我國大直徑鉆井技術(shù)裝備發(fā)展的挑戰(zhàn)與思考

一、前言隨著人類社會進步與國民經(jīng)濟發(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。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)模不斷擴大，工程技術(shù)創(chuàng)新進入高度活躍期。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。井筒作為地下工程建設(shè)與開發(fā)的核心構(gòu)筑物，擔負著礦物、人員、材料、設(shè)備等運輸，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)實驗和國防等領(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)。對照國家能源戰(zhàn)略對潔凈、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)展和改革委員會等部委對礦業(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)險高、作業(yè)不連續(xù)、環(huán)境污染、職業(yè)傷害嚴重等問題，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、反井鉆機、豎井掘進機、斜井硬巖掘進機等研究方面取得一定的進展，但鉆機裝備和技術(shù)工藝基礎(chǔ)薄弱，與國外發(fā)達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機整機都依賴進口；亟需通過地質(zhì)、設(shè)計、巖土、力學(xué)、機械、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，重點發(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、整機裝備智能制造、環(huán)境感知與反饋、鉆井風(fēng)險防控等智能鉆井技術(shù)裝備的創(chuàng)新與應(yīng)用，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械破巖鉆井技術(shù)裝備發(fā)展需求、對比國內(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)與裝備的重點任務(wù)和發(fā)展建議，以期為推動我國地下工程建設(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或鉆頭進行連續(xù)可控破巖。機械破巖鉆井技術(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、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)險防控等科學(xué)技術(shù)問題，將開創(chuàng)機械化、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，我國煤炭行業(yè)已建成40余條深度超過1000m的井筒；金屬礦井建成近20條深度超過1000m的井筒，其中7條井筒深度超過1500m，正在設(shè)計和施工的井筒深度超過2000m。2019年第21屆中國科學(xué)技術(shù)協(xié)會年會發(fā)布了20個對科學(xué)發(fā)展具有導(dǎo)向作用、對技術(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項為“千米級深豎井全斷面掘進技術(shù)”。因此，深化機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)備進行開挖，場地占用面積大，挖掘效率低；城市地下60~200m空間的全要素開發(fā)還停留在研發(fā)與設(shè)計層面。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400m左右，正在規(guī)劃的壓力管道井筒深度達到800m，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)的井筒工程項目，服務(wù)國家清潔能源發(fā)展，保障“碳達峰、碳中和”國家戰(zhàn)略實施。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行。目前國內(nèi)最深的鐵路豎井為高黎貢山隧道1號豎井（主井深762.59m、副井深764.74m），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)項目，服務(wù)國家交通強國戰(zhàn)略、保障交通重點工程。4.其他地下工程建設(shè)在國家大型科學(xué)試驗方面，目前設(shè)計規(guī)劃的試驗豎井工程深度近800m。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60年代，國內(nèi)外開始機械破巖鑿井裝備研究，大直徑井筒機械破巖鉆井裝備主要有豎井鉆機、豎井掘進機、反井鉆機、斜井硬巖掘進機等類型。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踐展開論述。（一）豎井鉆機鉆井20世紀中期，美國休斯公司的CSD300型、德國維爾特集團公司的L40型豎井鉆機代表了當時的先進水平，但材料、裝備加工制造水平和經(jīng)濟成本制約了機械破巖鑿井技術(shù)的發(fā)展。到20世紀末，由于采礦工業(yè)變化，多數(shù)國家此項技術(shù)的研發(fā)處于暫時停滯狀態(tài)或轉(zhuǎn)行到隧道掘進機等領(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)項目與“十一五”科技支撐項目的資助下相繼開展了鉆井法鑿井技術(shù)研究。