基于“论文-专利”的深层-超深层油气勘探领域的热点演变与趋势分析☆

李扬; 段瑶瑶; 史鸣谦; 陈竹新; 汪梦诗; 彭皓

doi:10.15978/j.cnki.1673-5668.20250804

科学观察 ›› 2026, Vol. 21 ›› Issue (3) :12-24 DOI: 10.15978/j.cnki.1673-5668.20250804

前沿观察

基于“论文-专利”的深层-超深层油气勘探领域的热点演变与趋势分析^☆

李扬 ¹^,² ,
段瑶瑶 ³ ,
史鸣谦 ⁴^,⁵ ,
陈竹新 ³ ,
汪梦诗 ³ ,
彭皓 ¹^,²^,^*

作者信息 +

Thematic Evolution of Deep and Ultra-Deep Oil and Gas Exploration Based on “Papers-Patents”

Li Yang ¹^,² ,
Duan Yaoyao ³ ,
Shi Mingqian ⁴^,⁵ ,
Chen Zhuxin ³ ,
Wang Mengshi ³ ,
Peng Hao ¹^,²^,^*

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文章历史 +

摘要

[目的/意义] 随着对油气勘探认识的不断深化以及技术的持续进步，深层-超深层领域已成为我国油气储量增长和产量提升的关键区域。论文和专利作为科学研究成果的主要形式，深入分析其主题的演变趋势，对于理解理论研究和技术开发的演进路径、识别研究热点具有重要意义。[方法/过程] 采用拓扑聚类法，挖掘各时间切片中的论文和专利主题，并通过语义相似度分析，探讨论文与专利研究主题的演化趋势，从而分析深层-超深层油气勘探研究主题的演变过程。[结果/结论] 总结我国深层-超深层油气勘探亟待解决的2大核心问题：突破盆地深部地质作用和深层-超深层油气资源形成机制的理论研究；攻克井下闭环自主地质导向系统的自主研发。

Abstract

[Objective/Significance] As our understanding of oil and gas exploration deepens and technology continues to advance, deep and ultra-deep regions have become critical zones for increasing oil and gas reserves and boosting production capacity in China. Papers and patents, as the primary forms of scientific research output, play a vital role in understanding the evolution of theoretical research and technological development, as well as in identifying key research trends. [Method/Process] This study applies topological clustering to extract the themes of papers and patents across different time periods, and analyzes the thematic evolution of deep and ultra-deep oil and gas exploration research based on semantic similarity. [Results/Conclusions] Based on this analysis, two core issues that urgently need to be addressed in China’s deep and ultra-deep oil and gas exploration are identified: advancing theoretical research on deep geological processes in basins and the formation mechanisms of deep and ultra-deep oil and gas resources; achieving independent R&D of downhole closed-loop autonomous geosteering systems.

Graphical abstract

关键词

油气勘探 / 深层-超深层 / 研究热点 / 主题演化 / 论文和专利

Key words

oil and gas exploration / deep and ultra-deep / research hotspot / thematic evolution / papers and patents

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李扬, 段瑶瑶, 史鸣谦, 陈竹新, 汪梦诗, 彭皓. 基于“论文-专利”的深层-超深层油气勘探领域的热点演变与趋势分析^☆[J]. 科学观察, 2026, 21(3): 12-24 DOI:10.15978/j.cnki.1673-5668.20250804

Li Yang, Duan Yaoyao, Shi Mingqian, Chen Zhuxin, Wang Mengshi, Peng Hao. Thematic Evolution of Deep and Ultra-Deep Oil and Gas Exploration Based on “Papers-Patents”[J]. Science Focus, 2026, 21(3): 12-24 DOI:10.15978/j.cnki.1673-5668.20250804

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0 引言

目前，对于深度的深层和超深层的界定尚未形成统一共识，然而，一些权威研究机构采纳并认可的标准是，深度在4500~6000 m的地层定义为深层，而深度超过6000 m的地层区域则被划分为超深层^[1]。随着浅层油气资源的减少和全球对可再生能源需求的急剧攀升，深层-超深层油气资源逐渐成为补充能源供给的关键战略方向。中国深层-超深层油气资源丰富，深层至超深层石油技术的可采资源，占据了中国石油在深层及超深层探明的地质储量的45亿t，同时，探明的天然气地质资源量达到了5.5万亿m³，其探明率分别为35%和7%，且勘探深度已从4000~5000 m扩展至超深层6000~8000 m，具有巨大的资源潜力和广阔的勘探开发前景，是未来重点研究领域^[2-3]。随着世界经济复苏、地缘冲突加剧、国际贸易政策激烈变革，深层油气资源开发对全球能源供需格局与我国能源安全保障具有重要意义。

