦產(chǎn)資源開采和地下空間工程建設(shè)是在深部巖土體內(nèi)利用破巖技術(shù)與裝備建設(shè)穩(wěn)定的空間工程結(jié)構(gòu)，進(jìn)得去、取得出、待得住是地下工程建設(shè)的基本任務(wù)和要求。在大直徑井筒建設(shè)技術(shù)的發(fā)展進(jìn)程中，鉆眼爆破技術(shù)代替人工鏨鑿破巖是第一次技術(shù)突破，而機(jī)械破巖鉆井是建井技術(shù)的第二次重大技術(shù)變革，將不連續(xù)且難以控制的爆破破碎巖石轉(zhuǎn)變?yōu)槔萌珨嗝娴侗P或鉆頭進(jìn)行連續(xù)可控破巖[8]。機(jī)械破巖鉆井技術(shù)解決了鉆孔爆破鑿井存在的井筒狹小空間內(nèi)作業(yè)人員多、職業(yè)傷害嚴(yán)重、環(huán)境污染重、作業(yè)不連續(xù)、易發(fā)生安全事故、施工效率低等突出問題，攻克了地層預(yù)探識(shí)、不良地層預(yù)改性、大體積破巖、連續(xù)排渣、協(xié)同掘支、感知與調(diào)控、風(fēng)險(xiǎn)防控等科學(xué)技術(shù)問題，將開創(chuàng)機(jī)械化、無人化、智能化井筒建設(shè)的新階段。因此，全面提升大直徑井筒鉆井技術(shù)裝備水平，是推動(dòng)我國地下工程建設(shè)的重大需求，也是解決我國深地資源開發(fā)重大工程技術(shù)問題的關(guān)鍵舉措。

（二）支撐國家礦產(chǎn)資源開發(fā)

伴隨著我國淺部礦產(chǎn)資源的持續(xù)開發(fā)，千米以深礦產(chǎn)資源開發(fā)成為支撐我國礦業(yè)發(fā)展的必然趨勢。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國煤炭行業(yè)已建成40余條深度超過1000 m的井筒；金屬礦井建成近20條深度超過1000 m的井筒，其中7條井筒深度超過1500 m，正在設(shè)計(jì)和施工的井筒深度超過2000 m [9,10]。2019年第21屆中國科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì)年會(huì)發(fā)布了20個(gè)對(duì)科學(xué)發(fā)展具有導(dǎo)向作用、對(duì)技術(shù)和產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新具有關(guān)鍵作用的前沿重大科學(xué)問題和工程技術(shù)難題，其中第19項(xiàng)為“千米級(jí)深豎井全斷面掘進(jìn)技術(shù)”[11]。因此， 深化機(jī)械破巖大直徑鉆井技術(shù)裝備研究，致力解決深部高地溫、高地壓、高水壓等復(fù)雜地質(zhì)條件下普通鉆爆法鑿井存在的安全和職業(yè)傷害等問題，將為我國千米級(jí)深井建設(shè)與資源保障供給提供重要支撐。

（三）服務(wù)國家重大地下工程建設(shè)

1. 城市地下空間開發(fā)利用

從城市地下空間發(fā)展的歷程來看，起初我國城市地下空間建設(shè)以人防地下工程建設(shè)為主體，而目前城市地鐵隧道始發(fā)井、地下疏排水與排污系統(tǒng)立井、地下豎井式停車場、地下廢料儲(chǔ)藏/垃圾處理等城市深大豎井建設(shè)工程日益增加；主要采用小型挖掘設(shè)備進(jìn)行開挖，場地占用面積大，挖掘效率低；城市地下60～200 m空間的全要素開發(fā)還停留在研發(fā)與設(shè)計(jì)層面。發(fā)展大直徑井筒鉆井技術(shù)與裝備，將助力解決“城市綜合征”，是服務(wù)“韌性城市”“海綿城市”建設(shè)的重要技術(shù)支撐。

2. 水力發(fā)電站建設(shè)

