2018年06月23日 星期六
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科技创新支撑国家地质调查 开创探矿工程技术发展新局面

——北京探矿工程研究所八大科技成果展示

2017-12-29 9:29:05 来源:中国矿业报社 本报记者:刘艾瑛 通讯员 胡继良 卢彤

12月8日,正当记者在中国地质调查局北京探矿工程研究所(以下简称“北京探工所”)采访时,该所收到了一封来自广州海洋地质调查局的感谢信。信中意思是衷心感谢该所在最短的时间内研究开发出适用于ROV搭载的深海反循环结壳钻机,首次在“海马”号上搭载应用研究成功,为大洋矿产资源调查做出了重要贡献,希望继续加强与北京探工所在海洋勘查领域的技术交流与合作,力争取得更大的成绩。

作为一家老牌钻探科研单位,北京探工所今年迎来了六十华诞。春华秋实,21900多个日日夜夜,从原来的一穷二白到后来的快速发展,可谓浓缩了行业曲折前行的发展历史。

特别是2002年以来,北京探工所在中国地质调查局的统一部署下,以服务国家重大需求和国土资源中心工作为导向,以充分发挥对地质调查的技术支撑服务为目标,积极进行业务结构的整合和优化,在业务布局上形成了以非常规油气勘探和干热岩勘探为主要支撑服务对象的能源钻探技术、以深海天然气水合物取样和海底钻探为特色的海洋钻探技术和以覆盖区地质调查、城市地下空间探测、环境地质调查和军事地质调查等为应用目的的多目标浅层钻探技术等三大钻探技术系列。

经此历程,北京探工所攻坚克难,砥砺奋进,从传统优势钻探基础性技术研究,延伸至科研平台建设,不断突破技术瓶颈,攻克了一批对行业发展具有引领作用的关键技术难题,形成了一批重要的知识产权,一项项具有国际先进水平的科技成果竞相涌现。海域天然气水合物取样技术、地质钻探冲洗液技术、长寿命硬岩钻头技术和高温地热钻探技术等都取得了具有国际先进水平的成果……

北京探工所勇于“尝鲜”,不是将这些国际领先、国内一流的成果束之高阁,而是“跟进式”加快成果转化,或应用于我国最前沿的科研,或大大缩短了新装备中国制造的历史进程,从而极大提高了基层地勘单位的生产力。

令人振奋的成就,源于中国地质调查局顶层设计激发了活力,源于北京探工所全体职工的同心协力、扎实奋斗,他们以昂扬的斗志,蓬勃的朝气,劲笔书写共和国钻探史册的新篇章,彰显出其钻探领域无可替代的行业地位和分量。

新时代开启新征程。当前全国生态文明建设波澜壮阔,北京探工所与时俱进,积极走进新时代基础地质调查的主战场,在被称为“京津冀”乃至华北北缘最为重要的生态脆弱区——内蒙古中东部,发挥自身传统优势,采用地质、物探和钻探密切结合的工作模式,部署开展了资源和生态文明并重的区域地质调查工作,再次吹响了建功立业的号角。

纵观而论,一项项重大科技创新成果的问世,激荡人心,它们是北京探工所发展轨迹上的一个个节点。当串联起这些节点,勾勒出的便是一部令人振奋的科技创新进行曲。

创新成果一

海域天然气水合物保温保压取样技术打破国外垄断

保温保压取样技术作为海域天然气水合物资源调查评价的关键技术手段,一直被国外封锁垄断,导致我国相关工作长期依赖国外技术装备,严重影响了我国海域天然气水合物资源开发进程。

自2008年起,北京探工所便致力于研发具有我国自有知识产权的海洋钻探取样技术。历经多年研究,该所取得了一系列骄人成果,成功研制出模块式、系列化的海洋钻探取样器具,有压入活塞式取样钻具、超前伸缩式取样钻具、射流揽簧式取样钻具、深水勘查用海底井口装置、海底钻机等等,填补了国内海洋钻探取样技术的空白。