深层-超深层油气勘探促进了油气行业的技术革新和产业链的迭代升级^[4]，也成为衡量国家能源技术水平的关键。不仅常规油气勘探向深层-超深层拓展，非常规油气勘探开发亦向地球深层-超深层加速布局，并逐步扩大规模^[1]，这是能源需求增长的必然趋势，也是石油生成运移理论、地震技术和钻探技术不断突破的结果^[5]。

研究主题是某一研究领域内相对稳定的核心学术议题，体现研究热点与关注重点^[6]。在科技情报分析中，领域主题识别通常以领域术语或关键词为主要分析对象，术语多提取自文献的标题、作者关键词与摘要等文本。论文与专利是科研产出的重要载体，能够从不同侧面反映基础研究与应用研究的进展及技术演化方向。通过统计论文或专利文献中术语的共现关系和语义相似性，可将这些术语归并为若干主题，并分析主题间的联系。

研究主题识别已经形成了一套相对完备的方法体系。例如：通过频次统计手段，将主题呈现为词汇的概率分布；利用外部词典；采用潜在语义索引；依据中心度分析；以及运用图挖掘技术^[6]。Shi等^[7]提出的拓扑聚类法在文本主题聚类中具有独特价值，尤其适用于复杂结构发现和动态演化分析。Newman算法^[8]在文本主题聚类及主题间相似度计算方面，展现了多维度的理论优势和实践价值，特别适合于中小规模文本集的分析。

主题演化分析是在学科结构分析的基础上引入时间维度，通过对比不同时间段内领域主题结构的变化，揭示其演变路径并预测未来的发展趋势^[9]。探究科学论文与专利技术主题的相关性及其互动演进模式，能够加深对知识从理论向实际应用转化过程的理解，对预测技术发展动态及加速技术创新发展具有重要意义^[10]。拓扑聚类法在文本主题聚类中具有独特价值，尤其适用于复杂结构发现和动态演化分析^[11]。

本文立足于论文与专利数据，运用拓扑聚类法、语义相似度以及研究主题演化机制的分析，深入探讨了深层-超深层油气勘探领域的论文与专利主题的演化过程，旨在为油气勘探行业的创新管理提供理论支撑。

1 数据来源与研究方法

1.1 数据来源

目前，世界上已有多个国家在深层-超深层油气勘探开发中获得勘探发现^[12]。20世纪90年代是深层勘探技术逐渐从实验室走向工业化应用的关键期，1998年，中国石油塔里木油田克拉2气田突破，该发现直接支撑西气东输工程，成为中国深层油气勘探的标志性成果^[13-15]；1998年，贝克休斯申请了关于高温下钻头浸渗的专利^[16]，突破超深层钻井瓶颈。油气勘探领域的技术更新变化周期很短，且自1998年前后开始处于快速增长期。因此，本文依托行业专家的意见，制定了检索策略，在Web of Science核心合集及Derwent Innovation Index数据库中，针对深层-超深层油气勘探领域，广泛搜集了1998—2023年的学术论文与专利数据，共计获得论文6790篇，专利2621项，构成了本文的核心数据集。

1.2 数据预处理

（1）数据清洗。

本文的分析内容来自论文和专利的部分字段。论文分析数据包括Keyword-Author、Keyword-Plus、Title和Abstract字段；为了更全面地表达论文主题，采用德温特数据分析软件（Derwent Data Analyzer, DDA）软件对Title、Abstract字段进行分词操作后与Keyword-Author、Keyword Plus做合并处理。专利分析数据则来自Title和Abstract，对Title、Abstract字段进行分词与合并处理。之后编写Python代码，结合人工判读针对分词结果进行剔除空值、去停用词、同意合并等预处理操作，为主题建模分析奠定基础。

（2）抽取特征词。

使用固定时间窗口进行研究前沿的识别无法体现领域研究主题的动态变化，但时间滑动窗口却能够有效地识别并追踪研究前沿的演变过程^[17]。为了对比不同时间点领域主题结构的状况，探究其演变路径并预估其发展动向，本文将论文和专利数据划分为5个滑动时间窗口，分别是1998—2002年、2003—2007年、2008—2012年、2013—2017年和2018—2023年。利用TF-IDF算法从各时间段的数据集中抽取特征词。

