创新驱动发展科技引领未来

2021.10.21 中国矿业报

　　——中国地质调查局北京探矿工程研究所科技成果简介

　　北京探矿工程研究所成立于1957年，为中国地质调查局直属事业单位，主要承担钻探理论研究和前沿技术工艺与装备研发，承担深地深海探测、能源资源调查和浅层绿色勘查的钻探任务与工程示范，开展钻探科技成果转化与推广应用，向社会提供公益性服务。该所自成立以来，获得国家科技进步一等奖、二等奖各1项、部级科技进步奖50余项，获得专利、软件著作权等119项。

　　牵头制订的《浅层取样钻探技术规程》、《地质岩心钻探金刚石钻头检测规范》和《地质岩心钻探金刚石扩孔器检测规范》3项行业标准，获自然资源部批准发布。

　　“十三五”期间，涌现出了一批国际先进、国内领先的科技成果:成功突破海域天然气水合物保温保压取芯“卡脖子”技术，实现了海域天然气水合物保温保压取样技术装备国产化；研发了用于复杂地层条件的系列冲洗液与堵漏核心技术，地质钻探钻井液理论与技术处于国内领先水平。全面攻关硬岩孕镶金刚石钻头关键技术，打破国外技术垄断。自主研制首台4000m永磁电动钻机，有效推动绿色勘查和自动化钻探技术装备的发展。成功研制国内首台超高温高压钻井液流变仪，打破了欧美国家对高端钻井液流变仪的技术垄断。优势技术成果广泛应用于“一带一路”、京津冀协同发展、粤港澳大湾区建设、雄安新区地热资源、绿色勘查等国家、部局重大工程，取得了比较好的社会和经济效益。

　　浅覆盖区绿色勘查技术

　　北京探矿工程研究所聚焦自然资源综合调查、监测、治理和国家重大工程等浅层绿色钻探的需求，重点开展了便携式取样钻机、模块化取芯钻机、绿色勘查钻探技术方法研发，形成了6个系列的取芯（样）装备、多种施工工艺和多套浅钻地质调查方法的浅层钻探技术体系，并相继在300m以浅覆盖区和生态脆弱区，广泛应用于生态环境调查、土地质量调查、海岸带地质调查、浅覆盖区化探测量、地质灾害调查、考古调查、湿地调查、浅表层工程勘察等工作领域。

　　2020年以来，采用遥感解译、低空无人机测量、地表验证和浅钻取样查证相结合的工作方法，高质量完成大兴安岭森林沼泽及邻近沙地草原生态脆弱区21个泥炭斑块调查取样和边界圈定工作，全面完成项目泥炭调查任务。探索了1m以深泥炭层调查方法，为该地区泥炭沼泽碳库调查提供了数据和技术支撑。

　　2021年，新研发便携式电动取样钻机，首次将锂离子电池储能技术应用于浅层取样钻机的研发，能够实现10m以浅松散沉积物与基岩的取样，该钻机携带方便，组装简易，可提供手持式或支架式两款机型；实现了浅钻调查零碳排，更绿色、更经济、更安全。该钻机可以实现回转和冲击钻进两种钻进工艺，解决了山区、林草等特殊地质地貌区防火期内调查的取样难题，促进了绿色勘查技术发展。

　　便携式浅层钻机在湿地沼泽区进行泥炭调查

　　钻井液技术

　　北京探矿工程研究所是国内最早专业从事钻井液技术研究的单位之一。从20世纪60年代开始，一直致力于为国家重大工程提供钻井液技术支撑，有效服务了我国第一口超高温（329.8℃）地热井ZK4002—西藏羊八井钻探、中国大陆科学钻探、汶川地震科学钻探、南黄海大陆架科学钻探、雄安新区和青海共和干热岩钻探等重大工程。先后完成了40余个国家级和省部级项目研究，获全国科学大会奖等国家级、部级奖励12项，获国家发明专利12项，实用新型专利2项，国家级新产品2项（广谱护壁剂、多功能剂），出版专著2部。现有泥浆实验楼和中试车间3000多m2，设有新材料合成室、高温钻井液实验室、海洋钻井液实验室、环保钻井液实验室及防漏堵漏实验室等，拥有国内外各种先进的合成及检测仪器100余台套。