水電行業(yè)的水力發(fā)電站和抽水蓄能電站建設(shè)多采用地下廠房式結(jié)構(gòu)，需要建設(shè)大量的壓力管道、出線豎井、通風(fēng)豎井等井筒工程。目前的井筒深度在400 m左右，正在規(guī)劃的壓力管道井筒深度達(dá)到800 m，將明顯減少輔助工程量并優(yōu)化電站建設(shè)系統(tǒng)。發(fā)展大直徑井筒鉆井技術(shù)與裝備，可應(yīng)用于國家大型水電站建設(shè)、抽水蓄能電站建設(shè)以及其他重大水利工程建設(shè)的井筒工程項(xiàng)目，服務(wù)國家清潔能源發(fā)展，保障“碳達(dá)峰、碳中和”國家戰(zhàn)略實(shí)施。

3. 深埋鐵路、公路隧道建設(shè)

深埋鐵路、公路隧道建設(shè)需要隧道施工措施井和通風(fēng)井：前者用于開拓和增加作業(yè)面、加快主洞建設(shè)速度， 后者保證隧道安全運(yùn)行。目前國內(nèi)最深的鐵路豎井為高黎貢山隧道1號(hào)豎井（主井深762.59 m、副井深764.74 m），依然采用普通鉆爆法施工。因此，發(fā)展大直徑井筒鉆井技術(shù)與裝備，可應(yīng)用于川藏鐵路、新疆天山隧道等重大工程的深大通風(fēng)井建設(shè)項(xiàng)目，服務(wù)國家交通強(qiáng)國戰(zhàn)略、保障交通重點(diǎn)工程。

4. 其他地下工程建設(shè)

在國家大型科學(xué)試驗(yàn)方面，目前設(shè)計(jì)規(guī)劃的試驗(yàn)豎井工程深度近800 m。國防、引水調(diào)水工程隧道、海上風(fēng)電、地下油–氣–化學(xué)物質(zhì)儲(chǔ)存、地下核廢物和CO2封存等地下工程建設(shè)領(lǐng)域的井筒工程數(shù)量和井筒直徑及深度也在逐年增加。這些地下工程建設(shè)對(duì)大直徑井筒鉆井技術(shù)與裝備提出了重大需求。

三、國內(nèi)外鉆井技術(shù)裝備發(fā)展現(xiàn)狀

20世紀(jì)60年代，國內(nèi)外開始機(jī)械破巖鑿井裝備研究，大直徑井筒機(jī)械破巖鉆井裝備主要有豎井鉆機(jī)、豎井掘進(jìn)機(jī)、反井鉆機(jī)、斜井硬巖掘進(jìn)機(jī)等類型。鑒于鉆井裝備性能和制造能力是鉆井技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵，本文主要圍繞適用不同地質(zhì)條件和工程條件的鉆井裝備及其工程實(shí)踐展開論述。

（一）豎井鉆機(jī)鉆井

20世紀(jì)中期，美國休斯公司的CSD300型、德國維爾特集團(tuán)公司的L40型豎井鉆機(jī)代表了當(dāng)時(shí)的先進(jìn)水平，但材料、裝備加工制造水平和經(jīng)濟(jì)成本制約了機(jī)械破巖鑿井技術(shù)的發(fā)展。到20世紀(jì)末，由于采礦工業(yè)變化，多數(shù)國家此項(xiàng)技術(shù)的研發(fā)處于暫時(shí)停滯狀態(tài)或轉(zhuǎn)行到隧道掘進(jìn)機(jī)等領(lǐng)域。

為解決我國東部富水深厚沖積層建井難題，由北京中煤礦山工程有限公司聯(lián)合國內(nèi)企業(yè)和高校，在國家“七五”“十五”科技攻關(guān)項(xiàng)目與“十一五”科技支撐項(xiàng)目的資助下相繼開展了鉆井法鑿井技術(shù)研究。在國外鉆機(jī)基礎(chǔ)上，升級(jí)改造了L40/1000型鉆機(jī)，后續(xù)又研制了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的AS-12/800型、AD130/1000型等大型豎井鉆機(jī)裝備[12]，形成了鉆井直徑小于7.7 m井筒“一鉆成井”、直徑10.8 m井筒“一擴(kuò)成井”快速鉆井工藝，最大鉆井深度為660 m，標(biāo)志著我國豎井鉆機(jī)鉆井技術(shù)發(fā)展達(dá)到了新高度，處于國際領(lǐng)先水平。鉆井法具有機(jī)械化程度高、鉆進(jìn)自動(dòng)控制、井下無人的優(yōu)勢，逐步拓展應(yīng)用于海上風(fēng)電樁基鉆井工程。中國平煤神馬能源化工集團(tuán)有限責(zé)任公司研制的ZDZD-100型全液壓豎井鉆機(jī)，在鉆進(jìn)能力、鉆井直徑方面處于國際先進(jìn)水平，正在陜西省可可蓋煤礦全巖地層進(jìn)行直徑8.5 m、深度538 m的“一鉆成井”試驗(yàn)。

