2019年12月08日 星期日
| | 地质云 : |
中国矿业报订阅

科技创新探矿工程 精心服务绿色勘查

——自然资源部中国地质调查局北京探矿工程研究所绿色勘查技术概览

2018-10-17 14:38:03 来源:中国矿业报社 作者:程婧格

自然资源部中国地质调查局北京探矿工程研究所(以下简称“探矿工程所”)积极践行习近平总书记“既要绿水青山,又要金山银山”号召,落实中国地质调查局党组依靠科技创新引领绿色勘查的要求,将研发的先进钻探装备、技术引入到绿色勘查中,很好地克服了地质勘查与生态保护协调共赢的瓶颈与难题,走出了一条“依靠科学技术创新、保障绿色勘查实施”探索之路,减少了勘查工作对生态环境的扰动和影响,为加快建立和完善新时代绿色勘查相关规范和标准提供了强有力的技术支撑,在国家能源资源勘探开发、保障国家能源资源安全方面发挥了重要作用。

Beijing Institute of Exploration Engineering.CGS actively executes the calling of General Secretary Xi Jinping that “lucid waters and lush mountains are invaluable assets”, implements the requirements raised by the party organization of China Geological Survey that green prospecting is led by scientific and technological innovation and introduces advanced drilling equipment and technology on research & technology into green prospecting. Consequently, it has well overcome the bottlenecks and problems in the harmonious and win-win state between geological survey and ecological protection, stepped onto the road of “safeguarding the implementation of green prospecting depending on scientific and technological innovation” and reduced the adverse influence of prospecting on ecological environment. In conclusion, it has provided powerful technological support for the accelerated formulation and perfection of relevant norms and standards on green prospecting in the new era, as well as played an important role in the exploration and development of national energy resources and in the maintenance of the security of national energy resources.

之一:“以钻代槽”支撑矿产勘查“绿色”化

为解决槽探、浅井等传统地表揭露手段自身局限性问题(不可能开挖很深、很大范围、灵活性差)及减少对生态环境的扰动和破坏。早在2005年,探矿工程所就对浅钻技术应用于地质找矿方面作了拓展,在内蒙古开展了浅钻与槽探揭露地质现象的效果对比研究,2014年,在海南、云南两省进行了以钻代槽勘查技术方法研究和示范,解决了以钻代槽关键技术问题,使其成为绿色勘查关键技术之一。其间,该所编制了《浅层取样钻探技术规程》。目前,该所已建立了包括设备、方法、标准在内的以钻代槽绿色勘查技术方法体系。

以钻代槽勘查方法的关键技术是组合钻孔布设方法。常用的钻孔布设方法有“探索孔-追索孔-验证孔”三步布孔法、十字布孔法等。以海南省东方市风塘岭金矿区矿产勘查为例。在地质分析基础上,依次进行浅钻施工——样品分析——确定品位——后续槽探施工,确定了矿脉走向,对矿区金矿异常高值区,进行矿脉追索,通过对该区域槽探所发现的硅化带、破碎带(碎裂岩)上布置浅钻进行验证。结果表明:(1)试验性钻探所揭露的岩性组合与传统槽探结果一致;(2)浅钻与槽探所对应的样品分析结果基本吻合;(3)通过探索孔与追索孔、确认孔的共同施工,可以确定地质体产状。针对脉状或条带状的矿带进行钻探,采取施工斜孔的方法布孔可以快速达到地质目的,更高程度地提高浅钻成功率,可达到或接近槽探“施工范围内近水平方向上的连续观察剖面”的效果。

