天然气作为一种低碳清洁能源，不仅地质资源丰富，而且在民用、发电、工业燃料、化工原料等市场有旺盛需求，已成为全球关注的未来主体能源之一。人类即将迎来天然气时代，但也将长期面临油气开采难的困扰与挑战。

根据资料，全球非常规天然气资源十分丰富，是常规天然气8倍以上，页岩气就属于典型的非常规天然气资源。我国非常规油气资源十分丰富，页岩气可开采资源量居全球第二（仅次于美国），页岩油开发潜力也很大。

在加大国内油气资源勘探开发力度新形势下，有必要大力推进我国“页岩革命”。不过，页岩油气具有“量大、质差、难开采”的基本特征，采用常规理论方法和技术手段难以进行大规模且经济有效的开发，必须通过创新驱动，实现技术突破与“页岩革命”目标。

挑战工程作业极限

迄今为止，我国共批准设立了4个国家级页岩气示范区，除了延长陆相页岩气示范区以外，其他3个均在四川盆地，这里也是我国“页岩革命”有望率先取得成功的潜在地区。

然而，四川盆地页岩气不仅埋藏深，地理环境也十分复杂。这里的地貌以丘陵和山地为主，耕地少、人口多，生态环境脆弱，水源体系复杂，井场往往毗邻村舍，导致页岩气工程面临土地租用、噪声消除、废弃物处理及交通设施协调等诸多压力。

因此，为了节约土地、保护环境及降本增效，遵循山区页岩气“地质工程—市场”一体化高效开发原则，有必要创建以丛式水平井为基本特征的大型“井工厂”，尽可能增加单个井场布井数量，从而大幅度减少“井工厂”设计建设个数。

以丛式水平井为基本特征的“井工厂”，是国内外页岩油气高效开发的主流工程作业模式。“井工厂”是指在同一个井场里集中布置和建设多口、甚至大批相似井（如定向井、水平井等）。虽然在井场地面诸多井口之间相距很近，但每口井欲钻达的地下油气藏目标则相互偏离井场较远，有效扩大了油气田开发控制范围。

创建大型“井工厂”，必然要挑战大位移水平井工程作业极限。大位移水平钻井是大位移水平井工程关键技术之一。在实施大位移水平井工程中，除了受环保约束外，还要不断提高水平钻井安全高效作业能力。既要提高大位移水平井延伸极限预测精度和安全控制能力，又要持续推动“一趟钻”技术不断创新进步。

所谓“一趟钻”技术，指使用一只钻头、一套导向钻具组合及一种钻井液体系，实现一次下井不间断钻完同一个井眼的全部进尺，是一种理想的安全高效破岩与导向钻井技术。

为了不断提高水平钻井“一趟钻”作业能力，“十四五”期间有必要在高效钻头、导向钻具组合、钻井液体系及钻井参数等方面加强交叉学科研究，既要打造“一趟钻”技术利器，又要针对所钻地层进行个性化工程设计。

打造“一趟钻”技术利器

在资源、环境及工程建设等各种钻井或钻探工程中，钻头是不可或缺的核心工具之一， “钻头不到，油气不冒”一语道破钻头的重要作用。钻头主要分刮刀钻头、牙轮钻头、PDC钻头及取芯钻头等，其中PDC被译为“聚晶金刚石复合片”，它作为一种功能材料被大量用于制作钻头切削齿。

然而，我国在钻头设计制造理论与技术研究方面基本处于跟踪阶段，高效PDC钻头仍依赖进口，成为油气工程领域技术瓶颈之一，制约了“一趟钻”技术的推广应用。我国急需在PDC钻头超硬耐磨材料、个性化设计制造及钻井提速等方面取得技术突破，相关研究涉及力学、材料、高压物理、机械、地质及钻井工程等诸多学科领域。

