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只为解决“入地更难”

——自然资源部中国地质调查局勘探技术研究所科技创新成果展示

2018-10-17 14:40:44 来源:中国矿业报社

“向地球深部进军”是新时期地质科技创新的主战场。上天不易,入地更难。没有先进的技术及装备支撑,对地球深部的探索将无从谈起。

自1957年成立以来,作为中央公益性地质调查队伍的重要组成部分,自然资源部中国地质调查局勘探技术研究所主要开展国家基础性、公益性地质调查和战略性矿产勘查所需各类钻探技术研究与示范推广,为公益性地质调查和战略性矿产勘查提供技术支撑与服务。在国内,该所率先进行全液压岩心钻探装备的研究与推广应用、定向钻探与高精度对接连通井技术的研究和推广应用、液动冲击回转钻探技术的研究与推广应用、绳索取心钻探技术的研究开发与推广应用、水文水井及多工艺空气钻探技术、非开挖铺管装备与工艺的研究与推广应用、大口径钻头与钻具的研究与推广应用。通过领略该所取得的科技创新成就,我们或许就可以窥见整个行业的科技发展水平。

"March to the deep earth" is the main battlefield of geological science and technology innovation in the new era. Without advanced technology and equipment, exploration of the deep earth will be out of the question.Since founded in 1957 as an important part of the commonweal geological survey force of China, the Institute of Exploration techniques, CAGS has been engaged in R & D in drilling technology and demonstration promotion of such technology to support and serve fundamental commonweal geological survey and strategical minerals exploration.With a brief look at its technological innovations, we may be able to get a glimpse of the technological development level of the whole industry.

攻克高精度对接连通井技术,钻得更准

高精度对接连通井技术是将相距数百米或上千米的井组在地下矿层连通的技术,“慧磁”钻井中靶导向系统是该技术的核心。

自然资源部中国地质调查局勘探技术研究所开发成功的“慧磁”钻井中靶导向系统是一套引导钻头钻入设定靶区的高技术测量系统,使我国成为继美国之后第二个拥有该项技术的国家。该系统的研制成功实现了我国水溶性矿产开采对接井的重大技术突破。其主要特点是:首创低电压可充电电池供电,可用于煤矿井下等高危作业环境(美国仪器采用220V电源供电,不适应煤矿等使用);入井探管直径和长度分别为42mm、1。4m,最小用于60mm直径钻杆(美国仪器为45mm、1。9m,最小用于73mm直径钻杆),能完成更小曲率半径的定向井。“慧磁”钻井中靶导向系统的使用,可以极大地提高对接井的精度,大幅降低矿产资源开发成本,更有利于环境保护和安全生产。

“慧磁”高精度中靶系统主要用于水溶性矿藏、地热能、煤层气、石油、天然气以及地下铀矿的开采。目前,已成功完成了陕西榆林、湖北沙市2对3000m国内对接最深、难度最大的对接井工程;在土耳其创造性设计并实现了多井组连通,真正实现了地下“穿针”。累计完成国内对接井100余口井、土耳其贝帕扎里天然碱等对接连通井163口井,产生了显著的经济效益。

“慧磁”系统在土耳其多井组高精度对接井中的应用

“慧磁”钻井中靶导向系统

形成2000m以内地质岩心钻探技术体系,打得更深

针对国家深部找矿和地质勘查工作的需求,勘探技术所经过系统的研究攻关和技术创新,形成了全液压系列岩心钻机、高钢级地质管材与高强度绳索取心钻杆、高效液动锤、新型事故处理工具和新的钻探器具标准等五方面集一体的2000m以内地质岩心钻探技术体系,整体达到国际先进水平,部分达到国际领先水平,获2015年度国家科技进步二等奖,累计销售钻机近800台套、高钢级地质管材3万余吨、高强度绳索取心钻杆120余万米、液动锤1600余台套。

2000m以内系列全液压地质岩心钻机

研制的全液压岩心钻机已形成YDX和CSD两个系列,20余个型号,钻进深度300-2000m,适用于金刚石绳索取心等多种高效钻探工艺方法,在全国广泛应用,占领了我国全液压地质钻机70%的市场份额,出口到6大洲20多个国家,塑造了我国钻机的民族品牌,提升了我国钻机的国际市场地位和知名度。

勘探技术所研制的XJY850高钢级冷拔地质管材,性能指标达到或部分超过国际产品技术标准,生产成本仅为进口同钢级产品的60%左右。用该管材研制的大深度小直径薄壁绳索取心钻杆,改变了我国钻杆制造落后面貌,同时通过螺纹副优化和精密制造工艺等,使小直径绳索取心钻进深度由原来的1000m左右提高到2500m以深,并有望在短期内突破3500m深度,使我国由高钢级管材和高强度钻杆进口国成为出口国。

3500m全液压地质岩心钻机

自主研发的YDX-6型全液压地质岩心钻机,采用N级口径钻深可达3500m,机械化、自动化水平高,配套高精度仪表及钻参系统,能满足金刚石绳索取心、冲击回转等深孔地质钻探工艺要求,正在深部地质找矿和油气资源调查中发挥作用。