从左图中可以看到,轻便钻机施工对地表几乎无破坏,右上图获取的岩心样品很好地满足了地质钻孔岩心要求,右下图反映了槽探与浅钻的取样对比。

基于浅钻的优势,认为以钻代槽技术勘查方法:(1)浅钻在施工中占地面积小、地表破坏少、操作简单,对环境扰动轻微,安全系数高,符合绿色勘查的要求;(2)基本解决了难进入地区、特殊浅覆盖区取样的难题,有望彻底改变井探、槽探和人工挖掘等破坏生态的传统地质取样方法;(3)以钻代槽勘查技术可以实现对地质体结构、构造、形态、产状及接触关系等要素进行有效勘测和控制,可以拓展勘查深度;(4)以钻代槽方法灵活,可以快速布孔,取样工作速度快及取样质量高,缩短了勘查周期;(5)相对于槽探,以钻代槽综合费用低,尤其是避免了巨额占地赔偿,节约了项目资金。目前以钻代槽方法已在黑龙江、西藏、甘肃、陕西等多个地区得到应用,产生了良好的生态效益和经济效益。

之二:高温钻井技术助力新型清洁能源钻探调查

非常规资源勘探开发技术培训会合影

惠热1井

①复合镶齿刀翼式金刚石全面钻头②天然金刚石表孕镶取芯钻头③尖齿复合片取芯钻头④复式水路高胎体金刚石孕镶取芯钻头

探矿工程所长期从事高温地热钻探技术研究,有效破解了高温钻探技术难题,研发了永磁直驱顶驱钻机、全金属涡轮钻具、孕镶金刚石钻头、高温钻井液、钻井液处理系统等多项技术成果,初步形成了高温钻探装备、技术体系,相关技术在西藏羊八井、羊应乡、雄安新区、青海共和干热岩工程、惠热I井干热岩钻探等高温地热(干热岩)钻探工程中广泛应用,有效地促进了新型清洁能源钻探调查进展。

1.高温硬岩复合钻进技术

为提高高温地热(干热岩)钻进效率,该所针对高温硬岩钻探特点研制了耐高温高转速全金属涡轮钻具和高温硬岩孕镶金刚石钻头,可满足300℃高温钻探需要,具有耐高温、高转速、长寿命等特点,采用涡轮钻具配合金刚石钻头复合钻进技术可有效破解高温硬岩钻探技术难题。

2.高温钻井液技术

高温钻井液技术是高温地热钻探关键技术之一,该所针对干热岩钻探特点,研发优选了多种抗高温钻井液处理剂,形成了抗温水基钻井液体系和高温固井水泥配方及工艺,在青海共和GR1井干热岩钻探工程中成功应用,可满足240℃以上高温钻探的需要,有效破解了高温地热钻探钻井液技术难题。

3.高温钻井液处理系统

经过多年的研究,该所现已形成钻井液固相控制全套技术装备,并开展了冷却及废浆处理系统研究,在解决高温钻井液处理技术难题的同时,有效实现绿色环保无污染钻探施工,为高温地热钻探调查提供装备和技术保障。

4.永磁直驱电动顶驱钻机

针对高温地热钻探特点,该所自主研发了3000m、3500m系列永磁直驱电动顶驱钻机,具有自动送钻功能,实现无齿轮传动、变频无级调速,卷扬机具有无磨擦刹车、能耗刹车和悬停功能等,实现提下钻遇卡阻开泵回转施工工艺。已成功完成浙江临安页岩气钻探和惠热1井钻进工程施工,节约能源达30%以上。

5.高温平衡钻井工艺

高温地热钻井面临井涌和井喷的风险,要满足安全快速钻进,需要采用平衡钻进工艺。该工艺采用自主研发的耐高温旋转防喷器系统,可实现井底压力平衡、井口压力控制、带压钻进施工,有效防止漏失、井涌,保护地热储层,提高钻探效率。

6.超高温高压流变仪

依托国家重大科学仪器设备开发专项——“超高温高压钻井液流变仪的研发及产业化”(项目编号2012YQ050242),成功研制出国内首台超高温高压流变仪。该仪器采用了国际先进的外环隔离磁耦合驱动和非接触式扭矩传递测量技术,攻克了超高温高压条件下的动态密封和剪率控制等工程难题,实现了高温320℃、低温-10℃和高压220MPa条件下的高精度粘度测量。超高温高压流变仪的研制成功,象征着国内的流变仪测控技术达到世界一流水平,打破了国外高端流变性测试仪器在市场上的垄断地位,仪器可满足深地科学钻探、深部地热资源钻探的高温高压钻井液测试需求,也能应用于深水或陆域天然气水合物等新型清洁能源钻探用低温钻井液的流变性测试评价。