（二）反井鉆機(jī)鉆井

德國海瑞克股份公司、加拿大Redpath公司、澳大利亞特瑞泰克國際投資有限公司一直致力于反井鉆機(jī)和反井鉆井技術(shù)研發(fā)，研制的RBR900型、G330SP型是目前最大型的反井鉆機(jī)，設(shè)計(jì)鉆井深度達(dá)2000 m，擴(kuò)孔刀盤的直徑范圍為1～8 m。20世紀(jì)80年代開始，北京中煤礦山工程有限公司研制了適用于穩(wěn)定地層條件不同地下工程領(lǐng)域井筒施工的LM系列、BMC100～BMC600系列反井鉆機(jī)，最大鉆井直徑為6 m，鉆井最大深度為592 m [13]。北京中煤礦山工程有限公司組織研制的智能控制BMC1000型反井鉆機(jī)，設(shè)計(jì)鉆井直徑為7 m，鉆井深度可達(dá)1000 m，擁有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的核心設(shè)備性能和穩(wěn)定的技術(shù)狀態(tài)；采用模塊化設(shè)計(jì)，設(shè)備外形緊湊，滿足狹窄場地情況下靈活運(yùn)行的要求，適用于地下工程的反井鉆井。這標(biāo)志著我國大直徑井筒反井鉆井技術(shù)和裝備制造取得重大進(jìn)展。

（三）豎井掘進(jìn)機(jī)鉆井

20世紀(jì)60年代開始，美國和德國主導(dǎo)研究全斷面和部分?jǐn)嗝尕Q井掘進(jìn)機(jī)。德國維爾特公司研制了部分?jǐn)嗝尕Q井掘進(jìn)機(jī)和SB-VI-580/750型上排渣豎井掘進(jìn)機(jī)，海瑞克股份公司制造了懸臂截割破巖上排渣豎井掘進(jìn)機(jī)并提出了大滾輪破巖上排渣豎井掘進(jìn)機(jī)概念[14～16]。美國羅賓斯公司研制了“ω”形鉆頭結(jié)構(gòu)的241SB-184 型豎井掘進(jìn)機(jī)，基尼公司研制了球形鉆頭結(jié)構(gòu)的VDS400/2430型豎井掘進(jìn)機(jī)[17]。截至目前，國外豎井掘進(jìn)機(jī)鑿井直徑約為8 m、深度在700 m左右，但掘進(jìn)速度低、相對(duì)成本高。