2012年3月,成功实施水深200米、钻深300米的海洋钻探取心作业,创下了国内海洋钻探取心水深及钻深的新纪录; 2014年8月,连续突破588米和1720米水深纪录,完成钻深100米全孔取心作业,成为我国自主实施的超深水钻探第一钻。

天然气水合物科研团队

2014年,北京探工所科研团队经过数年技术攻关积累,成功研制出适应我国现有海洋工程装备的海域天然气水合物保温保压取样器具样机,2015年9月承担了我国首次自主实施的海域天然气水合物钻探取样勘查工作,并且大获成功。

实践证明,该所研发的海域天然气水合物保温保压取样技术已达到国际同等水平,成功突破国际垄断,填补了国内空白,标志着我国已具备采用自主技术开展海域天然气水合物钻探取样勘查的能力。

创新成果二

地质钻探复杂地层冲洗液关键技术获重大成果

钻探冲洗液技术是北京探工所的传统优势,在国内钻探界享有盛誉。近年来,该所钻井化学科研团队以国家资源能源安全保障需求为导向,支撑服务地质调查重大任务。经过多年的创新性研究,攻克了诸多冲洗液关键技术,形成了一套适应地质钻探特点的复杂地层护壁、护心及堵漏系列工艺技术,为地质调查、资源勘探及科学钻探等提供了较好的技术支撑,推动了钻探技术的发展,引领了地质钻探冲洗液技术的进步。该成果获授权国家发明专利6项、实用新型专利2项、国家重点新产品1项,出版专著2部,发表论文63篇,并获得中国地质调查局2016年地质科技奖一等奖和2017年度国土资源科学技术奖二等奖。

项目主要创新成果有:

——研制了多功能剂(MBM)、防塌减阻剂(GFT)、成膜剂及抗盐增粘剂(GTQ)等9种新型泥浆材料,增加了钻探冲洗液材料的种类,为新型护壁、护心冲洗液体系及堵漏技术研究打下了坚实基础。

该所钻井液专家陶士先在2011年第一届全国地勘钻探职业技能大赛现场进行技术讲解

该所钻井液技术相关专著和获奖证书

——研制的耐高温钻井液为中国地质调查局青海共和盆地干热岩GR1井(236℃)钻探提供了有力的技术支撑,研制的环保型海水冲洗液为该局南黄海大陆架环境科学钻探工程提供了安全保障。该井完钻深度2843.13米,创造了海洋地球科学钻探全孔取心孔深世界纪录。研发了成膜护壁冲洗液技术,针对炭质千枚岩等行业公认的难稳定地层,解决了分散剥落地层、松散地层孔壁失稳、取心率低的难题,实现了水基冲洗液性能的突破;研发了强抑溶冲洗液技术,成功替代了油基冲洗液,解决了钾盐钻探过程中光卤石、溢晶石等强溶蚀性地层护壁难、取心难、冲洗液成本高等问题。

——研制了溶胀型随钻堵漏剂、高失水堵漏剂、成膜堵漏剂、有机凝胶及快速固结堵漏配方,研发了孔口密封装置及用于不同漏失条件的随钻堵漏、高失水堵漏、交联成膜堵漏、化学触变堵漏及凝胶隔水堵漏工艺,形成了适应地质钻探小井眼特点的系列快速堵漏技术。其中,化学触变、快速凝胶堵漏技术实现了小井眼堵漏技术的突破。

——将流变学理论、孔壁稳定理论与绳索取心钻进及现场施工工艺紧密结合,提出了小井眼地质钻探从冲洗液、钻孔结构设计及施工工艺三个方面稳定孔壁的原理与方法,编写专著《地质钻探冲洗液技术》和《地质钻探复杂地层冲洗液对策及应用案例》。

上述成果已在166家单位、4000余个钻孔中得到广泛应用,工作量达400余万米,其中在73个矿区、276个钻孔中的示范应用达23万米,涵盖了金属矿、煤炭、煤层气、页岩气、钾盐、干热岩及科学钻探等,创造了巨大的经济和社会效益。