超高温高压钻井液流变仪

应用案例1

2015年7月,探矿工程所自主研发的Ф127涡轮钻具,在“干热I井”(国内首口干热岩科学钻井)进行了国内首次涡轮取心钻进实验,钻进平均机械钻速为1.29m/h,与165mm螺杆和转盘钻进方法相比,钻进效率分别提高了30.3%、98.46%、18.34%。

应用案例2

探矿工程所研发的高温钻井液技术和高温固井技术在羊八井北区高温地热田钻探中得到了应用,为羊八井ZK4001高温地热井钻井与完井提供技术支持,获得206℃连续高温蒸汽,为地热电站提供热能,到目前已连续供热近30年。

应用案例3

2018年,钻机在广东惠州进行惠热1井干热岩钻探施工,设计孔深3100米。截至6月29日,已钻进至2308米。该钻机的成功应用标志着我国掌握了永磁直驱顶驱钻机的核心技术,占据了电动顶驱的技术制高点,为深地智能化钻机的研究奠定了坚实基础。

TGLW-钻井液离心机

之三:天然气水合物保温保压取样技术有力支撑海洋新型能源勘查

海域天然气水合物保压保温取心钻具TKP-1系列

海洋钻探船用天然气水合物样品保压转移装置

海洋钻探保温保压取样是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,期依赖国外技术装备,严重制约了我国海域天然气水合物资源的勘探开发。2008年起,探矿工程所以国家需求为己任,致力于具有我国自有知识产权的海洋钻探取样技术的研发,历经多年,取得了一系列骄人的研究成果,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、水合物保温保压取样器具、深水匀速贯入取样器具、深水勘察用海底井口装置、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,探矿工程所成功实施水深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,探矿工程所连续突破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。

2014年,探矿工程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,2015年9月,探矿工程所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,大获成功。

2017年,探矿工程所研制的深水匀速贯入取样器具成功实现水深1400米,孔深80米全孔钻探匀速取样,满足了海工样品的微扰动高质量要求。

2017年5月18日,中国地调局实施的首次海域可燃冰试采成功,中共中央、国务院贺电表扬了试采参研参试单位。作为参研参试单位之一,探矿工程所研发的海域天然气水合物保温保压取心技术和装备,成为20项关键技术自主创新和7项重大技术装备自主创新成果之一。

实践证明,探矿工程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,成功突破西方技术垄断,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。

水合物取样团队

之四:绿色环保钻井液实现多项突破

在环保冲洗液材料方面,研制了多功能剂(MBM)、抗盐共聚物(GTQ)、植物胶(GWJ)、抗盐降滤失剂、接枝淀粉、成膜A剂、环保型固体润滑剂等多种不同功能的环保型冲洗液材料,并对随钻堵漏剂、润滑剂等原有产品进行了环保升级改造,上述冲洗液材料均能达到国家或行业环保要求,其中多功能复合剂(MBM)获国家发明专利和2013年度国家级新产品,填补了国内空白。

在冲洗液体系方面,针对不同钻探需求和地层特性,研制了成膜防塌冲洗液、双聚防塌冲洗液、新型镁基冲洗液、二盐冲洗液等环保冲洗液体系,实现了环保冲洗液体系的系列化,其中两个体系已经获得国家发明专利证书。成膜防塌冲洗液是一种针对金属矿产以及煤炭、页岩气等勘查中经常钻遇的炭质千枚岩、绿泥石化等分散剥落地层孔壁易失稳、取心质量差等难题研制的价格低廉的高性能水基冲洗液。双聚防塌冲洗液则是针对钻遇泥页岩地层因吸水膨胀和分散造浆等引发的孔壁坍塌、因泥浆增稠而大量排放泥浆及粘附卡钻等问题研制。卤水、新型镁基及二盐冲洗液则解决了钾盐钻探中遇到的盐膏、芒硝、岩盐及含溢晶石、光卤石等溶蚀性地层的低取心率、高成本及环境污染等难题,其中二盐冲洗液成功替代油基冲泥浆,有效解决了高溶蚀性地层,填补了国内空白。