“十二五” 時(shí)期由北京中煤礦山工程有限公司承擔(dān)國家“863”計(jì)劃項(xiàng)目的“礦山豎井掘進(jìn)機(jī)研制”課題，研制出了國內(nèi)首臺(tái)（套）MSJ5.8/1000/1.6D型豎井掘進(jìn)機(jī)，該機(jī)采用錐形全斷面鉆頭破巖和導(dǎo)井式下排渣方式。2020年，采用首臺(tái)（套）下排渣豎井掘進(jìn)機(jī)開展了云南省以禮河水電站鉆井工業(yè)性試驗(yàn)，完成鉆井深度為282.5 m、導(dǎo)孔直徑為1.4 m、掘進(jìn)直徑為5.8 m的出線豎井工程[18]。中鐵工程裝備集團(tuán)有限公司研制的SBM/1000型全斷面硬巖豎井掘進(jìn)機(jī)，采用全斷面刀盤破巖和機(jī)械排渣方式，2021年年底完成了浙江省寧海抽水蓄能電站豎井工程工業(yè)性試驗(yàn)，鉆井深度為198 m、鉆井直徑為7.83 m。中交天和機(jī)械設(shè)備制造有限公司研制的“首創(chuàng)號(hào)”超大直徑硬巖豎井掘進(jìn)機(jī)，采用全斷面刀盤破巖和半淹井流體排渣方式，2021年年底在新疆維吾爾自治區(qū)天山勝利隧道2號(hào)豎井始發(fā)，設(shè)計(jì)鉆井直徑為11.4 m。相關(guān)產(chǎn)品的研制和應(yīng)用，標(biāo)志著我國基本掌握了豎井掘進(jìn)機(jī)技術(shù)體系。與此同時(shí)，2021年科學(xué)技術(shù)部組織并立項(xiàng)了“千米豎井硬巖全斷面掘進(jìn)機(jī)關(guān)鍵技術(shù)與裝備”重點(diǎn)專項(xiàng)。國內(nèi)城市用下沉式豎井掘進(jìn)機(jī)（VSM）裝備處于設(shè)計(jì)研發(fā)階段，依靠進(jìn)口VSM設(shè)備和技術(shù)服務(wù)導(dǎo)致成本居高不下。2020年，我國引進(jìn)的德國海瑞克股份公司VSM12000型沉井式豎井掘進(jìn)機(jī)，采用了部分?jǐn)嗝娼馗钇茙r和潛入式泵吸反循環(huán)排渣，完成了南京市建鄴區(qū)沉井地下車庫項(xiàng)目，最大開挖深度為68 m，鉆井直徑為12.8 m。

（四）斜井掘進(jìn)機(jī)鉆井

全斷面硬巖隧道掘進(jìn)機(jī)（TBM）已逐漸成為城市地鐵、鐵路隧道、引水隧洞等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的重要設(shè)備，不僅解決了普通鉆爆法危險(xiǎn)性高、勞動(dòng)強(qiáng)度大等問題，而且一定程度上解決了綜掘機(jī)破巖能力不足、硬巖掘進(jìn)效率低的問題。根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，采用TBM的掘進(jìn)速度可達(dá)到鉆爆法的3～10倍，為綜掘法的2～8倍，體現(xiàn)了減人提效、安全可靠、經(jīng)濟(jì)環(huán)保的優(yōu)勢。我國TBM施工技術(shù)主要是用于平巷或隧洞開挖，而國外較多開展了TBM斜井工程實(shí)踐，TBM斜井鉆井直徑通常為3～10 m，上坡角度大于37°，下坡角度小于30°，最大鉆井長度為1010 m。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，全球有85個(gè)斜井項(xiàng)目采用了TBM施工，其中60余個(gè)為抽水蓄能電站的斜井項(xiàng)目[19]。

我國在大坡度、長距離、深埋深等復(fù)雜條件下TBM斜井建設(shè)領(lǐng)域的應(yīng)用處于起步階段。國家“十一五”科技支撐計(jì)劃示范工程“盾構(gòu)施工煤礦長距離斜井關(guān)鍵技術(shù)研究與示范”，采用中國鐵建重工集團(tuán)研制的單護(hù)盾TBM掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)神東補(bǔ)連塔煤礦2號(hào)副井，5.5°連續(xù)下坡，TBM掘進(jìn)長度為2718.2 m，開挖直徑為7.62 m，平均月進(jìn)尺為546 m。2021年，陜西延長石油（集團(tuán)）有限責(zé)任公司可可蓋煤礦主副斜井采用中國鐵建重工集團(tuán)股份有限公司研發(fā)的ZTT7130型敞開式全斷面TBM掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行施工，主斜井設(shè)計(jì)傾角為5.6°，TBM掘進(jìn)5040.9 m，掘進(jìn)直徑7.13 m；副斜井設(shè)計(jì)傾角為6°，TBM掘進(jìn)5041.3 m。這是目前國內(nèi)煤系地層TBM掘進(jìn)的最長 距離[20]。

四、我國鉆井技術(shù)裝備發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)