1.3 构建共词网络

分别构建各时间窗口的论文与专利数据集的共词网络，采用Newman社团结构探测算法把词间共现网络分成类群。该方法属于无监督学习范畴，无需预先设定启发式参数，能够依据网络的拓扑特性，对无权网络执行高效的聚类分析^[18]。其基本思想在于：聚类后的结果与聚类前的差异越大，表示聚类效果越佳；社团内部节点间的边数越多，则Q值越大，反之则Q值越小。本文将拓扑聚类分析得到的关键词集合表征的研究领域定义为“研究主题”。

1.4 主题演化分析

主题语义的演变分析主要涵盖2个方面：一是主题语义的关联变化分析；二是主题语义的内容变迁分析^[19]。主题间语义联系的演变指的是随着时间推移，各主题间语义联系的紧密程度的变化，这反映了主题间的相互作用。本文通过分别计算论文和专利的主题间的语义相似度来表征各个主题间的语义联系强度，并基于不同时间段内主题间语义相似度来评估论文和专利的主题语义的演变情况。目前使用比较广泛的语义相似度算法包括余弦相似度、KL相似度和JS相似度。KL相似度和JS相似度在此方面缺乏统一标准。鉴于余弦相似度值域为0到1，且值越大，表示主题语义越接近。本文分别对论文与专利数据中的关键词执行拓扑聚类，并利用余弦距离分别计算论文与专利各主题间的相似度。余弦相似度（cosin similarity，CS）的计算方法如式（1）所示。之后根据类群间的相似度分别绘制论文类群演化图谱、专利类群演化图谱。

（1）

$S({T}_{1},{T}_{2})=\frac{{T}_{1}\cdot {T}_{2}}{‖{T}_{1}‖\cdot ‖{T}_{2}‖}=$

$\frac{\sum _{i=1}^{n}\left(p\right({w}_{i}\left|{T}_{1}\right)p\left({w}_{i}\right|{T}_{2}\left)\right)}{\sqrt{\sum _{i=1}^{n}\left(p\right({w}_{i}|{T}_{1}{\left)\right)}^{2}\sqrt{\sum _{i=1}^{n}\left(p\right({w}_{i}|{T}_{2}{\left)\right)}^{2}}}}$

式中：S(T₁,T₂)为相似度；T₁和T₂代表不同阶段的聚类主题；w_i代表不同阶段的聚类主题的第i个关键词；n为聚类主题的关键词数量。

2 研究结果

2.1 深层-超深层油气勘探研究主题及其演化路径分析

2.1.1 论文研究主题及其演化路径分析

（1）论文主题聚类。

论文数据关键词聚类分析后共得到20个研究主题，经专家判读后保留了15个（表1），为了便于区分论文类群和专利类群，论文类群以“T”表示。这些研究主题将作为论文主题演化与研究热点遴选的依据。

（2）论文主题演化路径识别。

通过分析不同时间窗口内主题语义相似度的大小，可以揭示主题内容的演化趋势，量化主题之间的关联关系。如表2~表5所示，S（similarity）表示各时间段主题间语义相似度，T（thesis）表示论文研究主题。各阶段主题采用“T+阶段序号-主题序号”的表达方式，如“T1-2”表示第1阶段（1998—2002年）发表论文的第2个主题。主题之间的语义相似度计算采用余弦距离，相似度阈值超过0.1的为有效关联主题，低于0.1的为无效关联主题。

主题语义内容演化是在明确了主题之间的语义演化模式后，对主题之间语义内容的区别和联系进行解析，从而判断各个主题之间是否存在语义演化。通过分析各时间窗口内主题语义相似度，可识别出继承、融合和分裂3种主要演化模式。继承模式指相邻主题高语义关联，后一主题继承前一主题；分裂模式指1个主题分化为多个新主题；融合模式则指多个主题合并为1个新主题^[20]。在此基础上提炼的领域主题演化路径，主题演化路径又被称为科学技术（S&T）路线图，广泛应用于描述科学、技术和实践应用之间的结构关系^[21]。如图1所示，本文以论文各阶段主题相似度为依据，绘制了论文主题演化路径图，并结合专家经验，对每个阶段的有效关联主题进行了深入的语义演化分析。

结果显示，深层及超深层油气勘探领域的学术论文研究主题在早期阶段（T1、T2）以分裂模式为主，约7成的主题都分裂出了新的研究主题。在第3阶段（T3）至第5阶段（T5），热点主题得以强化与延续，所有主题均呈现出显著的继承演化态势。具体表现如下。

