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做新時代地質鉆探裝備與技術研發的領航者

——慶祝局勘探技術研究所成立六十周年

來源:中國國土資源報 作者:高慧麗 發布時間:2017-11-29

SYZX系列繩索取芯液動錘

3500米全液壓地質巖芯鉆機在山東招遠金礦進行勘探

 

今年是中國地質調查局勘探技術研究所成立60周年。

60年,一甲子,歲月崢嶸,成就輝煌。

作為我國第一家探礦工程專業科學研究機構,中國地質調查局勘探技術研究所以地質鉆探裝備與工藝技術的研發和推廣應用為核心工作,通過引進消化吸收再創新、集成創新、原始創新等,60年來交了一份閃亮的成績單——累計完成重要科研成果500多項,150余項獲國家、省部級以上獎勵。其中,國家科學技術進步一等獎1項、二等獎2項,國家創造發明獎和新產品獎6項,省部級科技成果一等獎10項、二等獎34項;擁有國家專利93項,中國專利優秀獎4項。如今,勘探所已成為我國地質裝備與技術研發的領航者。

我國成立首個探礦工程科研機構,開啟國產鉆探裝備自主研發新征程

新中國成立之初,國家確定了地質工作“大發展,大轉變”的戰略方針。探礦工程作為地質工作的重要手段,其技術基礎卻很薄弱。在上世紀50年代初期,當時國外的巖芯鉆探已普遍推行金剛石鉆探技術,而國內仍是“硬質合金、鐵砂加鋼粒”鉆進,鉆探設備主要是從前蘇聯和瑞典進口的低轉速手把式和油壓鉆機。1956年,我國第一個五年計劃進入實施的第四個年頭,工農業大發展,急需各種礦產資源、能源、水資源。集中力量發展探礦工程技術的呼聲也越來越高。

1957年1月,原地質部組建的我國第一個從事探礦工程專業研究的科研機構——地質部勘探技術研究所(以下簡稱“勘探所”)成立了。我國地質勘探裝備自主研發的新征程由此開啟。

建所初期,為發展適合我國國情的勘探設備,勘探所在國內最先開始了探礦工程小型設備和機具的研制工作,隨后,巖芯鉆機、物探鉆機、坑道鉆機、工程地質鉆機、反循環水井鉆機等,及其配套泥漿泵、鉆塔等的研制工作全面鋪開。在建所后的10年間,勘探所開展了多項探礦工程領域的開創性工作。比如:率先成功研制了我國第一套地質巖芯鉆機;用液動錘首次進行全孔反循環取芯試驗,并獲成功;在國內最早開展了天然金剛石表鑲和孕鑲鉆頭的研制工作,并利用冷壓浸漬法制造成功……通過10年努力,我國的地質勘探裝備開始自給,探礦技術水平空前提高,使得白云鄂博、大冶鐵礦,白銀廠多金屬礦,淮北、平頂山煤礦等大型礦產基地和多個水利資源勘探進程大大加快。

與鋼粒鉆進相比,金鋼石鉆進具有效率高、質量好、消耗低和操作輕便等優點。1960年,勘探所開始了天然金剛石鉆頭制造工藝研究,次年便試制成功我國第一批天然金剛石鉆頭和擴孔器。由于我國天然金剛石產量少,價格昂貴,生產難度大,為天然金剛石鉆頭廣泛使用增加了難度。1969年,勘探所開始了人造金剛石鉆頭的研究,并于1974年首次進行了小口徑人造孕鑲金剛石鉆進技術配套試驗。隨后,勘探所與河南省地質局合作,在河南地質九隊午陽鐵礦區第一次打出人造孕鑲金剛石鉆頭的高水平。1975年,小口徑鉆探技術又進行了第二輪配套試驗。到70年代末,我國僅用20年左右的時間走完了國外金剛石鉆探技術發展所經歷的100多年的歷程。