（一）工程場景與市場環(huán)境的接受程度較低

鉆孔爆破破巖和小型機(jī)械挖掘在礦山井巷與地下工程建設(shè)中長時(shí)間占據(jù)主流位置，施工企業(yè)從經(jīng)濟(jì)性、效率性、可靠性等方面考慮，對(duì)新型大直徑井筒鉆井技術(shù)裝備認(rèn)知程度和接受程度較低，機(jī)械破巖鉆井技術(shù)裝備替代難度依然較大。大直徑井筒穿越地層的復(fù)雜性和不確定性對(duì)大直徑鉆井提出了極高的安全性要求，鉆井過程中的多系統(tǒng)集中控制和協(xié)同作業(yè)難度較高。目前鉆井工程應(yīng)用案例基數(shù)少，市場反饋支撐不足，不僅導(dǎo)致鉆井技術(shù)裝備開發(fā)的科研院所和企業(yè)參與度較低，同時(shí)阻礙了鉆機(jī)技術(shù)裝備功能和性能的優(yōu)化提升，不利于技術(shù)與裝備革新適應(yīng)地下工程建設(shè)發(fā)展需求。

（二）大直徑鉆井技術(shù)裝備產(chǎn)業(yè)鏈不完善

中國煤炭科工集團(tuán)有限公司、中煤礦山建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司、洛陽中信重工機(jī)械股份有限公司是我國最早從事機(jī)械鉆井技術(shù)裝備研究的單位。中國鐵建重工集團(tuán)股份有限公司、中鐵工程裝備集團(tuán)有限公司、中交天和機(jī)械設(shè)備制造有限公司等企業(yè)在大直徑鉆井裝備制造方面起步較晚，主要從研制隧道或巷道掘進(jìn)機(jī)方面轉(zhuǎn)型到研制井筒鉆機(jī)裝備，核心技術(shù)自主創(chuàng)新能力薄弱，較多集中在對(duì)國外已有裝備的改造和升級(jí)。鉆井裝備整機(jī)的主軸承、液壓件、電氣控制組件等關(guān)鍵部件以及總體集成設(shè)計(jì)技術(shù)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化，核心部件對(duì)外依賴度不斷降低，但新材料、加工技術(shù)和工藝的產(chǎn)業(yè)鏈少、產(chǎn)業(yè)鏈短等因素導(dǎo)致相比國外企業(yè)依然存在差距。裝備制造企業(yè)對(duì)鑿井工藝及裝備的工程適應(yīng)性認(rèn)知不足，鉆井基礎(chǔ)理論、技術(shù)、工藝以及裝備的設(shè)計(jì)與研發(fā)更多停留在科研院所和高校層面，鉆井技術(shù)裝備產(chǎn)業(yè)鏈不完善成為推動(dòng)鉆井技術(shù)發(fā)展和制造裝備性能提高的障礙。

（三）智能鉆井技術(shù)裝備處于初級(jí)階段

智能化鉆井是機(jī)械化和信息化建井到智慧化建井的過渡階段。目前智能鉆井相關(guān)基礎(chǔ)理論薄弱，核心關(guān)鍵技術(shù)、智能裝備制造能力等瓶頸尚未取得重大突破，現(xiàn)有機(jī)械破巖鉆井技術(shù)裝備更多還是對(duì)爆破破巖技術(shù)的替代以及對(duì)作業(yè)工人體力的延伸或替代。地層條件的復(fù)雜性、特殊性、多變性以及裝備運(yùn)行重復(fù)出現(xiàn)率較低的自主學(xué)習(xí)機(jī)會(huì)，極大制約了智能鉆井裝備深度學(xué)習(xí)、分析、決策系統(tǒng)的研發(fā)與運(yùn)行可靠度，使得地層感知、鉆井裝備運(yùn)行、井筒結(jié)構(gòu)穩(wěn)定等方面實(shí)現(xiàn)自主決策與智能防控困難重重?，F(xiàn)有的鉆井智能監(jiān)控分析系統(tǒng)存在“重監(jiān)測、輕控制”“管理強(qiáng)、技術(shù)弱”等問題，“環(huán)境裝備–仿真模擬–判識(shí)反饋”三元體系的智能分析決策成為現(xiàn)階段智能化建井需要首先解決的難題。由于智能鉆井處于發(fā)展的初級(jí)階段，關(guān)鍵技術(shù)、核心裝備、研發(fā)平臺(tái)、學(xué)科專業(yè)、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、人才梯隊(duì)、示范工程等頂層設(shè)計(jì)與發(fā)展路徑不完善，甚至有缺失。

