当今世界，能源在社会经济中的基础性地位愈发重要，而作为能源体系中的两大支柱，石油和天然气（以下简称油气）开发利用的战略意义不言而喻。
由于能源矿产资源深埋于地下，看不见也摸不着，要发现、探明和开采这类资源，就必须建立一条连接地下与地面的物质和信息通道，我们将这种通道称为“井”。所谓油气井，就是专门用来勘探开发地下油气资源的井。油气井由直井发展到定向井、丛式井，再发展到水平井、大位移井、复杂结构井等，井型技术不断创新发展，以适应不同油气田高效绿色开发的需求变化。
具体而言，所谓直井，就是要垂直打穿油气储层实现其开发；而定向钻井则不同，它要求控制钻头按照设计轨道或地质环境定向破岩钻进，力求安全高效钻达地下储层目标。目前，后者已成为油气田高效绿色开发的主体技术之一。
通过实施定向钻井或大位移定向钻井技术，可以基于同一个作业平台，有效扩大油气田的开发控制半径和泄流面积，既有利于提高油气田的综合开发效益及最终采收率，也有利于降本增效、保护环境、节约场地等，因此该技术在国内外备受关注。
定向钻井技术的两大难题
当前定向钻井技术发展到什么水平了？
从方向上，我们可以将定向钻井打出的三维井眼轨迹分为垂直深度和水平位移两部分。前者是指钻头入地后距离井口的垂直深度，后者则是钻头入地后偏离井口以下垂直方向（或重力方向）的水平距离。
从统计数字来看，目前人类实施定向钻井的最大水平位移超过了11公里（以正式发表的论文数据为准），最大垂直深度超过了12公里，这两项纪录均是在俄罗斯创造的。我国目前达到的最大水平位移约为8.2公里，垂直深度超过了9公里并正在向万米深地进军。
从全球来看，我们可以打一个比方。假设从地表向地球里画一个圆柱体，其长度和圆半径均为12公里，那么以人类目前达到的定向钻井技术水平还难以钻达触及到这个圆柱体一半的空间范围。然而，12公里其实仅仅约占地球半径的0.2%，可以说只钻破了地球的“一层皮”。“上天”很难，其实“入地”和“下海”也不容易，甚至更难。定向钻井工艺包括多个环节，每个环节都涉及高端技术，也需要相适应的井下钻具、随钻测控系统等高端技术装备。
以信息化为例，由于定向钻井需要深入地层中，因此相比于地面和空中而言，定向钻井的信息化难度要大得多。原因很简单——电磁波在地面和空中的传播都能做到很好，而一旦进入地下，地层强大的传播阻力会使其很快衰减成微弱信号。直到现在，这依然是困扰随钻测量数据无线传输的重大瓶颈技术问题，也导致定向钻井在随钻测控方面遇到不少困难。
另一方面，要使钻头准确钻达预定的地下目标，必须准确掌握其在地下三维空间中的位置及运行轨迹。事实上，由于钻出来的三维井眼轨迹看不到，我们对于钻头运行轨迹的控制只能基于测斜计算和绘图，而定向钻井打得越远，这种计算的累计误差就越大。当定向钻井水平位移超过1000米时，目前广泛应用的测斜仪器与计算方法的累计误差椭球半径可达近50米。对于丛式井而言，如果随钻测斜与计算误差过大，相邻井之间就有相碰的潜在风险。当然，我们不希望这类相碰事件发生。要知道，建设一口油气井的花费是巨大的，最昂贵者甚至高达2亿美元，如墨西哥湾超深水领域的深层油气井。
除了随钻测量比较难之外，我们面临的技术难题还包括井眼轨迹控制难，即必须要很好地控制钻头的钻进方向，使其朝着设定的地下目标定向钻进。然而，影响钻头运动轨迹的因素比较多，如钻头与地层相互作用涉及的相关矢量就有6个，要确定并定量表达代表其真实钻进方向的特征物理量，就是一个复杂的定向钻井理论问题。特别是在三维钻速方程研究方面，目前全球还难以找到可以推广应用的研究成果，科研人员仍在努力探索之中。
巨大的应用价值
既然定向钻井如此难以测控，为什么还要努力攻关研究呢？
原因很简单，因为该技术有着巨大的应用价值。比如，在海洋油气田高效绿色开发方面，定向钻井就发挥着不可替代的核心技术作用。
海洋油气开发需要搭建海上钻井平台，而搭建一个平台是需要耗费巨量资金的。因此，要想使海洋油气资源商业开发“不亏钱”，就必须尽最大可能增大单个钻井平台的油气资源开发控制范围和作业效率。简单地说，就是要依托一个钻井平台打出更多的井，以便控制地下更大的油气储层面积。
在一个平台上打出多口井，而且各个井的定向延伸方向不同，这种打井方式被称为丛式井工程，以定向钻井作业为主。以美国洛杉矶盆地近海丛式井工程为例，其一个钻井平台可以打出1000多口定向井。我国海上钻井中，有75%以上为丛式井钻井平台。例如，我国在渤海油田开发过程中，就是大规模实施了定向钻井与丛式井工程，同时配套“井工厂”作业模式，创造出海上优快钻井的成功范例，有力支撑了渤海湾近海大油田的高效绿色建设。