此外,在工程地質鉆探和水文水井鉆探領域的設備研究也屢戰告捷,坑探掘進技術和試驗室選礦設備研究提交了多項有價值的科研成果。巖芯鉆探從手把式低速鉆機、大口徑硬質合金和鋼粒鉆進,向液壓式高速鉆機、小口徑金剛石鉆進發展;工程地質和水文水井鉆探設備,實現了多樣化,鉆進工藝日趨完善;坑探工程開始從手工作業向半機械化、機械化邁進。我國地質鉆探和坑探工作從此朝著趕超世界先進水平的方向邁上了一個新臺階。

鉆探服務領域擴大,鉆探技術向多領域、多工藝和科學化發展

隨著改革開放的逐步深入和國民經濟的高速發展,我國鉆探技術開始向多領域、多工藝和科學化發展。

20世紀70年代前的鉆探技術,主要用于地質找礦和地下資源開采,而進入80年代,則應用到工農業建設和國防建設的各個方面。比如:山東青島海上柔桿電鉆炸礁工程,西藏羊八井地熱開采,廣東珠江口番禹大橋基樁施工,北京、廊坊等地的定向穿越馬路、建筑物的非開挖鋪管工程施工,以及北京十三陵蓄能電站錨固工程施工等。

根據市場急需,勘探所以《螺桿鉆受控定向鉆探技術》成果為依托,1991年開始了采鹵對接井鉆井技術研究,與湖南省地礦局、湘衡鹽礦一起完成了兩對對接井施工,到1995年末,共完成5對對接井,成功率達到100%。兩井高精度直接對接成功,使我國水溶采礦技術進入了世界前列。鹽業系統的老專家說:“這項技術開發成功,解決了我們幾十年想解決而未解決的問題。”該技術的成功,不僅為鹽業提供了一條低投入、高產出的途徑,也為勘探所科研成果的轉化提供了重要經驗。

80年代初,為了滿足各種高層建筑、高速公路、橋梁等基樁工程施工的需要,勘探所率先在國內研制大口徑工程施工裝備與技術配套,研制了GJD工程鉆機、CG型全套管施工設備、大口徑無循環施工機具與技術,以及大口徑樁檢測儀,目前已經形成了系列成套設備、器具及配套工藝,其中大口徑無循環鉆探技術在青藏鐵路建設施工中發揮了重要作用。

1993年,勘探所針對廣泛用于市政、電訊、電力、煤氣、自來水、熱力等管線施工工程的“定向鉆進非開挖鋪設地下管線技術”進行立項研究。1994年,第一條非開挖鋪設的管道順利完成。到1997年,勘探所自行研制成兩種型號的非開挖鉆具和器具,并用此設備完成了70多條管線鋪設工程,包括穿越公路、鐵路、首都機場飛機跑道和建筑物等,至目前已形成高效環保的GBS系列(5T-320T)鉆機及配套施工技術體系。

沖擊回轉鉆探技術在硬巖鉆進中具有較高鉆進效率。勘探所是我國首個開展液動沖擊回轉鉆探技術研究的單位,至今仍在堅持這項研究。勘探所最初研制成功的5個系列的液動潛孔錘,品種達20多個,幾乎涵蓋了全部鉆孔口徑。后續又開發出了更大口徑的、嵌巖樁鉆進用的ZC-800型液動潛孔錘。勘探所的這一成果在國外引起了廣泛關注,吸引了日本、德國、英國、俄羅斯、澳大利亞、古巴、泰國、越南等國家的專家前來考察。德國、澳大利亞、加拿大等在鉆探技術方面比較先進的公司先后從勘探所購置了液動錘。該成果在英國權威雜志的《地質鉆探》1995年第5期一經發表,有10個國家的13家公司來電來信索取資料和要求報價購置。

隨著鉆探技術服務領域的擴大,鉆探工程面臨的地質條件越復雜,施工難度也越大。如何提高鉆探效率、保證質量、降低成本?勘探所根據生產需要及施工條件,將新技術、新方法進行配套,先后研發了小口徑金剛石巖芯鉆探、井底動力鉆探、空氣鉆探、水力反循環鉆探、大口徑基樁孔施工等工藝。勘探所實施的原地質部“八五”攻關項目《中心取樣地質鉆探新技術》《液壓頂驅式車裝鉆機》及《CD-3型巖芯鉆機》,結束了我國鉆探方法單一的局面,使我國鉆探技術的整體水平有了較大幅度的提升。與此同時,勘探所還與各有關探礦機械廠共同合作,使常用鉆探設備基本上實現了標準化、系列化和國產化。