第1~2阶段（T1~T2）：2000年前后，深层储层流体包裹体研究成为该领域的研究焦点（T1-1），该主题在T2阶段分裂演化为深部热流体活动与油气成藏机理研究（T2-1），深层同位素地球化学研究（T2-2）和深部流体储层与成矿作用（T2-3）。地幔地壳结构特征与油气形成、演化（T1-2）和构造演化对烃源岩发育及生烃潜力的影响（T1-4）在T2逐步继承演化为对地壳地幔结构和深部地球化学过程的研究（T2-4）。深层油气藏数值模拟模型研究（T1-3）是深层油气勘探的关键手段，与T2阶段中的4个研究主题无密切关联。

第2~3阶段（T2~T3）：深部热流体活动与油气成藏机理研究（T2-1）、深层同位素地球化学研究（T2-2）和地壳地幔结构与深部地球化学过程（T2-4）3项研究在T3阶段融合演化为利用流体包裹体的元素和同位素示踪俯冲识别深部物质信息的相关研究（T3-1），这类研究对象与研究问题逐步收缩，随着时间推进逐渐聚焦到油气藏成因的具体理论，同时研究学科更加交叉，不再仅局限于地质学范畴。T3阶段见证了地壳地幔结构及深部地球化学过程的研究（T2-4）向地幔油气藏与深层生物圈油气藏研究（T3-3），以及深层同位素地球化学（T2-2）向深部油气系统烃类相态转化、运移、聚合及成藏机制（T3-2）的深化与拓展。

第3~4阶段（T3~T4），利用流体包裹体元素和同位素示踪俯冲以识别深部物质信息的研究（T3-1）逐渐继承演变为水力压裂诱发地震的研究（T4-2）。深部油气系统烃类相态转化、运移、聚合及成藏机制（T3-2）继承为深部烃源岩构造样式模拟和与生烃演化模式研究（T4-1）。

第4~5阶段（T4~T5）：T4阶段形成的2个研究热点在T5阶段均得到了传承与强化。深部烃源岩构造样式模拟和生烃演化模式（T4-1）继承演化为深部高温高压流体-岩石互相作用机理（T5-1），水力压裂诱发地震研究（T4-2）继承演化为注水诱发地震机制与数值模拟研究（T5-2）。

2.1.2 深层-超深层油气勘探相关专利技术主题

（1）专利技术主题聚类。

专利数据关键词聚类分析后共得到20个类群，经专家判读后保留了16个（表6）。为了便于区分论文类群和专利类群，专利类群以“P”表示。这些研究主题将作为专利主题演化与热点主题遴选的依据。

（2）专利技术主题演化路径识别。

P（Patent）表示专利研究主题。如表7~表10所示，各阶段主题采用“P+阶段序号-主题序号”的表达方式，如“P1-2”表示第1阶段（1998—2002年）公开的专利的第2个主题。主题之间的语义相似度计算采用余弦距离，相似度阈值超过0.1的为有效关联主题，低于0.1的为无效关联主题。

以专利各阶段主题之间的相似度（表7~表10）和专利各阶段主题演化图（图2）为依据，结合每个阶段的有效关联主题与专家经验开展语义演化分析。结果显示专利数据的演化路径呈明显的分裂演化趋势，反映了技术创新从模仿到战略超越的特征。专利研究主题在第1阶段（P1）和第2阶段（P2）近2/3的主题呈现为继承演化模式；自第3阶段（P3）开始大规模分裂演化；在第4阶段（P4）开始产生新的主题，有一半的主题在近期（P5）以分裂模式演化。具体表现如下。

第1~2阶段（P1~P2），深层钻井的钻井工具与钻井液材料研发（P1-1）是1998—2002年的研发热点，该技术作为油气勘探技术及装备研发的基础，在P2阶段继承演化为深井钻探和井下作业中的工程设计（P2-2）。深层油井勘探钻井设备结构（P1-2）、深井钻探技术和深井钻探中地下流体特性（P1-3）作为深层油气勘探的基础技术，在P2阶段继续融合演化为深井油泵设备优化设计（P2-3）主题。深层油藏调剖堵水与化学驱技术（P2-1）与前阶段研究联系较弱，是这一阶段的新兴研究主题。