　　超高温水基钻井液技术服务青海共和干热岩GR1井和GH-03井，其中，GR1井完钻深度3705m，井底温度236℃，是我国首次钻获埋藏最浅温度最高的干热岩体；绿色环保钻井液技术应用于川藏铁路定测地质勘察和“西十”高铁隧道孔施工，助力国家基础设施建设；成膜护壁护心钻井液技术应用于广西柳州东塘1井等页岩气钻探，助力页岩气勘查等；溶蚀性地层护壁护心技术应用于老挝万象、刚果（布）等钾盐钻探工程，成功代替油基钻井液，获取含光卤石和溢晶石完整岩心，服务“一带一路”国家矿产资源勘查；羽状水平井环保钻井液技术应用于邯郸、淮南等数十个煤矿防突水羽状多分支水平井，支撑服务矿山生态修复和治理工程；海水钻井液技术支撑服务南黄海大陆架科学钻探工程CSDP-02孔，完钻深度2843.13m，创海洋地球科学钻探全孔取芯孔深世界纪录；地质钻探堵漏技术已在山西、甘肃、吉林等多个金属矿区进行了现场应用，不仅堵漏成功率高，还对破碎地层孔壁具有显著的护壁效果。

　　超高温水基钻井液技术在青海共和干热岩GR1井应用

　　废泥浆池中长出的植物

　　环保钻井液技术在淮南张集煤矿区羽状多分支水平井应用

　　绿色环保钻井液技术在“西十”高铁马白山隧道勘查孔应用

　　老挝万象钾盐钻探工程中二盐钻井液取出的含溢晶石矿体岩心

　　海水钻井液技术在南黄海大陆架科学钻探工程应用

　　超高温高压流变仪

　　北京探矿工程研究所创新研发了非接触式外环强力磁耦合旋转驱动系统和非接触式精密粘度测量系统，从根本上攻克了传统密封系统在高温高压动态三重条件下寿命短的难题。具有完全自主知识产权的测控软件系统，可设置转速、温度、压力、时长等参数，可实时显示和保存测试结果，手动和自动两种工作模式、中文和英文操作界面可在线实时切换。在青海共和干热岩钻探过程中，利用超高温高压流变仪在现场测试了多个钻井液样品在高温高压环境下的流变性，为优化钻井液配方提供了科学依据，保障了钻探工程安全、高效实施。

　　深部硬岩金刚石钻头提速技术

　　北京探矿工程研究所研制金刚石钻头始于20世纪60年代，曾参与大陆科学钻探、汶川科钻、南海天然气水合物试采、雄安地热等多项国家重大工程项目，获得国家专利近10项，国家重点新产品2项，获部级科学技术奖2项。所形成的硬岩高效金刚石钻头技术，广泛服务于科学钻探、海洋、能源勘探、地质矿产等领域，大幅提高了硬岩钻探施工效率，引领了我国硬岩钻探技术的高速发展。

　　一、NR826M复合镶齿刀翼式金刚石全面钻头

　　针对3000m以深可钻性差、高研磨性地层，传统牙轮和PDC 钻头无法钻进或钻进效率极低难题，北京探矿工程研究所科研团队深入分析地层资料，科学把握技术要点，突破高温胎体成型、高温保径等多项技术瓶颈，成功研制出了拥有自主知识产权的NR826M复合镶齿刀翼式金刚石全面钻头（ZL201210304454.9），配合井底动力（螺杆或涡轮）钻进，平均寿命达到牙轮钻头的3~8 倍，打破了国外技术垄断，实现了高端金刚石钻头的国产化。钻头在四川元坝气田、新疆塔里木油田、吉林油田以及雄安地热等重大工程应用，所钻地层有自流井组珍珠冲含砾地层、高研磨性须家河地层，沧浪铺地层，新疆塔里木油田巨厚砾石层，新疆准噶尔盆地哈山山前构造玄武岩地层、玉东区块开派兹雷克组玄武岩地层，松辽盆地梨树断陷中央构造带营城组砂泥岩地层等等，配合螺杆或涡轮钻进取得了显著效果，为深部能源高效勘探开发提供了强有力技术支撑。