鉆探技術迎來發展新機遇,科學鉆探體系進一步豐富

1999年,新一輪國土資源大調查開始實施。地質、礦產及資源勘查鉆探技術的應用迎來新的發展機遇和更廣闊的發展舞臺。

在地質大調查項目、科技部“863”項目和危機礦山專項項目的支持下,勘探所完成了2000米全液壓巖芯鉆機及配套設備的研究,并在山東乳山金青頂金礦區完成了終孔深度達2212.80米(Φ76毫米 N級口徑)示范孔的工程施工,創造了國內H級繩索取芯鉆進深度及巖芯鉆探套管應用深度的兩項最深紀錄。用自主研發的XJY-850無縫合金鋼管材制作的Φ73毫米、Φ89毫米繩索取芯鉆桿,在示范孔施工期間未發生孔內鉆桿事故,標志著我國2000米地質巖芯鉆探技術體系已基本形成,同時也結束了我國2000米以深鉆孔繩索取芯鉆桿依靠進口的局面。

全液壓動力頭鉆機具有取芯鉆進效率高和安全性高的特點,尤其在斜孔施工方面極其方便,可提高鉆探質量。勘探所開發的YDX系列全液壓巖芯鉆機的所有功能均為液壓驅動,操控精準便捷,與傳統的立軸式鉆機相比,取芯作業的效率及安全性大大增加,鉆機采用模塊化設計、先進的高轉速動力頭設計、負荷敏感控制液壓系統等部件設計,提高了鉆探工作效率,減輕了工人的體力勞動,提高了鉆機工作可靠性。勘探所先后完成了300米、600米、1000米、1500米和2000米系列鉆機的設計開發,并出口到澳大利亞、俄羅斯、吉爾吉斯斯坦、蒙古等國。

在地調項目的支持下,勘探所研發的高精度定向對接中靶系統——“慧磁”系統,實現了地下導航高精度定向技術的重大突破,也使得我國成為繼美國之后第二個擁有此項技術的國家。從2003年開始,勘探所與中國機械進出口總公司合作,實施了土耳其BEYPAZARI天然堿采集鹵項目鉆井工程,到2010年12月共完成了56口井的定向鉆井,獲得了土耳其業主公司的高度評價。通過土耳其天然堿工程的實施,勘探所實現了從兩井對接連通到多井對接連通的技術跨越。

2001年4月18日,受國內外地學專家高度關注的中國大陸科學鉆探工程在江蘇省東海縣破土動工。該井井深達5158米,孔徑256毫米。針對科鉆工程中硬巖深井連續取芯鉆進技術難題,勘探所完成了液動潛孔錘理論及工作原理的創新,攻克了液動潛孔錘零件設計、選材及加工方面的多項工程技術難題,配套開展了全面沖擊回轉鉆進、繩索取芯鉆進、液動潛孔錘跟管鉆進、螺桿馬達液動潛孔錘提鉆取芯鉆進及螺桿馬達+液動潛孔錘+繩索取芯三合一鉆進等配套工藝的研究,至2008年底基本完成了YZX系列液動潛孔錘及其配套工藝技術的研究與開發。科鉆一井的統計數據表明,采用液動錘鉆進施工,鉆進效率提高54%,延長回次進尺178%,大幅度減少了施工周期、降低了施工成本,為科鉆一井的順利完成發揮了重要作用,并創造了單孔應用進尺和使用深度兩項世界紀錄,使我國的液動錘技術達到了國際領先水平。目前,YZX系列鉆具已經成為國內外市場上實現規模化應用程度最高的產品,不斷刷新的液動沖擊回轉鉆進技術應用孔深和累計使用進尺等世界紀錄,使我國在該領域的研究應用水平站在了世界之巔。