4000m地质岩心钻探成套技术装备

牵头承担的 “十二五”863计划项目“4000米地质岩心钻探成套技术装备”研制,取得了4000米地质岩心钻机、DZ950高强度钻探管材和绳索取心钻杆、高效液动锤、新型事故处理工具等多个创新性成果,初步建立了我国4000米以内地质岩心钻探技术新体系,推动了我国钻探技术的进步。

研发小口径膨胀波纹管护壁技术,钻得更巧

膨胀波纹管护壁技术是在局部事故孔段下入“支架”而不缩小孔径的孔壁修复技术。勘探技术研究所率先研究的Φ76mm和Φ96mm规格小口径地质钻探波纹管护壁技术(石油钻井的最小规格为Φ132mm),填补了该技术领域的世界空白,实现了3项技术创新:一是研发成功了10瓣薄壁(3mm)梅花型小口径膨胀波纹管成型工艺;二是采用轴向弧形胶条冷硫化技术解决了小间隙下入及悬挂难题;三是连接工艺突破了异型薄壁管单管长度限制,大幅拓展了应用范围。该技术的应用实现了钻孔的“支架”修复,使我国地质钻探事故处理技术处于世界领先水平。

2015年,广西南丹马鞍山孔明银铅锌矿区ZK703孔,在Ф76mm孔深1035m处发生严重孔内坍塌,无法钻进,采用膨胀波纹管技术将事故孔段进行隔离,使得该孔得以正常钻进至1200.27m,并顺利终孔。

在山东招金集团栾家河矿区ZK04号孔Ф76mm孔深1789。5m~1810。5m处,首次成功完成了小直径21m加长井段膨胀波纹管护壁技术的应用。

波纹管成形及膨胀示意图

a.钻遇事故段

b.扩孔作业

c.下入膨胀套

d.打压膨胀

e.膨胀套管头、尾切除

f.通管、钻进

研发水文水井与地热钻探技术,范围更广

近年来,我国低碳清洁能源勘查开发利用、生态地质和环境水文工程地质需求激增,对相应钻探能力提出了更高的要求。

水文水井钻探是勘探开发地下水资源的重要技术手段之一,勘探技术所是国内最早从事水文水井钻探研究的单位,在“七五”期间开始了多工艺空气钻进技术、气举反循环钻进技术、空气潜孔锤钻进技术等水井钻进工艺的研究,开展了成井材料、洗净技术、钻井设备及器具的研究,取得了丰硕的成果。并作为主要设计单位从1967年研制我国最早的专用水文水井钻机的SPJ-300型散装转盘钻机开始,共参加了近20项水井钻探设备的研制,成果累累。

研制的SDC系列全液压钻机,SDC系列车载全液压钻机,机械化、自动化水平高,仪表及钻参系统配套齐全,能满足泥浆钻进、空气钻进等深孔地质钻探工艺要求,可用于煤层气抽采井快速钻孔、浅层油气井、抢险救援通风井以及勘探孔、物探孔、地热井、水井等的施工。先后参与过煤层气垂直井、水平井、定向井、尼日尔水井、抗旱抢险井等各种类型的钻井施工,已累计完成3万米左右的钻探工作量。同时还利用多介质反循环钻进技术,指导国内企业完成了大量的进口钻探装备的钻具配套。

最新研制的代表国际最新技术的SDC-1000型全液压水井钻机

打井配套的反循环器具

多工艺空气钻进技术

多工艺空气钻进技术主要是利用压缩空气或压缩空气的气液混合物作为钻进时的循环冲洗介质和破岩动力,主要包括气动潜孔锤钻进技术、气举反循环钻进技术、空气泡沫钻进技术等。经过多年的研究发展,取得了一系列的成果,在抗旱找水中发挥了积极的作用,并推动了钻探技术的进步。

反循环气动潜孔锤

PMB30、50、80泡沫泵及配套管路系统

空气钻探用ADF-1型泡沫剂

煤层气钻进空气、水用扩穴钻头

发展液动冲击回转钻探技术,钻得更稳

液动冲击回转钻探技术是采用泥浆驱动液动锤对回转的钻头施加高频冲击作用,使得硬岩钻进速度和回次长度大幅增加,液动锤是该技术的核心机具。

近年来,勘探技术研究所研发的YZX系列液动锤突破传统理论,创新提出了新的复合阀式液动锤的结构;通过结构和参数的创新,简化了结构,整机零件由27个减少至12个,并实现了在恶劣环境下的长时间稳定工作,不更换零件连续工作时间由原来最长10多小时达到了40小时以上。目前,我国已成为液动冲击回转钻进技术应用普及程度和使用效果最好的国家,累计销售超过2000台套,进尺超过400万米,研究和应用处于国际领先水平。

在中国大陆科学钻探工程一井(CCSD-1)实施期间开发的YZX127新型液动锤基础上,开发出SYZX系列绳索液动锤在岩心钻探领域得到了广泛应用,最大应用井深达到4006.7m(山东金矿科学钻探工程),平均回次进尺提高了30%~50%,特别破碎地层提高150%~220%,钻头寿命平均延长20m,效率提高60%,台月效率提高56%。

液动锤相关发明专利、获奖证书

网站编辑:宫莉

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