而如何控制钻头定向破岩钻进，按预定轨道或地质导向钻达地下油气藏目标，是关系定向钻井质量是否合格的要害问题。相应技术被称为“井眼轨迹控制技术”，是定向钻井核心技术之一，未来发展目标是井下智能钻井系统，涉及力学、地质、机电、测量、控制、通信、人工智能及钻井工程等诸多学科领域。

导向钻具组合是井眼轨迹控制的硬核技术，主要由导向工具、随钻测量仪器及控制系统组成，相应的技术装备已达到较高水平。现场使用的导向工具主要是井下导向马达或旋转导向工具，随钻测量仪器已普遍具备井斜、方位、导向工具面角及相关地质和力学参数的实时测量功能。我国在导向钻具组合方面虽然取得了很大的技术进步，但一直以跟踪为主，亟须加大相关理论创新与自主研发力度。

此外，根据所钻地层理化特性、井壁岩石稳定性、井下温度和压力分布等工况，科学调制一种先进适用的钻井液体系是保证“一趟钻”安全环保作业的关键所在。

钻井液俗称为钻井“血液”，主要分为水基钻井液和油基钻井液两大类，广泛应用于实际工程中。国内外在页岩气水平井工程中，基本都采用油基钻井液体系洗井，以便有效保持井壁稳定、减少作业阻力等，但同时也污染了大量钻屑，为此需要付出较大的环保处理代价。若使用水基钻井液体系，虽然避免了油污问题，但其性能又难以保持井壁稳定和减阻控制，甚至引发导致工程报废的严重安全事故。

因此，油气行业希望在高性能水基钻井液体系方面逐步实现技术突破，以便大幅度改善其稳定井壁、减少阻力、高效洗井等性能，进而接近或达到油基钻井液体系的优良性能，同时消除油污问题。

国内在仿生、双疏等高性能水基钻井液体系研究方面已取得重要进展，并在页岩气水平井工程中得到初步试验与应用。然而，要想在页岩气工程中大规模替代油基钻井液体系，仍需深入开展胶体化学、超分子化学、纳米科学、仿生学、材料科学、岩石矿物及钻井工程等交叉学科研究。

“一趟钻”技术与大位移水平井工程是创建大型“井工厂”的硬核技术与关键工程环节，通过交叉学科研究不断突破技术瓶颈与工程作业极限，对于推进我国“页岩革命”至关重要，应该被持续列入国家和企业的重点研发计划。

培养一流专业技术公司

要想使油气工程技术与装备达到并保持国际先进甚至领先水平，除了加大应用基础研究力度外，还必须拥有综合实力强大的专业化技术与装备服务公司。为此，笔者建议在国家油气集团公司体制下，通过股份制重组等技术供给侧改革，组建和培育具有国际竞争力的油气工程技术与装备服务企业，加快打造具有中国品牌、国际先进的技术与装备创新服务体系。

对比西方国家，我国油气行业迄今仍缺少实力强大的油气工程专业技术服务与装备设计制造公司，这既不适应国内油气勘探开发（特别是“页岩革命”）对技术装备越来越高的新要求，也难以适应我国实施的油气“走出去”发展战略需求。

笔者建议国家应通过政策引导甚至行政推动，尽快建立与培育我国大型油气工程技术服务公司，并允许有两个以上独立法人企业同时存在，以保持技术市场的竞争活力。

这样的专业技术服务公司，应具有技术研发与服务一体化及市场经营国际化基本特征，应以国际一流同类技术服务公司为追赶目标，既能为我国油气公司（需求侧）在国内外石油天然气勘探开发投资项目提供强有力技术支撑，又能获取巨额技术服务收益，力求逐步形成良性循环。

此外，笔者建议国家因势利导，进一步完善政策配套及公共服务体系，鼓励和引导我国天然气工业健康发展，同时尽快建立一套先进的全国天然气开发利用安全监控与保障体系（包括技术标准、运行机制、监管体系及目标责任等），确保天然气在钻探、开采、长距离管道运输、网络输配及终端使用等各环节安全可靠，减少或避免天然气重、特大安全事故的发生。（作者系中国科学院院士）