2007年10月22日,勘探所承擔的松遼盆地“松科一井”主井(北井)鉆探工程順利完鉆。這口深達1810米的科學探井,以取芯鉆進1630米、巖芯直徑92毫米、巖芯采取率94.59%的技術成果,為中國乃至世界的環境地質科學研究提供了豐富詳實的必要信息。該井在實施過程中,綜合運用水源鉆探設備、巖芯鉆探技術與石油鉆井技術,為在復雜沉積地層環境中進行低成本鉆探探索了一條成功之路。2014年,勘探所又牽頭組織實施了“松科二井”科學鉆探工程,目前進展順利。

2008年至今,勘探所又以骨干成員單位參與了汶川地震斷裂帶科學鉆探工程(WFSD)。期間,勘探所研制的深孔復雜地層取芯鉆具和長半合管取芯技術,在提高高應力極破碎復雜地層的巖芯采取率、巖芯質量和復雜地層深部綜合鉆探效率等方面發揮了重要作用。其中,9米超長半合管的應用創世界紀錄。

大力推進科技創新,多項鉆探技術領跑世界

隨著找礦突破戰略行動、生態文明建設、國土資源“三深一土”科技戰略的推進,中國地質調查工作更加聚焦國家重大需求和國土資源中心工作,更加關注重大資源環境問題和地球系統科學問題。勘探所按照中國地質調查局黨組確立的建設世界一流新型地調局的目標,充分發揮科技創新的引領支撐作用,強力推進科技進步、人才成長和團隊建設,自主研發了一批高精尖鉆探技術設備,使我國在多個鉆探領域領跑世界。

勘探所承擔的《2000米以內全液壓地質巖芯鉆探裝備及關鍵器具》項目,針對我國地質巖芯鉆探技術與裝備落后的狀況,對全液壓巖芯鉆機及地質巖芯鉆探關鍵器具進行了全面技術攻關,先后研制了系列全液壓巖芯鉆機、高強度鉆探管材和繩索取芯鉆桿、高效液動錘、新型事故處理工具等關鍵技術裝備,突破了嚴重制約我國地質勘探工作發展的技術瓶頸,從而建立起我國2000米以內地質巖芯鉆探技術體系,也使得我國由全液壓巖芯鉆機、高性能繩索鉆桿進口國一躍成為出口國。2015年,該項成果獲得了國家科學技術進步二等獎。

勘探所還自主研發了用于深部礦產資源勘查的3500米全液壓巖芯鉆探裝備。該裝備具有較高的機械化、自動化水平,配套高精度儀表及鉆參系統,滿足金剛石繩索取芯、沖擊回轉、定向鉆進等深孔地質鉆探工藝要求,既可用于深孔巖芯鉆進,也可用于我國淺部石油勘探,以及新興能源如煤層氣、頁巖氣、干熱巖等的勘探,既可以打叢式井,又可以鉆進定向孔。目前,該鉆機正在深部地質找礦和油氣資源調查中發揮作用。此外,勘探所還研發了大型車載深井鉆機、全回轉套管鉆機、反循環取樣鉆探裝備、地質勘查深孔用高強度鋁合金鉆桿、輕便巖芯鉆機、渦輪取芯鉆進系統、大口徑長鉆程同徑取芯技術等,填補了國內多項鉆探領域的技術空白。

鉆探過程中,孔壁坍塌、掉塊、溶洞、漏失等孔內事故時有發生。針對此種情況,勘探所開展了76毫米和96毫米規格的小口徑地質鉆探波紋管護壁技術研究,攻克了小口徑膨脹波紋管成形技術、膨脹波紋管懸掛錨固技術和多根膨脹管對接技術等三大關鍵技術難題,填補了該技術領域的世界空白。該技術能有效解決深部地質鉆探施工中的孔壁坍塌、掉塊、溶洞、漏失等孔內事故,其處理效果相比傳統泥漿調配、水泥造壁等更加可靠安全,同時簡化了鉆孔結構、優化套管級數,大大降低了鉆探成本,被譽為21世紀國際鉆探工程領域的核心技術之一、小口徑鉆孔的“血管支架”。該技術在廣西、山東、甘肅、福州等地進行了現場應用,完成了地質巖芯鉆探超深孔護壁、長距離連續護壁、頁巖氣孔護壁、大斜度鉆孔等不同類型的護壁任務,單次護壁長達21米,護壁深度達到2000余米。

