論地質(zhì)鉆探技術(shù)的擔(dān)當(dāng)使命及智能化與綠色發(fā)展

張永勤

（中國(guó)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(mén)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(lèi)地質(zhì)信息所進(jìn)行的鉆進(jìn)工作過(guò)程，鉆探技術(shù)就是在鉆進(jìn)過(guò)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(lèi)對(duì)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(duì)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(lèi)基礎(chǔ)工程建設(shè)也對(duì)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(dòng)力。從鉆探技術(shù)在人類(lèi)社會(huì)生存和發(fā)展等方面所發(fā)揮的作用、人類(lèi)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(huì)發(fā)展和現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)進(jìn)步，人類(lèi)對(duì)鉆探技術(shù)各方面的更高要求，鉆探技術(shù)在跟隨未來(lái)社會(huì)發(fā)展與科技進(jìn)步趨勢(shì)的同時(shí)，需要通過(guò)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(guó)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(wú)疑是中國(guó)發(fā)明的，世界上所有深井，基本上都是采用中國(guó)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(lèi)社會(huì)及各項(xiàng)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?tīng)顩r：繩索取心鉆探技術(shù)鉆深已超5000 m、科學(xué)鉆探深度超過(guò)萬(wàn)米、油氣鉆井日進(jìn)尺超過(guò)千米、海洋鉆井水深超過(guò)3000 m、鉆孔軌跡及方向的隨意變更、一個(gè)鉆孔內(nèi)實(shí)現(xiàn)多個(gè)分支孔、水平井段長(zhǎng)度超過(guò)萬(wàn)米、單個(gè)鉆頭壽命超過(guò)萬(wàn)米、礦山鉆井直徑超過(guò)10 m、TBM最大掘進(jìn)直徑超過(guò)16 m、鉆探設(shè)備動(dòng)力實(shí)現(xiàn)機(jī)電液驅(qū)動(dòng)及遙控、鉆進(jìn)技術(shù)參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、鉆進(jìn)過(guò)程中隨鉆測(cè)井等等。隨著工業(yè)革命、科技與社會(huì)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(lèi)與地下打交道的各個(gè)方面，并已形成了具有自身特點(diǎn)和多個(gè)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(wú)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(diǎn)，因此被鉆探界稱(chēng)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(méi)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(lái)，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(cè)儀器、探測(cè)技術(shù)及地質(zhì)理論取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，但地下各類(lèi)信息的確認(rèn)，仍需要鉆探技術(shù)獲取地下的實(shí)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(chē)、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(duì)較弱。雖然20世紀(jì)80年代美國(guó)人出版的一本名為《Advanced Drilling Techniques》的科技書(shū)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(shí)際應(yīng)用外，迄今其它沒(méi)有一個(gè)付諸實(shí)際應(yīng)用［7］。近來(lái)也有鉆探界的有識(shí)之士和專(zhuān)家提出鉆探機(jī)器人、向地下3萬(wàn)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(shí)用技術(shù)，是最容易用簡(jiǎn)單實(shí)踐檢驗(yàn)的技術(shù)［8-9］，筆者認(rèn)為，這些都還需要開(kāi)展廣泛的討論和不斷攻關(guān)去驗(yàn)證其可行性，同時(shí)也需要行業(yè)有識(shí)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(lèi)征服自然做出貢獻(xiàn)。

隨著社會(huì)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(mǎn)足未來(lái)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(wèn)題、破碎及不穩(wěn)定地層取心質(zhì)量問(wèn)題、施工現(xiàn)場(chǎng)地面擾動(dòng)及環(huán)境污染問(wèn)題等，應(yīng)針對(duì)上述問(wèn)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(shí)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(mǎn)意的地球某一深處地層的實(shí)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(yǔ)，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(huì)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(xiàng)非常復(fù)雜的技術(shù)體系，它涉及到計(jì)算機(jī)語(yǔ)言、心理學(xué)、大數(shù)據(jù)、語(yǔ)言學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、人類(lèi)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(guò)傳感器及芯片實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)感知，通過(guò)模擬和大數(shù)據(jù)分析實(shí)現(xiàn)智慧分析，利用物聯(lián)網(wǎng)、云平臺(tái)、寬帶、移動(dòng)終端這些基礎(chǔ)設(shè)施，實(shí)現(xiàn)機(jī)器與機(jī)器之間的高速對(duì)話(huà)，能動(dòng)地滿(mǎn)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(lái)，發(fā)揮各自的特長(zhǎng)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(shí)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(dòng)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(shí)用可靠的各類(lèi)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(diǎn)，地質(zhì)鉆探技術(shù)實(shí)現(xiàn)上述信號(hào)采集的方式、傳遞的通道、介質(zhì)與空間都處在非均質(zhì)動(dòng)態(tài)環(huán)境下，因而十分復(fù)雜。如何實(shí)現(xiàn)將地層、孔內(nèi)及鉆頭附近的信號(hào)實(shí)時(shí)傳遞到神經(jīng)中樞，如何實(shí)現(xiàn)機(jī)器與機(jī)器之間的高速對(duì)話(huà)，是實(shí)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(shí)現(xiàn)其功能的智能化是比較現(xiàn)實(shí)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(guò)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(zhuān)家對(duì)油氣鉆井未來(lái)的智能化能夠達(dá)到“少人”和遠(yuǎn)程控制充滿(mǎn)期待；但部分長(zhǎng)期從事隨鉆測(cè)控技術(shù)及人工智能學(xué)研究的專(zhuān)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(cè)控技術(shù)及智能鉆探方面，高溫芯片目前還不能滿(mǎn)足要求，認(rèn)為實(shí)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(duì)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(dòng)化、系列化和標(biāo)準(zhǔn)化升級(jí)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(shí)質(zhì)