在國外鉆機基礎(chǔ)上，升級改造了L40/1000型鉆機，后續(xù)又研制了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的AS12/800型、AD130/1000型等大型豎井鉆機裝備，形成了鉆井直徑小于7.7m井筒“一鉆成井”、直徑10.8m井筒“一擴成井”快速鉆井工藝，最大鉆井深度為660m，標志著我國豎井鉆機鉆井技術(shù)發(fā)展達到了新高度，處于國際領(lǐng)先水平。鉆井法具有機械化程度高、鉆進自動控制、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有限責任公司研制的ZDZD-100型全液壓豎井鉆機，在鉆進能力、鉆井直徑方面處于國際先進水平，正在陜西省可可蓋煤礦全巖地層進行直徑8.5m、深度538m的“一鉆成井”試驗。（二）反井鉆機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，設(shè)計鉆井深度達2000m，擴孔刀盤的直徑范圍為1~8m。20世紀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，最大鉆井直徑為6m，鉆井最大深度為592m。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，設(shè)計鉆井直徑為7m，鉆井深度可達1000m，擁有完全自主知識產(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，設(shè)備外形緊湊，滿足狹窄場地情況下靈活運行的要求，適用于地下工程的反井鉆井。這標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展。（三）豎井掘進機鉆井20世紀60年代開始，美國和德國主導(dǎo)研究全斷面和部分斷面豎井掘進機。德國維爾特公司研制了部分斷面豎井掘進機和SB-VI-580/750型上排渣豎井掘進機，海瑞克股份公司制造了懸臂截割破巖上排渣豎井掘進機并提出了大滾輪破巖上排渣豎井掘進機概念。美國羅賓斯公司研制了“ω”形鉆頭結(jié)構(gòu)的241SB-184型豎井掘進機，基尼公司研制了球形鉆頭結(jié)構(gòu)的VDS400/2430型豎井掘進機。截至目前，國外豎井掘進機鑿井直徑約為8m、深度在700m左右，但掘進速度低、相對成本高?！笆濉睍r期由北京中煤礦山工程有限公司承擔國家“863”計劃項目的“礦山豎井掘進機研制”課題，研制出了國內(nèi)首臺（套）MSJ5.8/1000/1.6D型豎井掘進機，該機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（套）下排渣豎井掘進機開展了云南省以禮河水電站鉆井工業(yè)性試驗，完成鉆井深度為282.5m、導(dǎo)孔直徑為1.4m、掘進直徑為5.8m的出線豎井工程。中鐵工程裝備集團有限公司研制的SBM/1000型全斷面硬巖豎井掘進機，采用全斷面刀盤破巖和機械排渣方式，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，鉆井深度為198m、鉆井直徑為7.83m。中交天和機械設(shè)備制造有限公司研制的“首創(chuàng)號”超大直徑硬巖豎井掘進機，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號豎井始發(fā)，設(shè)計鉆井直徑為11.4m。相關(guān)產(chǎn)品的研制和應(yīng)用，標志著我國基本掌握了豎井掘進機技術(shù)體系。與此同時，2021年科學(xué)技術(shù)部組織并立項了“千米豎井硬巖全斷面掘進機關(guān)鍵技術(shù)與裝備”重點專項。國內(nèi)城市用下沉式豎井掘進機（VSM）裝備處于設(shè)計研發(fā)階段，依靠進口VSM設(shè)備和技術(shù)服務(wù)導(dǎo)致成本居高不下。2020年，我國引進的德國海瑞克股份公司VSM12000型沉井式豎井掘進機，采用了部分斷面截割破巖和潛入式泵吸反循環(huán)排渣，完成了南京市建鄴區(qū)沉井地下車庫項目，最大開挖深度為68m，鉆井直徑為12.8m。（四）斜井掘進機鉆井全斷面硬巖隧道掘進機（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性高、勞動強度大等問題，而且一定程度上解決了綜掘機破巖能力不足、硬巖掘進效率低的問題。根據(jù)統(tǒng)計結(jié)果，采用TBM的掘進速度可達到鉆爆法的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斜井工程實踐，TBM斜井鉆井直徑通常為3~10m，上坡角度大于37°，下坡角度小于30°，最大鉆井長度為1010m。據(jù)不完全統(tǒng)計，全球有85個斜井項目采用了TBM施工，其中60余個為抽水蓄能電站的斜井項目。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研制的單護盾TBM掘進機掘進神東補連塔煤礦2號副井，5.5°連續(xù)下坡，TBM掘進長度為2718.2m，開挖直徑為7.62m，平均月進尺為546m。2021年，陜西延長石油（集團）有限責任公司可可蓋煤礦主副斜井采用中國鐵建重工集團股份有限公司研發(fā)的ZTT7130型敞開式全斷面TBM掘進機進行施工，主斜井設(shè)計傾角為5.6°，TBM掘進5040.9m，掘進直徑7.13m；副斜井設(shè)計傾角為6°，TBM掘進5041.3m。這是目前國內(nèi)煤系地層TBM掘進的最長距離。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械挖掘在礦山井巷與地下工程建設(shè)中長時間占據(jù)主流位置，施工企業(yè)從經(jīng)濟性、效率性、可靠性等方面考慮，對新型大直徑井筒鉆井技術(shù)裝備認知程度和接受程度較低，機械破巖鉆井技術(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，同時阻礙了鉆機技術(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有限公司、中煤礦山建設(shè)集團有限責任公司、洛陽中信重工機械股份有限公司是我國最早從事機械鉆井技術(shù)裝備研究的單位。中國鐵建重工集團股份有限公司、中鐵工程裝備集團有限公司、中交天和機械設(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機方面轉(zhuǎn)型到研制井筒鉆機裝備，核心技術(shù)自主創(chuàng)新能力薄弱，較多集中在對國外已有裝備的改造和升級。