五、井筒建設(shè)技術(shù)與裝備重點(diǎn)發(fā)展方向

推動(dòng)我國從地下工程建設(shè)大國邁向強(qiáng)國行列，提升我國鉆井技術(shù)與國產(chǎn)高端裝備核心競爭力，應(yīng)遵循“基礎(chǔ)理論–應(yīng)用技術(shù)–整機(jī)裝備–鉆井工藝–工程示范”研究思路，突破鉆井地層控制、高效鉆進(jìn)和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、災(zāi)害防控等關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)問題，研發(fā)高效、可靠、智能鉆井裝備及配套系統(tǒng)，滿足地下工程領(lǐng)域井筒“安全、快速、智能、綠色”建設(shè)的迫切需求。

（一）鉆井工程地質(zhì)保障

巖土工程特別是千米級(jí)深井建設(shè)問題的復(fù)雜性，在很大程度上取決于井筒穿越的地質(zhì)條件。復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境和工況下高可靠、高效率、智能化的機(jī)械破巖裝備要實(shí)現(xiàn)安全、高效、綠色鉆井，必須率先攻克面臨的地質(zhì)透明化難題，為鉆井裝備“干井掘進(jìn)”提供“透明地質(zhì)、靶域改性、主動(dòng)控災(zāi)”的地質(zhì)安全保障。重點(diǎn)開展基于多重探測手段的地層巖體原位精細(xì)化探測、巖性識(shí)別與圍巖分級(jí)方法研究，攻克隨鉆遠(yuǎn)距離動(dòng)態(tài)探測與巖體參數(shù)感知、風(fēng)險(xiǎn)判識(shí)、地層綜合預(yù)改性等關(guān)鍵技術(shù)，完善大直徑鉆井地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)與防控機(jī)制。

（二）鉆井技術(shù)工藝突破

豎井鉆機(jī)、豎井掘進(jìn)機(jī)、反井鉆機(jī)、斜井掘進(jìn)機(jī)等鉆井裝備形成了各自相適應(yīng)的鉆井技術(shù)與工藝。然而無論以哪種機(jī)械破巖鉆機(jī)進(jìn)行鉆井施工，均要遵循“破得掉”“排得出”“控得住”“支得牢”四大原則，即實(shí)現(xiàn) “高效破巖” “連續(xù)排渣”“精準(zhǔn)鉆進(jìn)”“圍巖穩(wěn)定”4項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)與工藝[7]。針對(duì)井筒多場耦合條件下鉆機(jī)裝備大直徑鉆井工藝適應(yīng)性難題，開展機(jī)械破巖鉆井井內(nèi)空間布置設(shè)計(jì)理論和方法、鉆進(jìn)–排渣–支護(hù)與地層改性平行作業(yè)工藝、鉆井風(fēng)險(xiǎn)控制技術(shù)等研究。針對(duì)堅(jiān)硬巖石難破碎、重復(fù)破碎和圍巖擾動(dòng)失穩(wěn)問題，攻克多刀協(xié)同與新型破巖方式聯(lián)合的堅(jiān)硬巖石大體積破碎、克服重力的機(jī)械或流體連續(xù)排渣、隨鉆支護(hù)與掘–支協(xié)同永久支護(hù)等科學(xué)技術(shù)難題。

（三）裝備設(shè)計(jì)與制造能力提升

為適應(yīng)鉆井井筒穿越地層復(fù)雜性、多變性、不確定性的特點(diǎn)，裝備研制采用“材料–結(jié)構(gòu)–性能”一體化與“設(shè)計(jì)–制造–運(yùn)行”全過程協(xié)同的設(shè)計(jì)理念，研發(fā)智能感知、集中控制、強(qiáng)自適應(yīng)的大直徑鉆井鉆機(jī)。重點(diǎn)開展鉆機(jī)裝備多源動(dòng)載激勵(lì)下鉆井鉆機(jī)的動(dòng)力學(xué)建模、系統(tǒng)耦合動(dòng)力學(xué)分析與優(yōu)化、整機(jī)總成及其空間優(yōu)化布置等研究，研發(fā)破巖鉆進(jìn)巖–機(jī)作用感知反饋、不良地質(zhì)超前探測、旋轉(zhuǎn)–推進(jìn)–支撐協(xié)調(diào)、高精度裝備姿態(tài)調(diào)控等核心功能系統(tǒng)，形成輕量化、高性能、低能耗、高效率、高可靠的智能高端鉆井裝備及配套系統(tǒng)。