创新成果三

研制成功世界首台永磁直驱顶驱钻机

北京探工所钻机科研团队将永磁变频直驱技术与控制技术应用于深孔钻探装备中,研制了钻进深度超过3000米,最大终孔直径150毫米的新一代钻机。该钻机为世界首台永磁直驱顶驱钻机,满足深孔复杂地层钻探对高效能钻机的迫切需求,可用于地质勘探孔、页岩气孔、干热岩孔、定向孔钻探。

该钻机已经完成了浙江临安页岩气勘探井施工试验,终孔深度为2328米,终孔直径150毫米,全孔段连续取心。目前,该钻机正在广东惠州进行2000米孔深的干热岩钻探。

钻机在惠州干热岩钻探工地

该钻机开启了新一代钻机时代,具有节能减排、性能优越、极简结构、智能化等鲜明特点:

——相比全液压钻机,克服了其行程短、提升力弱、能源利用率低等缺陷。相比液压顶驱及异步电机顶驱,又克服了其能耗高、功率因素偏低、控制算法复杂等缺陷。

——区别于异步电机,永磁电机取消转子线圈,即使在轻载情况下,电机依然保持较高的功率因数和效率,节省大量能源。

——其自身性能极大提高了电机极数,虽然体积小却实现了低速大扭矩,很好地契合了钻探工艺的需求。

——采用矢量控制可实现零速大扭矩,工作过程中随时悬停,采用直驱并取消设备中的工作钳,结构简单,维保成本低。

——采用自动化控制技术,工作过程可监控可查询,实现了操作智能化,降低了人工操作强度,提高了工作安全性。

该钻机的成功试制标志着我国占据了电动顶驱的技术制高点,并且拓展了新领域。北京探工所牢牢掌握了永磁直驱顶驱钻机的核心技术,为下一步深地智能化钻机的研究奠定了坚实基础。

创新成果四

深部硬岩钻探金刚石钻头技术取得重大突破

针对深孔油气勘探难钻进硬地层,自2011年以来,北京探工所开展了金刚石全面钻头的研究,在钻头胎体配方、结构设计和制造工艺上均取得了重大突破,成功研制了拥有自主知识产权的NR826M复合镶齿式全面金刚石钻头系列(直径105毫米~333毫米)。

NR826M复合镶齿刀翼式金刚石钻头首先在川东北元坝气田钻井中得到应用。川东北自流井底部珍珠冲含砾地层、高研磨性须家河地层、磨溪区块的沧浪铺地层等难钻进硬地层,以往都是使用牙轮钻头或者租赁国外涡轮钻头钻具进行钻进。对于5000多米的深井而言,常规牙轮钻头在这种地层的机械钻速低,寿命短,造成频繁提下钻,增加了钻探成本;而租赁国外涡轮钻具钻头,费用昂贵且存在安全风险,增加了钻井成本。该钻头配合国产中速螺杆(或高速螺杆)在上述地层钻进取得了良好的效果,在保证机械钻速的基础上大幅提高了钻头的使用寿命,平均寿命达到了牙轮钻头的3~8倍,减少了起下钻次数,提高了钻进效率,为施工单位大幅降低了勘探成本,而且综合性能达到国际先进水平,实现了高端孕镶金刚石头的国产化,性价比优势明显,打破了国外在这一领域的垄断地位。

复合镶齿刀翼式金刚石全面钻头

复合镶齿刀翼式金刚石全面钻头

该钻头在以下三个方面实现了技术创新:

——超细晶热压胎体配方

针对硬地层研制出的超细晶热压胎体配方,经测试,该种胎体各项性能指标远远高于现有胎体材料,如抗弯强度可达2066Mpa,是常规的1.7倍,硬度在33~35HRC,抗冲击韧性大于15焦/平方米,是常规的3.75倍,为深孔硬地层用钻头提供了良好的配方基础。

——多刀翼复合齿切削具结构

金刚石钻头刀翼的数量直接影响着钻头的综合表现,通过多个刀翼交错循环式设计,一方面保证较高的机械钻速,另一方面保证了钻头具有很高的寿命。

高强复合切削齿是由天然金刚石、人造金刚石及优异的胎体粉末经过中低温热压烧结而成,表孕镶相互结合,有效地发挥了磨削+剪切的碎岩作用,具有极高的耐用度和抗研磨性,因此在钻遇油气勘探深井的火成岩、致密胶结砂岩、含砾石地层以及软硬交错频繁地层时,仍然游刃有余。