自從2003年開始勘探所用自有技術在土耳其從事對接井工程,取得了土方業主的高度認可。鑒于勘探所與土耳其業主在工作中建立了良好的合作關系,2014年勘探所作為獨立承包商簽訂了貝帕扎里天然堿礦鉆井工程四、五期合同,共計145口井。2015年9月10日,由勘探所承擔的土耳其卡贊天然堿地下工程開鉆,標志著世界上最大規模的對接井水溶采集鹵工程正式拉開序幕,該項目計劃在2015年~2018年施工74個采鹵水平井組,單井總數達222口。勘探所運用“慧磁”技術創造性地設計并實現了多井組的連通,真正使得地下“穿針引線”技術成為了現實;在施工中大膽創新,克服了地層結構復雜、地磁場異常、地層破碎嚴重等困難,積累了處理復雜問題的豐富經驗。

60年風雨路,勘探所人用聰明才智和心血汗水鑄就了一座座功績累累的豐碑。在前期研究成果的基礎上,近些年來,勘探所取得了4項國際領先技術成果:高精度對接連通井技術、液動沖擊回轉鉆探技術、大口徑長筒取芯鉆探技術與小口徑膨脹波紋管護壁技術;1項國際先進鉆探技術體系:2000米以內地質巖芯鉆探技術體系;2項國內領先技術:3500米全液壓地質巖芯鉆機與車載全液壓深井鉆機;實施了4項科學鉆探工程:牽頭實施“松科二井”工程、承擔“松科一井”主孔工程施工作業、為中國大陸科鉆一井工程提供核心鉆探技術、為汶川地震科學鉆探工程提供極破碎地層取芯技術。

步入新時代,繼續為鉆探技術裝備研發貢獻中國力量

黨的十九大召開,中國特色社會主義步入新時代。新時代,世界抱以新期待。

步入新時代,勘探所將繼續為鉆探技術裝備研發貢獻中國力量:一是制定1.3萬米科學超深井鉆探技術方案。圍繞國家實施科學超深井的需求,對實施我國超萬米科學鉆探工程的相關技術與裝備研究開發提出了系統建議,形成一套滿足1.3萬米科學超深井的鉆探技術方案,為我國入地計劃的實施打下了基礎,為超深井關鍵技術研究指明了方向。二是進行海域天然氣水合物開采技術探索。針對海域天然氣水合物開采面臨的粉砂質地層低滲、松散無膠結等問題,綜合應用水平井施工技術、多介質反循環鉆探技術、定向對接連通井技術等,探索超大直徑井眼擴徑砂礫充填完井、水平井砂礫充填完井及對接井完井等技術,以實現增大產層接觸面積、控制涌砂、抑制粉砂運移、舉升排沙等目標,力爭解決我國及世界海域天然氣水合物開采的關鍵技術難題。三是拓展“慧磁”系統在地下熱能開發的應用;“慧磁”系統為定向井提供關鍵技術保障,確保井組的平行,解決地熱勘查開發關鍵技術難題,為最后熱儲層的壓裂提供有利條件。四是拓展“慧磁”系統在礦山救援井的應用。勘探所創新提出了一套利用“慧磁”系統進行井下被困人員的定位和救援孔定向引導技術方案:在礦山井下預設磁信標裝置,礦難發生后可由被困人員啟動,磁信標可連續30天以上向外發射磁場信號,用于提示井下存活人員及所處位置,并精確引導地面救援孔鉆入被困區域,提高救援效果和效率,為礦山搶險救援提供了一種高科技手段。

六十載崢嶸歲月,筆墨春秋著華章;六十年風雨征程,薪火相傳見精神。勘探所將在支撐服務國家重大需求和國土資源中心工作的大路上勇往直前,繼續在高精尖勘探裝備和技術領域的研發領先國內,力爭實現部分技術與世界水平并跑或領跑。

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