（四）鉆井系統(tǒng)運(yùn)維與預(yù)警

在地下大直徑鉆井過程中，需要對(duì)鉆井裝備運(yùn)行狀態(tài)、圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性開展實(shí)時(shí)監(jiān)控并制定防災(zāi)減災(zāi)技術(shù)對(duì)策。重點(diǎn)開展智能鉆井裝備探測、掘進(jìn)、排渣、支護(hù)、推進(jìn)、支撐、導(dǎo)向、降溫、排水、通風(fēng)等系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)可靠性與穩(wěn)定性的智能診斷與預(yù)警，鉆井圍巖及其支護(hù)結(jié)構(gòu)的監(jiān)測與風(fēng)險(xiǎn)防控研究，建立鉆井過程中井下多維數(shù)據(jù)融合共網(wǎng)傳輸體系與智慧終端平臺(tái)；突破適應(yīng)井內(nèi)極端惡劣環(huán)境的鉆井裝備快速脫困技術(shù)，快速應(yīng)對(duì)風(fēng)險(xiǎn)，避免并降低潛在的經(jīng)濟(jì)損失。

六、對(duì)策建議

（一）確立智能鉆井發(fā)展理念

我國地下工程大直徑鉆井技術(shù)與裝備的發(fā)展應(yīng)秉持安全、高效、綠色、智能等理念，協(xié)同政府、行業(yè)、企業(yè)、科研院所，面向國家重點(diǎn)項(xiàng)目或工程，發(fā)揮校企聯(lián)合主體地位、政府和行業(yè)主管部門服務(wù)、市場需求引領(lǐng)的作用，合理加大專項(xiàng)資金投入，制定配套支持政策，完善技術(shù)產(chǎn)業(yè)鏈。研制大功率智能鉆機(jī)及配套裝備，突破復(fù)雜地質(zhì)條件下大直徑鉆井全系統(tǒng)協(xié)同控制技術(shù)，基于信息融合、數(shù)字邏輯模型、智能控制等技術(shù)構(gòu)建大直徑井筒信息化、無人化、智能化鉆井體系。針對(duì)智能鉆井組織架構(gòu)、管控模式、管理方法、經(jīng)營模式、崗位權(quán)責(zé)等，制定全面覆蓋、重點(diǎn)突出、持久力強(qiáng)的保障措施。積極整合現(xiàn)有資源和潛在資源，推動(dòng)我國智能鉆井基礎(chǔ)研究、關(guān)鍵技術(shù)突破和智能裝備制造，滿足提質(zhì)增效、高質(zhì)量發(fā)展的需要。

（二）明確智能鉆井發(fā)展路徑與任務(wù)

制定智能鉆井頂層規(guī)劃，梳理鉆井技術(shù)裝備發(fā)展的關(guān)鍵科學(xué)問題和“卡脖子”技術(shù)，明確智能鉆井技術(shù)裝備發(fā)展路徑和重點(diǎn)任務(wù)。針對(duì)地下工程井筒建設(shè)從淺部走向深部、從小直徑鉆井向大直徑鉆井的發(fā)展趨勢，大直徑井筒鉆井鉆機(jī)產(chǎn)品未來為了適應(yīng)地層條件和工程條件必然朝著多樣化和系列化方向發(fā)展，應(yīng)分類型、分階段、分層次建設(shè)可迭代大直徑鉆井技術(shù)裝備體系和發(fā)展架構(gòu)。針對(duì)地下工程建設(shè)智能鉆井整體系統(tǒng)，基于目標(biāo)鉆井深度和直徑，開展鉆機(jī)鉆井可行性分析和工藝研究，建立鉆井整體裝備選型與井內(nèi)空間布置理論方法；攻克地層精細(xì)探查與地層預(yù)改性技術(shù)、大體積破巖與連續(xù)排渣技術(shù)、圍巖穩(wěn)定與掘–支協(xié)同控制技術(shù)等；發(fā)展鉆井裝備環(huán)境感知、決策與姿態(tài)調(diào)控技術(shù)，研制輕量化、高性能、低能耗、高效率、高可靠的智能鉆井裝備；突破鉆井裝備和圍巖支護(hù)結(jié)構(gòu)實(shí)時(shí)監(jiān)測和預(yù)警技術(shù)，構(gòu)建智能鉆井防災(zāi)減災(zāi)和全過程風(fēng)險(xiǎn)管控體系，實(shí)現(xiàn)大直徑鉆井智能感知、精準(zhǔn)鉆井、風(fēng)險(xiǎn)控制。