鉆井裝備整機的主軸承、液壓件、電氣控制組件等關(guān)鍵部件以及總體集成設(shè)計技術(shù)已經(jīng)實現(xiàn)國產(chǎn)化，核心部件對外依賴度不斷降低，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)對鑿井工藝及裝備的工程適應(yīng)性認知不足，鉆井基礎(chǔ)理論、技術(shù)、工藝以及裝備的設(shè)計與研發(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)裝備處于初級階段智能化鉆井是機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)有機械破巖鉆井技術(shù)裝備更多還是對爆破破巖技術(shù)的替代以及對作業(yè)工人體力的延伸或替代。地層條件的復(fù)雜性、特殊性、多變性以及裝備運行重復(fù)出現(xiàn)率較低的自主學(xué)習(xí)機會，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)與運行可靠度，使得地層感知、鉆井裝備運行、井筒結(jié)構(gòu)穩(wěn)定等方面實現(xiàn)自主決策與智能防控困難重重。現(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、技術(shù)弱”等問題，“環(huán)境裝備–仿真模擬–判識反饋”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)展的初級階段，關(guān)鍵技術(shù)、核心裝備、研發(fā)平臺、學(xué)科專業(yè)、標準規(guī)范、人才梯隊、示范工程等頂層設(shè)計與發(fā)展路徑不完善，甚至有缺失。五、井筒建設(shè)技術(shù)與裝備重點發(fā)展方向推動我國從地下工程建設(shè)大國邁向強國行列，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、智能化的機械破巖裝備要實現(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”提供“透明地質(zhì)、靶域改性、主動控災(zāi)”的地質(zhì)安全保障。重點開展基于多重探測手段的地層巖體原位精細化探測、巖性識別與圍巖分級方法研究，攻克隨鉆遠距離動態(tài)探測與巖體參數(shù)感知、風(fēng)險判識、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)險評價與防控機制。（二）鉆井技術(shù)工藝突破豎井鉆機、豎井掘進機、反井鉆機、斜井掘進機等鉆井裝備形成了各自相適應(yīng)的鉆井技術(shù)與工藝。然而無論以哪種機械破巖鉆機進行鉆井施工，均要遵循“破得掉”“排得出”“控得住”“支得牢”四大原則，即實現(xiàn)“高效破巖”“連續(xù)排渣”“精準鉆進”“圍巖穩(wěn)定”4項關(guān)鍵技術(shù)與工藝。針對井筒多場耦合條件下鉆機裝備大直徑鉆井工藝適應(yīng)性難題，開展機械破巖鉆井井內(nèi)空間布置設(shè)計理論和方法、鉆進–排渣–支護與地層改性平行作業(yè)工藝、鉆井風(fēng)險控制技術(shù)等研究。針對堅硬巖石難破碎、重復(fù)破碎和圍巖擾動失穩(wěn)問題，攻克多刀協(xié)同與新型破巖方式聯(lián)合的堅硬巖石大體積破碎、克服重力的機械或流體連續(xù)排渣、隨鉆支護與掘–支協(xié)同永久支護等科學(xué)技術(shù)難題。（三）裝備設(shè)計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，裝備研制采用“材料–結(jié)構(gòu)–性能”一體化與“設(shè)計–制造–運行”全過程協(xié)同的設(shè)計理念，研發(fā)智能感知、集中控制、強自適應(yīng)的大直徑鉆井鉆機。重點開展鉆機裝備多源動載激勵下鉆井鉆機的動力學(xué)建模、系統(tǒng)耦合動力學(xué)分析與優(yōu)化、整機總成及其空間優(yōu)化布置等研究，研發(fā)破巖鉆進巖–機作用感知反饋、不良地質(zhì)超前探測、旋轉(zhuǎn)–推進–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)運維與預(yù)警在地下大直徑鉆井過程中，需要對鉆井裝備運行狀態(tài)、圍巖與支護結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性開展實時監(jiān)控并制定防災(zāi)減災(zāi)技術(shù)對策。重點開展智能鉆井裝備探測、掘進、排渣、支護、推進、支撐、導(dǎo)向、降溫、排水、通風(fēng)等系統(tǒng)運行狀態(tài)可靠性與穩(wěn)定性的智能診斷與預(yù)警，鉆井圍巖及其支護結(jié)構(gòu)的監(jiān)測與風(fēng)險防控研究，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；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)對風(fēng)險，避免并降低潛在的經(jīng)濟損失。六、對策建議

（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，面向國家重點項目或工程，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)責等，制定全面覆蓋、重點突出、持久力強的保障措施。積極整合現(xiàn)有資源和潛在資源，推動我國智能鉆井基礎(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)展路徑和重點任務(wù)。針對地下工程井筒建設(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)。針對地下工程建設(shè)智能鉆井整體系統(tǒng)，基于目標鉆井深度和直徑，開展鉆機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