之五:浅钻综合地质调查支撑地调主战场

在综合地质调查过程中,不同地质地貌类别地区的需求指向和技术路线均有很大差别。人口、城市及经济活动密集的平原区,填图要更注重高精度的信息表达,要通过地表、物探、化探及钻探技术方法,查明一定深度范围覆盖层三维地质结构。浅钻支撑综合地质调查主要是在覆盖区利用浅钻采取覆盖层下面的基岩样品用来填制基岩图。以往覆盖区填制地质图往往简单地表示为“第四系”,大规模的布置揭露工程,成本难以接受且对环境破坏极大。使用浅钻技术可以很好地满足成本与效率的要求,从而解决浅覆盖区的填图难题。

以内蒙古中东部荒漠草原浅覆盖区1:5万填图试点为例,内蒙古中东部地区是国家级防风固沙重要生态功能区,保护地表植被是重要防风固沙手段之一。试点区处于荒漠、农田、草原交汇地带,地表覆盖率超过75%,无法通过地表观测填制基岩地质图。采用绿色钻探技术对覆盖层进行揭露,主要表现在:钻前,绿色管理理念融入到浅覆盖区填图的全流程中,合理布孔,坚持“钻孔最少”原则,钻机搬迁、修路、机台建设纳入全流程,把对地表植被的扰动降到最低;钻中,科学管理,选用环保型泥浆材料,泥浆循环再利用、无公害处理,避免了对地表环境造成大规模损害,生活废弃物回收处理;钻后,恢复植被,对接地方需求,尽量做到“一孔多用”。同时,一方面利用特定的岩性对应着特定的测井参数组合的特征,采用标准孔“取心+测井”建立起标准地层单元,其余钻孔采用“不取心+测井”,通过测井曲线与标准地层单元对比,实现岩性识别与地层划分;另一方面将取心钻孔划分为两类:全孔取心孔与非全孔取心孔(覆盖层不取心+基岩取心),非取心钻孔的实施,大大提高了钻探施工效率,大幅减少了泥浆的用量,降低了钻探成本,减少了对环境的破坏。

图①为地质、物探和浅钻综合地质剖面。

图②、图③为浅钻施工现场。项目实施三年来,项目组为保护地表植被,未实施槽探工程,而是在地质与物探综合推断下,精准实施了浅钻揭露工程,揭示了覆盖地层序列和隐伏基岩地质结构。钻探进尺累计18600米,钻孔231个,完成了12幅1:5万基岩地质图的填制工作,为重要成矿区带隐伏区段地质找矿打下基础。

单位简介

自然资源部中国地质调查局北京探矿工程研究所(简称“探矿工程所”)是中国地质调查局直属的正局级科研事业单位,成立于1957年,主要从事探矿工程领域内新理论、新技术、新方法、新工艺、新设备、新材料的研究与开发,设有8个专业技术部门(中心),拥有自然资源部地质钻探工具唯一的监督检测中心。

探矿工程所所部及科技创新中心位于北京市海淀区学院路29号,研发基地位于北京市房山区良乡和周口店。截至目前,全所共有硕士研究生以上人员64人,占比50%;中高级职称人员88人,占比69%。国务院政府特殊津贴享受者1人,原国土资源部百人计划1人,国土资源杰出青年科技人才1人,“十二五”国土资源科技与国际合作先进个人3人,中国地质调查局杰出地质人才1人、优秀地质人才4人,中国地质调查局青年地质英才2人。

60多年来,探矿工程所共完成国家和部级各类科研项目210余项,获国家和部级奖励55项(其中:一等奖8项,二等奖15项),专利技术80余项,是我国地质调查勘查技术支撑体系的重要组成单位,为我国地质勘查事业的发展做出了卓越贡献。近年来,探矿工程所勇于改革,坚持科技创新驱动发展,坚持国家重大战略需求导向,精心服务绿色勘查,在金刚石钻探工具、钻井化学材料、岩土钻掘设备及机具等领域,取得了卓越的成效。

网站编辑:宫莉

返回新闻