　　NR826M系列金刚石全面钻头

　　1.NR826M全面金刚石钻头在新疆博孜区块应用效果

　　新疆塔里木油田博孜1区块102-4井井深超6000m，上部巨厚砾岩层，厚度超2000m，地层可钻性差，机械钻速低。创新研发出新型NR826M大直径金刚石全面钻头，匹配高速涡轮成功进行了钻进应用，有效解决了高速涡轮钻进普遍存在的外保径磨损严重的技术难题。钻头与美国史密斯和国民油井钻头相比性能相当，钻头费用仅为国外钻头的50%，大大降低了钻井成本。

　　2.NR826M全面金刚石钻头在四川元深1井应用效果

　　元深1井设计井深8680m，是中国南方海相最深井，位于四川盆地川北坳陷九龙山背斜南西翼。该区块的须家河组细砂岩层可钻性极差，机械钻速低。钻井设计指出，进口涡轮+进口孕镶金刚石钻头提速是本井成败之关键，然而经过技术协商，采用探矿工程所创新研发的16英寸NR826M新型金刚石全面钻头，进尺最高达274.96m，机械钻速最高达1.45m/h，显著降本增效，为我国南部深层油气田类似地层钻井提供了高效国产解决方案。

　　二、高效耐冲击尖圆齿PDC取芯钻头技术

　　针对新疆吉木萨尔油田勘探过程中钻遇弹塑性地层、取芯钻进速率慢、取芯率低的难题，北京探矿工程研究所研制的PC1316M-JY高效耐冲击金刚石复合片取芯钻头，配合自主研制的长筒取芯钻具，在我国最大的页岩油油田-吉木萨尔油田勘探过程中钻遇弹塑性地层，取芯钻进速率慢、取芯率低。成功实现了弹塑性地层取芯提速。钻头单支机械钻速较其他厂家钻头提高2.4～3.1倍，创造了该区块两项纪录：取芯钻进最高机械钻速（1.02m/h）及最长单回次取芯进尺（21.1m）。

　　钻头及岩芯

　　三、隔水底喷高效硬岩金刚石取芯钻头技术

　　青海共和干热岩为火成岩构造，岩石坚硬、研磨性强、可钻性差，尤其在破碎带取芯困难。针对该地层研制的隔水底喷高效硬岩取芯钻头配合自研长筒取芯钻具，成功完成两次破碎带长筒高效取芯，取芯收获率均为100%，两次创造并打破了该地区破碎带单趟钻国内进尺纪录。

　　钻头及岩芯

　　四、硬岩高效斜齿金刚石取芯钻头技术

　　水平井硬岩（砾岩油、花岗岩等）钻探在低压高转速条件下，钻头往往唇面抛光而难以有效进尺。对此，探矿工程所研制了硬岩高效斜齿金刚石取芯钻头。通过纳米稀土改性增韧、偏心切削结构及非均质工作层强化技术，有效解决了该问题。钻头在新疆玛湖致密砾岩油水平长井段钻进取芯，使用效果显著。八寸半取芯钻头单支最高进尺75.9m，平均机械钻速达到0.7m/h。

　　钻头及岩芯

　　地质钻探钻井液固控系统

　　北京探矿工程研究所研发的地质钻探钻井液固控系统适用于陆域、海洋资源勘探开发，形成了钻井液循环处理系统、钻井液离心机、振动筛、钻井液清洁器、冷却系统等系列设备，满足钻探过程中对钻井液进行固相控制、循环利用及无害化处理的需求，使之达到环保排放标准，满足绿色勘查要求。

　　1.“国家重点新产品”——地质钻探钻井液离心机

　　采用单电机模块化、双螺旋逆向结构设计，可及时清除钻井液中2μm及以上固相颗粒，适应不同钻井液处理需求，有效提高钻进效率，降低钻探成本，大幅减少废浆排放，满足节能环保要求。

　　TGLW钻井液离心机

　　2.泥浆清洁器:泥浆清洁器结合水力旋流器与振动筛的优势，可在较大范围内调整固相清除能力，清除20至74μm固相。

　　QJQ泥浆清洁器

　　3.循环处理系统：通过结合不同固控设备优势及罐体组合形成循环处理系统，简化工艺流程，满足不同地层特性和钻探工艺需求。

　　钻井液固控循环处理系统

　　轻便、低耗、模块化设计的固控系统，替代了自然沉降的落后方法，改变了废浆无法重复利用和环境污染严重的现状；加快了绳索取芯、孔底动力等工艺方法的推广应用；推动了地质钻探钻井液处理技术创新和进步，为绿色勘查提供了技术保障。