當(dāng)前“綠色”一詞已被社會(huì)各界熱傳熱用，實(shí)際上“綠色”在當(dāng)今社會(huì)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(shí)非常必要，這將對(duì)人類(lèi)生存及健康具有良好的現(xiàn)實(shí)意義。地質(zhì)鉆探界提倡“綠色鉆探”是完全符合人類(lèi)社會(huì)發(fā)展與生存需要的。通俗地講，綠色鉆探最現(xiàn)實(shí)的含義就是實(shí)施完鉆探工程后，施工現(xiàn)場(chǎng)沒(méi)有造成地下的污染、沒(méi)有地表環(huán)境擾動(dòng)及破壞、沒(méi)有影響現(xiàn)場(chǎng)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(diǎn)看，在施工過(guò)程中，造成上述不利影響的關(guān)鍵因素在于施工現(xiàn)場(chǎng)的地面及植被的破壞、泥漿對(duì)地下及地表的污染、動(dòng)力消耗釋放的二氧化碳對(duì)環(huán)境的影響等，要想實(shí)現(xiàn)“綠色鉆探”必須解決以上問(wèn)題。要想實(shí)現(xiàn)“綠色鉆探”首先是所采用的鉆探設(shè)備到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)無(wú)須開(kāi)挖平整地面即可通過(guò)自身結(jié)構(gòu)性能調(diào)平、找正和定位，同時(shí)無(wú)須開(kāi)挖泥漿池。實(shí)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(wèn)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(diǎn)，尋求獨(dú)特的解決方案，要考慮綜合效果［15］。

人類(lèi)在提倡“綠色”生活與發(fā)展時(shí)已將二氧化碳排放作為一項(xiàng)重要指標(biāo)，中國(guó)政府已向世界做出2060年實(shí)現(xiàn)碳中和的承諾，地質(zhì)鉆探技術(shù)界理應(yīng)為實(shí)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(guò)程中動(dòng)力消耗釋放二氧化碳的多少作為判定是否實(shí)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(jì)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(dòng)鉆機(jī)的動(dòng)力配備是機(jī)械傳動(dòng)鉆機(jī)的近2倍［15-16］（主要是液壓傳動(dòng)效率低），不僅成本遠(yuǎn)高于機(jī)械傳動(dòng)立軸式鉆機(jī)，而且所排放的二氧化碳將是機(jī)械驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)的2倍，在提倡綠色鉆探時(shí)，不能以采用輕便的全液壓驅(qū)動(dòng)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(diǎn)綜合分析評(píng)價(jià)來(lái)提倡綠色鉆探［16-17］。習(xí)近平總書(shū)記在2022年9月6日主持召開(kāi)的中央全面深化改革委員會(huì)第27次會(huì)議上及二十大報(bào)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(shū)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(guó)氣候變化框架公約》第二十七次締約方（COP27）大會(huì)上各國(guó)對(duì)“綠色”發(fā)展的共識(shí)看，“降碳”是人類(lèi)社會(huì)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(guò)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(lèi)對(duì)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(wú)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(lái)發(fā)展目標(biāo)，還是結(jié)合自身的特點(diǎn)和所承擔(dān)的工作對(duì)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(shí)事求是，量力而行。地質(zhì)鉆探深度越來(lái)越深、地層越來(lái)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(wèn)題為導(dǎo)向，在加速鉆探設(shè)備自動(dòng)化、系列化和標(biāo)準(zhǔn)化升級(jí)改造外，研發(fā)更長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)壽命的鉆頭是完全可能的。對(duì)于更深的鉆孔，鉆頭壽命的提高所帶來(lái)的減少輔助時(shí)間及事故隱患的益處是顯而易見(jiàn)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(duì)于同性的巖石裂隙及裂縫，它具有粘結(jié)吸附作用，對(duì)于鉆桿及鉆具金屬器具與巖石之間它具有潤(rùn)滑、護(hù)壁和較好的流動(dòng)攜巖作用，這就會(huì)大大減少孔壁巖石脫落卡鉆及巖心破碎而堵塞等問(wèn)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(shí)，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(shí)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(shí)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(dòng)指南。