当前，我国海洋油气资源勘探开发正在向深远海进军。在深水海域，由于井口要建在海底，导致其建设费用特别昂贵。比如，在水深大于1500米的超深水海域钻探与开采油气资源，一口井的建设费用通常高达10亿人民币。不过，如果面对深水与浅水相邻的海域，我们可以在浅水区建立固定的作业平台，这样就可以把水下井口“拉”到平台上来，采用大位移定向钻井技术，在浅水区作业平台上钻采相邻深水区的油气资源，由此可给深水油气田开发带来巨大便利，既可以大幅度降低工程作业费用，又特别有利于安全环保。
定向钻井技术的另一个重要应用是在页岩气和煤层气的开采中。
页岩气是指赋存于富含有机质泥页岩层系中自生自储、连续分布的天然气聚集，属于典型的非常规天然气资源。进入21世纪后，随着全球油气资源勘探开发的快速发展，特别是北美油气工业经历了以“页岩革命”为标志的巨大变化，促使页岩油气在未来油气供应中的地位变得越来越重要，甚至改变了全球能源供求的大格局。
所谓“页岩革命”，实质上是钻采工程领域的一场技术革命，其使原本没有开采价值的页岩气、页岩油等非常规油气资源得到大规模经济有效的开发。以美国为例，“页岩革命”为其实现能源独立奠定了坚实基础。以前，美国大量进口石油和天然气，现在却变成了天然气出口国，而且其天然气产量的80%多是页岩气。事实上，北美的“页岩革命”主要凭借的便是定向钻井和体积压裂两项核心技术的突破。其中，定向钻井技术发挥着基础性作用，首先建设水平井与丛式水平井，将钻头打到富含页岩气的储层里并在其中大位移水平延伸，然后才谈得上后续的体积压裂完井技术应用。
在我国，近10多年来，页岩气开发虽然取得了很大进步，但产量亟待提高。目前国内页岩气年产量已达到240亿立方米，约占天然气产量的10%，比例依然偏小。更重要的是，目前我国页岩气示范区主要选在地表环境和地质条件都比较复杂的山区，而这些地区往往自然风景秀丽，人口也相对稠密，这就决定了建立过多作业平台很容易破坏当地环境，影响居民生活。如果应用定向钻井技术，特别是通过实施大位移定向钻井，则可以有效扩大单个作业平台的页岩气储层开发控制范围，从而大幅度减少作业平台的数量，由此可以带来节约土地、保护环境、降本增效的良好效果。
除页岩气外，定向钻井技术在煤层气的开采中也大有用武之地。
作为名副其实的煤炭大国，煤炭在我国能源结构中占比仍最高。而在煤炭开采过程中，煤层气可以说是威胁安全生产的第一大杀手。
煤层气俗称“煤矿瓦斯”，是一种存储于煤层中的非常规天然气，其主要成分是甲烷。作为一种易燃气体，隐藏在煤层中的甲烷一旦燃烧爆炸，很容易造成重大安全事故。因此，在采煤过程中，为了安全而进行通风，往往会将煤层气排放到大气中去。然而，甲烷所产生的温室效应是二氧化碳的20多倍。
更重要的是，如果甲烷能被有效开发利用，则是一种低碳清洁能源，而且此类气体的地质资源量很多，尤其是深层煤层气资源的勘探开发目前备受关注。因此，我们希望对煤层气进行有效开采，这样既可以增加低碳清洁能源的供给，又能够降低采矿的危险性，同时也有利于保护大气环境。
然而，煤层气的开采比页岩气还要难。因为这些气体产生于煤层内部，且吸附性很强，需要采用复杂结构井型进行开采，这对定向钻井技术提出了更高要求，特别是其中的邻井距离随钻磁导向测控技术。
能源“井工厂”：能源绿色开发利用新方式
面向未来，定向钻井技术还可能带来另一种新的能源开发方式——能源“井工厂”。正如前文所说，我国是煤炭生产和消耗大国，煤电在生产过程中存在污染物排放问题，在一些重碳资源的利用上也存在污染问题。
那么，如何尽量减少其对环境的污染？我们便设想，是否可以把一些“排放大户”相关的地面工厂搬到地下去。
这种“井工厂”的好处显而易见——由于地壳内部的二氧化碳含量巨大，将污染气体和温室气体排入地下不会对地球造成什么影响，却可以明显减少对地表和大气的污染，有利于减缓温室效应。但该方式对于技术的要求非常高，其中就包括定向钻井技术。要知道，把管道、反应室等建在地下，就必须依靠定向钻井技术才能做到。
事实上，我们已经对相关技术做出了尝试。比如，在稠油热采工程中，就是将地下的稠油热转化后采出来的。但从目前看，能源“井工厂”的相关技术推进难度依然很大。尽管如此，该技术的应用前景却很好。可以设想，对于一两千米深的煤层，工人下去开采的风险是很大的，如果通过地下气化将煤炭转化为氢气、甲烷等清洁气态能源，再将其采出地面，无疑将极大地提升煤炭清洁开发利用效率与安全性。然而要做到这点，显然还有很长的路要走——除了考虑技术因素以外，还要考虑产业因素，才能最终实现其产业化和市场化。
总之，基于现有技术发展的能源“井工厂”建设，是实现深层煤层气与煤炭绿色高效开发的一条科学之道，发展前景良好。在这一过程中，伴随着井下电加热技术以及电器行业的相关发展，作为基础的定向钻井技术也将产生更多用途。对此，仍需科研人员刻苦攻关，为我国能源转型发展贡献力量。■
（作者系中国科学院院士、中国石油大学〈北京〉教授，记者陈彬根据其在“科学与中国”再出发—— “千名院士·千场科普”首场报告会上的报告整理）