第2~3阶段（P2~P3）：深井油泵设备优化设计（P2-3）是2003—2007年的研发热点，部分研究在第3阶段演化为深井油气勘探的设备和材料（P3-1）。井身结构优化及钻探过程控制（P3-2）是这一阶段的新兴主题。总体而言第2阶段研究与第3阶段研究的继承演化关系较弱，均属于过渡性技术。

第3~4阶段（P3~P4）：自2008年以来，我国深层天然气勘探开发技术取得了实质性突破，发现和建成了一批大气田。同时，深层油气勘探技术在多个方面取得了重要进展，包括地质循轨旋转导向钻井技术的工业化应用，以及多项关键核心技术的突破。这些技术进步显著提升了我国油气钻井工程领域高端装备的国际竞争力和影响力。深井油气勘探的设备和材料（P3-1）分裂演化为深井井身结构及配套设备优化（P4-1），同时深井钻探设备与钻井结构设计（P4-2）及钻井液和钻井工业化学添加剂（P4-3）；井身结构优化及钻探过程控制（P3-2）分裂演化为深井钻探设备与钻井结构设计（P4-2）和钻井液技术（P4-3）。

第4~5阶段（P4~P5）：P4阶段形成了4个热点，其中深井井身结构及配套设备优化（P4-1）继承演化为井身结构设计和动态调整技术（P5-1）。深井钻探配套设备与钻井结构设计（P4-2）分裂演化为井身结构设计和动态调整技术（P5-1）和深井超深井高效钻探技术（P5-2）。钻井液和钻井过程中工业化学添加剂（P4-3）分裂演化为深井超深井高效钻探技术（P5-2）、深井超深井钻井液技术（P5-3）和深层油气开采中的注入技术和储层性质（P5-4）。可以判定深井钻探配套设备与钻井结构设计（P4-2）、钻井液和钻井过程中工业化学添加剂（P4-3）、井身结构设计和动态调整技术（P5-1）和深井超深井高效钻探技术（P5-2）是本领域的新兴研究热点。油气开采和输送设备技术（P4-4）相对独立，与其他阶段的研究主题没有有效关联，油气开采输送设备的研究涉及多个方面，包括深井开采、螺杆泵的高效应用、输送管道的优化以及其他相关设备的技术创新。

2.2 领域重点研究方向及其前沿内容解读

2.2.1 论文研究主题演化解读

随着现代油气勘探技术从“源外”向“源内”、从“浅层圈闭”向“深层岩性”转变^[22]，研究焦点逐渐转向油气藏的成因理论，且其跨学科特性日益显著，不再局限于地质学范畴。未来的重点研究方向主要指向以下几个方面。

（1）深部构造沉积充填样式模拟和与生烃演化模式研究。

自“十三五”以来，我国在四川、塔里木、鄂尔多斯、准噶尔、柴达木、渤海湾、松辽等陆上含油气盆地及南海、渤海等海域盆地相继取得油气勘探新发现与新突破，新增发现的储层类型以碳酸盐岩和碎屑岩为主^[23]。与此同时，深层-超深层研究的关注点由深部构造-沉积充填过程模拟与成烃演化的一般性讨论，逐步转向更具约束性的关键科学问题，包括深层-超深层碳酸盐岩储层发育与改造机理、油气成藏与富集规律，尤其是有机酸和CO₂等成岩流体作用下储集空间的形成、演化与长期保存机制。对于深层-超深层碎屑岩领域，勘探实践同样迫切需要成藏机理与储层演化研究的支撑，重点应聚焦高温高压条件下烃-水-岩相互作用过程及其对孔渗演化的控制，并厘定有效储层（有效孔隙度/渗透率）发育的深度下限。

（2）可控震震源的勘探技术研究。

可控震源地震勘探技术研究亟须围绕宽频带、宽方位与高密度三维采集等关键环节开展系统攻关，发展高效的大规模地震数据采集与质量控制技术，并与地震反演、速度（含各向异性）建模、地质建模及储层预测方法一体化集成，以提升深层-超深层目标的地震成像质量与储层预测精度。与此同时，随着深层-超深层能源与地下空间开发利用的推进，非常规油气开发中的水力压裂活动所引发的诱发地震现象日益受到学界与业界的关注与重视。