——独特的钻头制造工艺技术

采用二次镶嵌钻头制造工艺,降低了烧结过程对金刚石的热损伤,使金刚石的碎岩性能得到充分发挥;镶嵌到钻头体上具有自锐功能的金刚石切削齿比整体烧结孕镶金刚石钻头更加耐磨,极大延长了钻头寿命。

目前该类钻头已在国家油气勘探、地热能源钻探等领域难钻进地层中成功应用近50只,充分发挥了孕镶金刚石钻头钻进硬岩的优势,降低钻井成本,提高了勘探开发进度,取得了良好的经济效益和社会效益。

创新成果五

浅层取样钻探技术和装备体系服务绿色发展

实现绿色勘查是贯彻十九大精神,保护生态环境,建设美丽中国的重要举措。浅层取样钻探技术是实现绿色勘查的关键技术方法之一。北京探工所已经构建了国际先进的浅层取样装备体系和技术方法体系。

——浅层取样钻探装备体系

研发了300米以浅的系列浅层取样钻探装备,包括:

便携式钻机系列(TGQ背包式钻机、TGQ槽型钻);

轻便钻机系列(TGQ-5、TGQ-15、TGQ-30、TGQ-50、TGQ-100);

模块化液压钻机系列(TGQ-200、TGQ-300);

履带式液压钻机系列(TGQ-100L、TGQ-300L);

车载钻机系列(TGQ-75CZ、TGQ-100CZ);

环境调查取样钻机系列(TGQ-5C及TGQ-10C便携式冲击取样钻机、TGQ-30C轻便式冲击取样钻机;TGQ-10S声频振动取样钻机);

ROV用海洋调查取样钻机系列(TGQ-RD2海底钻机)。

TGQC-500型全液压动力头式钻机

上述浅层取样钻探装备取得多项发明专利,部分成果达到国际领先水平。

——特殊地质地貌区浅层取样钻探技术方法体系

我国地质地貌复杂多样,北京探工所在大量实践的基础上,根据各地质地貌区自然环境及地貌地质特点构建了特殊地质地貌区浅层取样钻探技术方法体系。

该体系已经涵盖新疆荒漠戈壁区、内蒙古干旱半干旱草原区、干旱沙漠区、青藏高原冻土区、东北森林沼泽覆盖区、南方河湖沉积覆盖区、西南森林草甸覆盖区等特殊地质地貌区。

该技术方法体系为在上述特殊地质地貌区进行地质矿产调查提供了有力支撑。

——浅钻勘查技术方法体系

北京探工所攻关并构建了由“以钻代槽”勘查方法、浅钻化探取样技术、“浅钻-测试”快速勘查方法、浅钻填图方法以及生态环境调查取样技术方法、海洋调查取样技术组成的浅钻勘查技术方法体系。主持编制了《浅层取样钻探技术规程》,参与编制了《浅钻地球化学测量技术规程》,正在编制《浅钻勘查技术规程》。

该体系为绿色勘查、找矿突破及海洋地质调查提供了有力支撑,部分成果达到国际领先水平。

创新成果六

高温地热钻探技术体系达到国际先进水平

北京探工所依托国家攻关项目和地质调查项目,经数十年科学研究、技术攻关和现场应用,形成了具有自主知识产权的高温地热(干热岩)钻探技术体系,该技术总体达到世界先进水平。在国内首次提出了地热钻井动平衡钻进工艺,研发了高温地热钻井泥浆体系和完井工艺;近两年,结合地质调查干热岩钻探的需求,研究了具有国际先进水平的新型耐高温泥浆体系、高温泥浆测试仪器及测试技术;研发了具有国内领先水平且经济适用的高温旋转防喷器系统和涡轮钻具。