（三）建立和完善大直徑鉆井相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范

建立健全體系性、繼承性、前瞻性的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，引領(lǐng)和推動(dòng)行業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展。我國大直徑鉆井技術(shù)裝備應(yīng)用涉及煤礦、金屬礦山、鐵路交通、城市地下空間、水力發(fā)電、海上風(fēng)電等行業(yè)，因工程功能屬性和地層條件的差異必然導(dǎo)致對(duì)大直徑鉆井技術(shù)裝備的要求有所不同，因此各行業(yè)均有各自適用的標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范。以煤炭行業(yè)為例，針對(duì)反井鉆機(jī)鉆井法和立井鉆井法均出臺(tái)了相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，而豎井掘進(jìn)機(jī)鉆井法和斜井掘進(jìn)機(jī)鉆井法的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范仍屬空白。部分行業(yè)缺乏對(duì)大直徑鉆井法的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，導(dǎo)致施工企業(yè)對(duì)大直徑鉆井法排斥或接受度不高。行業(yè)缺失智能鉆井相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，很大程度上阻礙或限制了大直徑鉆井技術(shù)裝備的發(fā)展。需要制定技術(shù)術(shù)語、工藝、裝備、檢驗(yàn)監(jiān)測、質(zhì)量驗(yàn)收等標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，同時(shí)制定相關(guān)通用技術(shù)國家標(biāo)準(zhǔn)，推進(jìn)智能鉆井從初級(jí)階段向中、高級(jí)階段邁進(jìn)。

（四）推動(dòng)智能鉆井平臺(tái)與示范工程建設(shè)

我國大直徑鉆井裝備制造企業(yè)基數(shù)較少，且智能鉆井技術(shù)的技術(shù)裝備研發(fā)很難由單一企業(yè)獨(dú)立完成，做不強(qiáng)也做不精。我國在井筒建設(shè)領(lǐng)域僅有國家發(fā)展和改革委員會(huì)辦公廳批復(fù)的“礦山深井建設(shè)技術(shù)國家工程研究中心”1個(gè)國家級(jí)研發(fā)平臺(tái)（由1家科研院所、1個(gè)安標(biāo)國家中心、3所高等院校、3家生產(chǎn)施工單位共建）。亟需加強(qiáng)相關(guān)裝備制造企業(yè)、設(shè)備應(yīng)用企業(yè)、承擔(dān)技術(shù)攻關(guān)任務(wù)的科研院所及高校之間的合作，強(qiáng)化基礎(chǔ)研發(fā)投入、工程創(chuàng)新決策、科研組織和成果應(yīng)用的主體作用，以創(chuàng)新為動(dòng)力、協(xié)調(diào)為路徑、綠色為使命，形成開放合作格局共享發(fā)展成果。針對(duì)大直徑鉆井產(chǎn)業(yè)鏈短、技術(shù)研發(fā)和裝備制造資源分散、學(xué)科交叉融合度較低等問題，建議在國家層面進(jìn)行統(tǒng)籌和規(guī)劃，形成地下工程領(lǐng)域智能鉆井發(fā)展指導(dǎo)意見，整合優(yōu)勢資源，建立智能鉆井基礎(chǔ)理論、共性技術(shù)、裝備研制、工程示范的綜合技術(shù)創(chuàng)新平臺(tái)；支持各類企業(yè)建立創(chuàng)新中心、技術(shù)中心、工業(yè)設(shè)計(jì)中心等研發(fā)平臺(tái)，必要時(shí)加強(qiáng)國際交流合作；高校分層次建設(shè)鉆井技術(shù)學(xué)科，培養(yǎng)專有技術(shù)人才，形成集研發(fā)、設(shè)計(jì)、建造為一體的人才隊(duì)伍，為大直徑智能鉆井技術(shù)裝備發(fā)展提供堅(jiān)實(shí)的智力支撐。