（3）深部高温高压流体-岩石互相作用机理。

在地球系统多圈层耦合作用背景下，幔源-变质脱挥发深部流体通过深大断裂等通道上涌并进入含油气盆地，作为物质与能量输入的重要载体，参与并影响烃源岩热演化与生烃、储层的形成与改造以及油气运移-聚集-保存等关键过程^[24]。然而，深部流体参与流体-岩石-有机质相互作用的期次与持续时间、通量与反应程度、空间影响范围，以及所对应的温压条件与具体物理化学反应路径仍缺乏清晰约束。现阶段相关研究主要聚焦于，深部流体及其携带的还原性组分、金属离子与矿物表面效应对不同类型有机质成烃反应的促进（催化）与调控机制；深部流体输入条件下盆地地层与基底岩石的溶蚀-沉淀、交代与胶结等地球化学过程及其对孔隙结构演化、储层品质与有效性保持的控制作用；基于同位素、稀有气体、微量元素与流体包裹体等多源示踪体系，对深部流体参与下油气成藏过程与流体通道-运移路径进行识别与约束。

2.2.2 专利主题演化解读

深层-超深层油气钻探是全球油气勘探领域的“超级工程”。从专利技术申请的角度看，自1998年至今，中国在本领域申请的专利申请数量为1980项，占全部专利的3/4以上，是该领域专利申请最多，最为活跃的国家；美国在本领域申请的专利数量为256项，申请总量排名第2。专利申请现状反映出我国在该领域持续保持高强度科研投入和高度活跃的研发创新活动，在全球范围内形成了明显的技术储备优势，同时也说明高效开发深层-超深层油气资源是实现中国能源接替战略的重大需求，也是当前和未来油气勘探开发的重点和热点。

专利主题的演变路径与论文主题存在差异，展现出逐步分化的特征，并显现出显著的分裂演化趋势，这表明在深层-超深层油气勘探领域中，新兴技术不断涌现。近年来，研究的焦点主要集中在井身结构的优化设计与动态调整技术、超深井钻探技术的突破以及钻井液技术的创新。其中，“深井及超深井的高效钻探原理技术与装备研发”相关的专利数量最多，中国共公开了545项，其他国家公开了232项；其次是“井身结构的优化设计与动态调整技术”，中国共公开了469项相关专利，其他国家公开了67项；中国共公开了469项“深井超深井钻井液技术研发”的相关专利，其他国家公开了62项。

（1）深井、超深井高效钻探技术。

超深井钻井技术是油气资源勘探开发的关键技术之一，深井及超深井的高效钻探原理技术与装备研发，被确立为我国未来油气勘探开发领域的重点研究方向^[25]。专利主题聚类结果显示，近年来该领域的研究主要集中在攻克复杂地质条件下的钻井难题，提高钻井速度和安全性。研究热点包括自动化钻机、受控压力钻井、测井、固井和完井技术等高端设备的技术创新；高扭矩顶驱系统和深井连续油管作业装置等先进工具的研发；地质工程一体化结合，通过精确获取地层应力场预测和岩石力学参数，解决超深层碎屑岩储层钻井中的超深、高温、高压、高应力等关键技术问题。

（2）井身结构的优化设计与动态调整技术。

基于专利主题聚类结果发现，随着油气勘探向深层、超深层以及复杂构造区域发展，井身结构优化设计与动态调整技术的研究主要集中在提升复杂地质条件下井筒的稳定性和钻井效率。为了应对超深井和复杂地质构造，研究人员致力于优化套管程序设计，包括匹配高拥挤度外径套管的应用。为了提高钻井速度和降低成本，我国科学家在深水钻井研究中提出了井身结构小型化技术，将深水井的第2段孔径从常规的660.4 mm缩小到444.5 mm，这对于深水聚晶金刚石复合片（PDC）喷射钻井技术具有重要意义^[26]。近年来，人工智能和数字孪生技术通过实时数据模拟和优化井身结构设计，提升了钻井解决方案决策的精准性和安全性。

（3）深井超深井钻井液技术研发。

钻井液技术，对于提升钻井效率、维护油气层、降低作业成本、增进油气采收率以及提高生产效率等方面具有至关重要的意义。根据专利主题聚类分析结果，近年来的创新主要集中在高性能、环保型和智能化钻井液的开发。针对深层和超深层油气钻井面临的高温、高压、高应力、裂缝发育和井筒失稳等问题，我国研究人员开发了耐高温高盐抗污染钻井液体系，并在高性能水基钻井液技术方面取得了一定进展^[27]。水基钻井液改善了钻井期间的井壁质量并可保护非常规储层，相较于油基钻井液具有优势，但与国际先进水平相比研发水平跟进缓慢，研究领域不够广泛，且在环保性能方面仍存在一定的技术差距。未来钻井液技术的发展将着重于环保、高效、多功能和自适应性，重点方向包括油基钻井液技术、高性能水基钻井液技术以及高性能水泥浆技术。