从上世纪70年代开始,北京探工所应用该技术先后完成了西藏羊八井、西藏羊应乡、云南大理、华北地区等地的热田勘探开发工作,2015年又成功应用于我国第一口干热岩科钻井“干热I井”的钻井设计、施工工作,为我国高温地热资源勘查、开发做出了重大贡献。

主要技术创新成果:

——高温钻井液技术

高温钻井液技术是高温地热钻探/钻井施工的关键技术之一。北京探工所已研发形成了耐260℃高温水基钻井液体系、高温泥浆材料和高温泥浆测试评价技术;自主研发了耐温320℃、耐压210MPa的高温钻井液测试仪器。

——高温固井技术

高温固井技术是高温地热(干热岩)成井关键技术之一。针对高温地热(干热岩)固井施工特点和技术难点,该所研究了固井工艺和高温固井水泥浆体系,可满足260℃高温条件下长井段固井的需要,保证了260℃高温固井质量。

——高温地热平衡钻井

高温地热平衡钻井是高温地热(干热岩)钻探实现高效钻进的基础技术。高温地热(干热岩)储层多为孔隙或裂隙地层,地层孔隙压力与地层破裂压力相当,维持平衡钻井的泥浆密度窗口窄。高温地热平衡钻井的关键在于如何维持地层孔隙压力、水饱和蒸汽压力与孔内泥浆液柱压力的动平衡,钻进过程中,实时监测泥浆出口流量和温度,适时调整泥浆性能,从而维持孔内压力平衡,确保实现安全高效平衡钻进。

——耐高温旋转防喷器系统

针对高温地热(干热岩)钻探施工动平衡钻进的特点,研制了耐高温旋转防喷器系统。该旋转防喷器系统包含旋转防喷器和液压控制系统两部分,旋转防喷器可平衡260℃饱和蒸汽压,可满足300℃以上高温地热(干热岩)井的钻探作业需求;液压控制系统可对防喷器实现远程控制,可确保操作人员的人身安全。该耐高温旋转防喷系统已达到国内领先水平,可有效防止地热(干热岩)井施工过程中发生井喷井涌,为高温地热(干热岩)钻探顺利实施提供高效的井口安全保障。

——耐高温、高转速系列涡轮钻具

高温地热(干热岩)钻探通常钻遇温度高、岩石坚硬的地层,需要采用耐高温、高转速孔底动力钻具。该所研制了温度高于200℃的Φ89、Φ127、Φ178的耐高温、高转速涡轮钻具。其中Φ89涡轮钻具为国内现有最小规格的涡轮钻具。应用耐高温、高转速涡轮钻具配合高速金刚石钻头可有效地提高高温地层钻进效率,为高温地热(干热岩)硬岩钻探提供高效钻进技术方案。

——小口径等壁厚螺杆钻进技术

该所成功研制出国内首套Φ89毫米小口径等壁厚螺杆钻具,完善了我国螺杆钻具系列,填补了国内空白,并在汶川大陆科学钻探WFSD-2号孔成功完成国内首次Φ89毫米等壁厚螺杆钻具复合取心钻进,钻探效率大幅提升。钻具采用等壁厚耐高温定子橡胶、预轮廓转子外壳等先进技术,具有耐高温、扭矩大、转速高、寿命长等优点,适用于深井高温硬岩地层钻进,可为我国油气、干热岩等深部能源资源勘探提供科技支撑。

创新成果七

国内首台超高温高压钻井液流变仪研发获得成功

北京探工所通过承担国家科研项目和自主研发,形成了具有自主知识产权的钻井液流变性、润滑性、滤失性、封堵性、抑制性等性能测试的仪器系列,在高温高压钻井液、压裂液性能等测试技术方面打破了国外技术和产品垄断。产品在全国各地的实验室和钻探现场得到了广泛的应用,并先后为贵州安顺112地质队和山西省地勘局三勘院等多家单位提供了“交钥匙”工程的整装实验室,为保证国家重要钻探工程的顺利实施起到了重要的作用。