　　新一代永磁直驱电动钻机

　　近十年来，北京探矿工程研究所依托国家重大科研项目平台，研发的永磁直驱电动系列钻机，已获得5项专利，全面满足了钻探工程绿色环保施工要求。

　　永磁直驱电动钻机的提升系统和回转系统采用稀土永磁电机直接驱动，结构简单，重量轻。具备无摩擦刹车、随时悬停、无齿轮传动、硬岩钻进时超低速精准送钻等技术优势。可实现提下钻、送钻功能一体化，并可将下钻时钻具的势能，通过永磁电机发电回馈到电网中或储存到电容中。

　　永磁直驱电动钻机的控制系统采用一体化控制，多界面集成控制，人机交互友好，操作简单可靠，同时也为电动钻机后续的智能升级提供扩展平台，适应行业新趋势。

　　永磁直驱电动钻机已在国内多地陆域页岩气、地热等非常规能源深部钻探工程中进行广泛应用：2015年支撑完成浙江临安页岩气钻探工程任务，完钻井深2328.18m；2017-2018年支撑完成东南沿海惠州地热钻探工程任务，完钻井深3009.17m，获取127℃高温地热；2019年服务雄安新区地热井钻探工程，完钻井深1812.13m；2021年服务淮南张集煤矿开采底板灰岩水害地面区域探查治理工程（1期），目前完成累计进尺9000m。整机系统展现了绿色环保、结构先进、精确送钻、智能控制等优势和特点。

　　ZJ40DBZ钻机司钻控制系统

　　ZJ40DBZ钻机服务张集煤矿水害治理工程

　　海域天然气水合物保温保压取样技术

　　在海域天然气水合物资源勘查中，保温保压取样技术一直被国外技术封锁，为了冲破垄断，北京探矿工程研究所组织精干力量开展了一系列技术攻关，研发出了具有自主知识产权的海域天然气水合物保温保压取样技术。

　　高压密封技术，研发了翻板密封机构和自动球阀机构来实现对样品管的有效密封，在打捞时通过机械差动触发机构关闭，实现对样品管的有效密封。蓄能补压技术，研发的压力补偿装置能够根据岩心管内压力变化，自动给予压力补偿，保持样品原位压力。耐高压保温技术，研发了耐高压真空双层保温样品管，采用网状支撑结构提高抗压强度，喷涂隔热保温涂层，隔绝样品与外界的热量交换，保持样品原位温度。低扰动PDC取样钻头技术，通过对钻头结构进行优化设计，减小对样品的扰动，实现在井底平稳回转钻取样品。对绳索打捞和悬挂系统、钻具连接方式、内取样管差动机构等也进行了优化设计，对保温保压取样工艺开展了研究，实现了安全、高效、高质量的取样过程。

　　海域天然气水合物保温保压取样钻具主要有两种：冲击式保温保压取样钻具和回转式保温保压取样钻具。

　　海域天然气水合物保温保压取样钻具外管总成

　　冲击式保温保压取样钻具

　　回转式保温保压取样钻具

　　冲击式保温保压取样钻具适用于软-中硬地层，能够满足2000m以内（水深+钻深）天然气水合物地质样品的高质量采获，样品直径为52mm。2015年，该型钻具在南海北部陆坡水深1300m海域圆满完成我国首次自主实施的海域天然气水合物保温保压钻探取样任务，采获深海底部天然气水合物样品并成功点火，钻具的保压成功率、岩心采取率等关键技术指标均达到国外同类钻具水平。

　　采获的保压样品红外扫描图及现场集气点火

　　回转式保温保压取样钻具适用于中硬—硬地层，能够满足水深2500m、海底以下500m天然气水合物地质样品的高质量采获，样品直径为51mm。2019年，该型钻具在我国南海水深786m海域成功钻获海底水合物地质样品，并点火成功，钻具的球阀关闭率、保压成功率达到100%，岩心采取率等关键技术指标均已超过国外同类钻具水平。