3 总结与建议

3.1 总结

通过系统回顾国内外深层-超深层油气勘探研究进展，本文梳理了该领域在不同发展阶段的主要特征与热点研发方向。

第1阶段：基础构建（1998—2002年）：此阶段的理论研究着重于对地质规律进行定性认知，以及对深层油气地质条件开展初步探索，研究重点在于深层储层的流体相态、成藏机理，以及构造对成藏的影响。技术研发的重点聚焦于深井钻井工具、钻井液材料、固井技术和防喷设备，以满足深井作业最基本的物理需求，实现硬件设施从无到有的突破。

第2阶段：设计优化（2003—2007年）：这一时期引入了更多地球化学手段，用以研究流体活动与成藏机理之间的深层关联，借助微观方法辅助预测，并开始关注储层预测，力图更精准地定位油气。在工艺研发方面，开始从单一工具转向系统设计，关注储层调剖、化学驱技术以及工程的优化设计。

第3阶段：过程控制（2008—2012年）：地震信息识别成为重点，结合岩石物理研究，深入探究运移和聚合机制，试图提升地下目标的可视化精度。技术装备研发关注完井设备与材料，以及井身结构的优化和钻探过程控制。自动化和数据检测初现端倪，致力于提高钻探过程的可控性和安全性。

第4阶段：装备升级（2013—2017年）：本阶段理论研究聚焦于地层非均质性难题，探究深层油气的成因机制、分布规律以及地应力演化，重点解决复杂裂缝性储层的评价难题。硬件配套设备全面升级，涵盖井身结构优化、钻完井过程中的工业化学品应用，以及更高效的油气开采输送设备。

第5阶段：智能化和动态化攻关（2018—2023年）：理论研究与技术研发在这一阶段实现高度融合。理论研究聚焦于极端环境下的流固耦合机理。技术研发明确提出“超深井”钻探技术，强调动态调整策略、智能化检测以及注水调控技术，旨在应对深部不可预测的风险，并重视注水等提高采收率（EOR）技术的工程落地。

综上，深层油气勘探开发技术的理论研究重点从宏观的成藏机理和流体相态，逐步深入到微观的地球化学、岩石物理，再到复杂应力场、裂缝预测以及极端条件（高温高压）下的流固耦合机制；技术研发从基础的钻井工具和固井材料，向工程优化设计、过程控制发展，最终聚焦于“超深井”配套技术、智能化动态调整以及提高采收率的精细化装备。理论研究通过揭示地质规律为工程提供指导，技术研发则通过装备升级解决理论提出的开采难题，二者呈现出高度的趋同性。

3.2 我国未来发展建议

当前我国深层-超深层油气勘探面临的关键科学与技术问题主要包含以下2个方面：其一，深化对盆地深部地质作用以及深层-超深层油气资源形成机制的理论认知；其二，突破井下闭环自主地质导向系统的关键技术并实现自主研发。这2大难题不仅影响着深层-超深层油气勘探领域的发展前景，更是制约我国油气行业发展的关键瓶颈。同时，油气形成机制理论的进展对于地质导向系统的开发设计也有着深远的指导意义。本文对这2个关键问题的潜在研究方向进行了梳理，旨在为该领域的发展提供切实有效的指导与帮助。

（1）突破盆地深部地质作用与深层-超深层油气成藏机制。

我国盆地大多经历过构造运动与热事件作用，深层烃源岩普遍达到高度成熟状态，深层天然气来源复杂，既包含干酪根高温裂解生气，也涉及古油藏中液态烃的高温裂解，甚至可能混有无机成因气。当前我国深层油气生成领域面临3个主要的关键科学问题。对这些问题的理论突破，直接支撑着地质导向系统中靶点预测精度、轨迹优化算法和实时随钻校正模型的设计与优化，进而指导相应的技术研发。

①干酪根在高温下的生气潜力及其残留碳的机制。干酪根是油气生成的核心物质，其在高于200 ℃的条件下是否仍具备生气能力，以及“热稳定残留碳”是否能够释放小分子烃类，需要从原子尺度探究碳结构演变、芳构化、石墨化趋势与自由基形成的关联，以加深对深层-超深层油气潜力的认识。对干酪根高温生气潜力的深入理论研究，能够为地质导向系统提供更为精确的烃源岩评价模型。例如我国在塔里木盆地TK1井获取的地质数据^[28]，能够进一步验证和修正有机质预测生气潜力理论模型，指导地质导向系统对深层烃源岩的识别和评价。