——依托国家重大科学仪器设备开发专项研制了国内首台超高温高压钻井液流变仪,攻克了高温高压自动控制技术、高精度粘度测量技术、流变性数据处理技术等多项难题,实现了耐温320℃、耐压210MPa的设计指标;解决了钻井液体系的高温高压或低温高压评价难题;可以满足超深井钻探、海洋钻探、高温地热钻探以及高原极寒地区钻探工程的需要。该仪器有台式和便携式两种规格,适用于实验室和施工现场,包括钻井平台和钻探船的实验室。

超高温高压钻井液流变仪

——研制的WT-HTHPQD-II型堵漏评价测试仪,最大工作压力40Mpa,最高工作温度为260℃,解决了致密砂岩地层堵漏测试评价难题,并已在实际中应用。

——针对地质岩心钻探特点,研制与之配套的TGLW系列钻井液离心机及固控循环系统。设备具有体积小、效率高、易搬迁等优点,适应不同钻井液固相处理要求。最小清除固相可达5μm。设备已在国内多个重大钻探工程中成功应用,改善了泥浆性能,大幅减少废浆排放,满足钻探环保要求。

创新成果八

基础地质成果为生态建设提供依据

党的十八大将生态文明建设提高到一个新高度。为此,中国地质调查局部署开展了“特殊地质地貌区地质填图”工作,开展我国陆地接近300万平方千米森林、草原、沙漠、黄土、高山峡谷、岩溶、强风化带和人口密集区第四纪盆地等特殊地质地貌区的1∶5万区域地质调查。2016年以来,北京探工所承担了“内蒙古中东部荒漠草原浅覆盖区1∶5万填图试点”二级项目,以通过在内蒙古中东部12幅1∶5万区域地质调查工作的实施,突破大兴安岭成矿带西南段隐伏区基岩地质结构、成矿地质规律和新生代覆盖层地层序列,并系统总结了荒漠草原地区1∶5万填图的技术方法。

该项目实施以来,依托钻探揭露为主的技术方法,以问题需求为导向,服务能源资源调查和生态文明建设,以突出解决大兴安岭成矿带西南段重要基础地质问题、成矿地质背景和华北北缘重要生态脆弱区新生代地质问题等为重点方向,取得了阶段性的进展与成果。

内蒙古草原开展野外施工

——在锡林郭勒盟阿巴嘎旗发现大兴安岭成矿带西南段存在元古代以前的古老陆块。对赤峰市解放营子一带变质流纹岩的形成年龄和变形时间进行了重新认识,有助于理解华北北缘在早古生代、晚古生代和早中生代3个不同时期的构造演化。

——揭示了科尔沁沙地第四系下存在大面积中酸性岩浆岩。其中,在北西向断层发育位置易形成铅锌矿,将该套赋矿围岩面积由原来的8平方千米拓展为200平方千米,为下一步找矿提供了有利远景区。

——对内蒙古中东部科尔沁沙地和浑善达克沙地新生代地层的综合分析,认为上述区域现今河流体系发育在3050年左右的湖相沉积之上,而在此之前该区域已经存在古代沙漠。随着现今河流体系的切割,这些古沙丘出露到地表并遭受剥蚀,形成现今沙漠的重要沙源地层。

——水资源匮乏和不合理的开发利用,造成了浑善达克沙地与科尔沁沙地环境的恶化。研究认为,随着地表径流的逐步消失,当地大量采集了以宝格达乌拉组和大塔仆乌苏组为主要蓄水层的地下水,这两套地层水源除承压水之外,还赋存了更新世时期古大湖湖水,现今保存在100米之下。地下水的超采是影响当地环境的重要因素。

党的十九大以来,建设美丽中国,解决人民美好生活需要与不平衡不充分发展之间的矛盾,已成为发展的新命题。内蒙古中东部是“京津冀”乃至华北北缘最为重要的生态脆弱区,是北京的生态屏障。北京探工所科研团队将在调查揭示前新生代基岩地质结构的同时,更加注重加强新生代地层序列的调查,了解沙地形成的地质背景和历史规律,调查水资源与地层之间的关系,为区域生态文明建设提供基础地质数据。

编辑:宫莉

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