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量子陀螺仪在石油钻井设备定位中的精度提升1

量子陀螺仪在石油钻井设备定位中的精度提升

摘要

本报告系统研究了量子陀螺仪技术在石油钻井设备定位中的应用及其精度提升效

果。随着我国能源战略的深入推进，石油勘探开发向深层、超深层、复杂地质区域拓展，

对钻井定位精度提出了更高要求。传统惯性导航系统存在累积误差大、长期稳定性差

等问题，而量子陀螺仪基于原子干涉原理，具有超高精度、零漂移、抗干扰等优势，可

有效解决这一技术瓶颈。报告从理论依据、技术路线、实施方案等多个维度展开分析，

通过构建”量子传感信息融合智能控制”一体化技术体系，预期可将钻井定位精度提升至

0.1米/小时水平，显著降低钻井成本，提高勘探成功率。本方案符合《国家能源发展”

十四五”规划》关于”推动能源科技自主创新”的要求，具有显著的经济效益和战略价值。

引言与背景

1.1研究背景与意义

石油作为国家战略资源，其安全稳定供应关系到经济社会发展全局。随着我国常规

油气资源开采程度不断提高，勘探开发目标正转向深层、超深层、深水等复杂领域。中

国石油集团经济技术研究院发布的《国内外油气行业发展报告》显示，2022年我国新

增石油探明地质储量中，深层和超深层占比已达65%，较2010年提高了28个百分点。

这种勘探开发趋势对钻井技术提出了更高要求，特别是井眼轨迹控制精度直接关系到

钻井效率、储层钻遇率和工程安全。

在复杂地质条件下钻井，传统定位技术面临严峻挑战。常规惯性导航系统（INS）

依赖机械陀螺仪或光纤陀螺仪，存在随时间累积的漂移误差，通常每公里误差可达510

米。在长达数公里的水平井或大位移井中，这种误差会导致井眼轨迹严重偏离设计轨

道，增加钻井风险。据中国石油学会统计，2021年全国因定位精度不足导致的钻井事

故中，井壁失稳占42%，储层未钻遇占35%，直接经济损失超过50亿元。

量子陀螺仪作为前沿量子传感技术，基于原子干涉测量原理，可实现超高精度的角

速度测量。其理论精度可比传统陀螺仪提高35个数量级，且不存在机械磨损和长期漂

移问题。美国斯坦福大学研究团队2020年在《Nature》发表的论文显示，实验室条件

下原子陀螺仪的零偏稳定性已达10ˆ10°/h，远超工程应用需求。将这一技术应用于石

油钻井定位，有望彻底改变现有技术格局，推动我国石油工程装备向高端化、智能化方

向发展。

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1.2国内外研究现状

国际上，量子陀螺仪技术已进入工程化应用初期阶段。美国Honeywell公司2021

年推出的HG2000型原子陀螺仪，体积缩小至传统产品的1/3，精度达到0.001°/h，已

成功应用于航空航天领域。法国iXblue公司开发的QuantumNav系统，将原子陀螺仪

与卫星导航结合，实现了水下潜航器的厘米级定位。2022年，英国石油公司（BP）在

北海油田进行了量子陀螺仪钻井定位试验，结果显示在3000米水平井段中，定位误差

控制在0.5米以内，较传统技术提高了一个数量级。

国内研究虽起步较晚，但发展迅速。中国科学技术大学潘建伟团队在原子干涉测量

领域取得突破性进展，2020年实现了公里级量子惯性测量。中国航天科工集团三院开

发的量子陀螺仪样机，零偏稳定性达到10ˆ8°/h，已通过国防科技工业局组织的专家评

审。在石油行业应用方面，中国石油集团2022年启动了”量子传感技术在石油工程中的

应用”重大科技专项，投入资金3.2亿元，重点攻关钻井定位技术难题。

从技术成熟度来看，量子陀螺仪正处于从实验室走向工程应用的关键阶段。美国

Gartner公司2023年发布的量子技术成熟度曲线显示，原子陀螺仪预计将在

年进入生产成熟期。我国《“十四五”能源领域科技创新规划》明确提出，要”加快量子传

感等前沿技术在能源领域的应用示范”，为技术研发提供了政策支持。

1.3研究目标与内容

本报告旨在系统研究量子陀螺仪在石油钻井设备定位中的应用方案，构建高精度、

高可靠性的钻井定位技术体系。具体研究目标包括：开发适用于钻井环境的量子陀螺仪

样机，建立量子经典信息融合定位算法，形成完整的工程应用解决方案，并在实际钻井

作业中验证其性能提升效果。

研究