②古油藏裂解气的运移行为及其分布模式。古油藏裂解气是否局限于原位迁移、是否形成“残气-环烷气”特征分布，直接影响着深层气藏演化与成藏机制的重构。对古油藏裂解气运移行为和分布模式的理论认知，将直接提升地质导向系统中轨迹优化算法的智能化水平。通过模拟裂解过程中的气液固转化、孔隙压力演变及毛管封堵效应，地质导向系统能够更准确地预测油气聚集区和有利运移通道。未来研究的重点需聚焦于热演化阶段三相体系构建，模拟裂解过程中气液固转化、孔隙压力演变及毛管封堵效应。

③深层纳米孔裂缝的压缩性和吸附特性对气体运移的影响。超深层储层较为致密，孔径主要为纳米级，孔隙压缩性与吸附性决定着储层有效性和油气可动性。在钻进过程中，实时随钻校正模型可以根据这些更新的测井数据，动态调整钻井参数，例如泥浆密度窗口、钻速和钻头类型，以适应纳米孔储层的特殊性。研究的关键在于厘清吸附/解吸-运移行为边界、压缩-吸附-渗流能力耦合机制，并为压裂设计与排采优化提供理论支持。

（2）自主研发井下闭环自主地质导向系统。

在深层至超深层地质环境中，地质结构的复杂性尤为突出，其中多套烃源岩、多相断裂系统以及非构造圈闭的广泛分布，显著增加了地质导向的难度。井下闭环自主地质导向系统具备全地质感知、自主决策与自动控制能力，可在不依赖地面指令或数据链的情况下，实时完成钻进轨迹调整，是未来高效、精准钻探的关键技术，尤其适用于高温高压、远程或深水等极端工况。目前，该技术主要被美国公司垄断，我国自主研发井下闭环自主地质导向系统需要突破以下3个核心研究问题，以实现从技术模仿到战略超越：

①低功耗井下智能计算与耐高温边缘AI芯片开发。系统需在毫秒级响应时间内完成构造识别、轨迹预测与钻头调整，必须依赖低功耗、高集成、高耐温的边缘AI芯片，将智能计算下沉至井下本体，才能实现真正意义上的闭环导向。井下高温高压环境对芯片封装和能效提出了极高要求，迫切需要新型AI模组支持稳定运行。

②自主地质判识与轨迹决策算法。井下传感器感知维度有限且信息呈断续状态，需借助多模态融合（如电阻率、伽马、声波等）与AI算法构建连续的地质图谱，以实现岩性与构造识别的高精度呈现。同时，轨迹优化需动态平衡地质目标、机械约束和作业能力，算法应具备路径规划、可行性校验与自主纠偏的功能。

此外，为适应井下边缘环境，需开展模型压缩、计算冗余、异常感知与应急决策机制的研究，构建安全可靠的闭环控制体系。

③钻井控制与闭环执行系统设计。该系统是地质识别与轨迹执行的关键环节，要求实现钻压、扭矩、转速、姿态与电信号等多源数据的融合感知与反馈控制。多学科融合是其显著特征，目标是提高钻进控制响应精度与导向修正效率，确保自主系统在复杂井况下稳定运行。

综上所述，深层油气形成机制理论为地质导向系统的设计提供了核心地质理论基础。理论研究的每一项潜在突破都与地质导向系统中的靶点预测精度、轨迹优化算法和实时随钻校正模型的设计与优化密切相关。其不仅可用于指导烃类检测、储层识别与评价、钻井轨迹优化和风险规避等关键环节，还能深化对深层-超深层油气潜力、气藏演化机制和储层有效性的认知。在执行与工程层面，井下闭环自主地质导向系统的研发逐步实现智能钻井、精准导向、实时成像和自主决策，提高深层勘探的效率与成功率。同时，高端钻井设备和先进工具的发展也为这些理论的实现提供了必要的工程支持。这2大关键科学与技术研究的良性互动能够显著提升我国深层-超深层油气勘探开发的效率和成功率，为国家能源安全提供保障。

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基金资助

^☆中国石油天然气股份有限公司科学研究与技术开发项目(RIPED-2023-JS-1044)

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Published
2026-06-15
Online Date
2026-06-07

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