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做新时代地质钻探装备与技术研发的领航者

——庆祝局勘探技术研究所成立六十周年

来源:中国国土资源报 作者:高慧丽 发布时间:2017-11-29

SYZX系列绳索取芯液动锤

3500米全液压地质岩芯钻机在山东招远金矿进行勘探

 

今年是中国地质调查局勘探技术研究所成立60周年。

60年,一甲子,岁月峥嵘,成就辉煌。

作为我国第一家探矿工程专业科学研究机构,中国地质调查局勘探技术研究所以地质钻探装备与工艺技术的研发和推广应用为核心工作,通过引进消化吸收再创新、集成创新、原始创新等,60年来交了一份闪亮的成绩单——累计完成重要科研成果500多项,150余项获国家、省部级以上奖励。其中,国家科学技术进步一等奖1项、二等奖2项,国家创造发明奖和新产品奖6项,省部级科技成果一等奖10项、二等奖34项;拥有国家专利93项,中国专利优秀奖4项。如今,勘探所已成为我国地质装备与技术研发的领航者。

我国成立首个探矿工程科研机构,开启国产钻探装备自主研发新征程

新中国成立之初,国家确定了地质工作“大发展,大转变”的战略方针。探矿工程作为地质工作的重要手段,其技术基础却很薄弱。在上世纪50年代初期,当时国外的岩芯钻探已普遍推行金刚石钻探技术,而国内仍是“硬质合金、铁砂加钢粒”钻进,钻探设备主要是从前苏联和瑞典进口的低转速手把式和油压钻机。1956年,我国第一个五年计划进入实施的第四个年头,工农业大发展,急需各种矿产资源、能源、水资源。集中力量发展探矿工程技术的呼声也越来越高。

1957年1月,原地质部组建的我国第一个?#37038;?#25506;矿工程专业研究的科研机构——地质部勘探技术研究所(以下简称“勘探所?#20445;?#25104;立了。我国地质勘探装备自主研发的新征程由此开启。

建所初期,为发展适合我国国情的勘探设备,勘探所在国内最先开始了探矿工程小型设备和机具的研制工作,随后,岩芯钻机、物探钻机、?#25317;?#38075;机、工程地质钻机、反循环水井钻机等,及其配套泥浆泵、钻塔等的研制工作全面铺开。在建所后的10年间,勘探所开展了多项探矿工程领域的开创性工作。?#28909;紓?#29575;先成功研制?#23435;?#22269;第一套地质岩芯钻机;用液动锤首次进行全孔反循环取芯试验,并获成功;在国内最早开展了天然金刚石表镶和孕镶钻头的研制工作,并利用冷压浸渍法制造成功……通过10年努力,我国的地质勘探装备开?#30002;?#32473;,探矿技术水平空前提高,使得白云鄂博、大冶铁矿,白银厂多金属矿,淮?#34180;?#24179;顶山煤矿等大型矿产基地和多个水利资源勘探进程大大加快。

与钢粒钻进相比,金?#36136;?#38075;进具?#34892;?#29575;高、质量好、消耗低和操作轻便等优点。1960年,勘探所开始了天然金刚石钻头制造工艺研究,次年便试制成功我国第一批天然金刚石钻头和扩孔器。由于我国天然金刚石产量少,价格昂贵,生产难度大,为天然金刚石钻头广泛使用增加?#22235;讯取?969年,勘探所开始了人造金刚石钻头的研究,并于1974年首次进行了小口径人造孕镶金刚石钻进技术配?#36164;?#39564;。随后,勘探所与河南省地质局合作,在河南地质九队午阳铁矿区第一次打出人造孕镶金刚石钻头的高水平。1975年,小口径钻探技术又进行了第二轮配?#36164;?#39564;。到70年代末,我国仅用20年左右的时间走完了国外金刚石钻探技术发展所经历的100多年的历程。

此外,在工程地质钻探和水文水井钻探领域的设备研究也屡战告捷,坑探掘进技术和试验?#24050;?#30719;设备研究提交了多项有价值的科研成果。岩芯钻探?#37038;?#25226;式低速钻机、大口?#38431;?#36136;合金和钢粒钻进,向液压式高速钻机、小口径金刚石钻进发展;工程地质和水文水井钻探设备,实现了多样化,钻进工艺日趋完善;坑探工程开始?#37038;?#24037;作业向半机械化、机械化迈进。我国地质钻探和坑探工作从此朝着赶超世界先进水平的方向迈上了一个新台阶。

钻探服务领域扩大,钻探技术向多领域、多工艺和科学化发展

随着改革开放的逐步深入和国民经济的高速发展,我国钻探技术开始向多领域、多工艺和科学化发展。

20世纪70年代前的钻探技术,主要用于地质找矿和地下资源开采,而进入80年代,则应用到工农业建设和国防建设的各个方面。?#28909;紓?#23665;东青岛海上柔杆电钻炸礁工程,西藏羊八井地热开采,广东珠江口番禹大桥基桩施工,北京、?#30830;?#31561;地的定向穿越马路、建筑物的非开挖铺管工程施工,以及北京十三陵蓄能电站锚固工程施工?#21462;?/p>

根据市场急需,勘探所以《螺杆钻受控定向钻探技术》成果为依托,1991年开始了采卤?#36234;?#20117;钻井技术研究,与湖南省地矿局、湘衡盐矿一起完成了两?#36828;越?#20117;施工,到1995年末,共完成5?#36828;越?#20117;,成功率达到100%。两井高精度直接?#36234;?#25104;功,使我国水溶采矿技术进入了世界前列。盐业系统的老专家说:“这项技术开发成功,解决?#23435;?#20204;几十年想解决而未解决的问题。?#22791;?#25216;术的成功,不仅为盐业提供了一条低投入、高产出的途径,也为勘探所科研成果的转化提供了重要经验。

80年代初,为了满足各种高层建筑、高速公路、桥梁等基桩工程施工的需要,勘探所率先在国内研制大口径工程施工装备与技术配?#31069;?#30740;制了GJD工程钻机、CG型全套管施工设备、大口?#27573;?#24490;环施工机具与技术,以及大口径桩检测仪,目前已经形成了系列成套设备、器具及配套工艺,其中大口?#27573;?#24490;环钻探技术在青藏铁路建设施工中发挥了重要作用。

1993年,勘探所针对广泛用于市政、电讯、电力、煤气、自来水、热力等管线施工工程的“定向钻进非开挖铺设地下管线技术”进行立项研究。1994年,第一条非开挖铺设的管道顺利完成。到1997年,勘探所自行研制成两?#20013;?#21495;的非开挖钻具和器具,并用此设备完成了70多条管线铺设工程,包括穿越公路、铁路、首都机场飞机跑道和建筑物等,至目前?#30740;?#25104;高效环保的GBS系列(5T-320T)钻机及配?#36164;?#24037;技术体系。

冲击回转钻探技术在硬岩钻进中具有较高钻进效?#30465;?#21208;探所是我国首个开展液动冲击回转钻探技术研究的单位,至今仍在坚持这项研究。勘探所最初研制成功的5个系列的液动潜孔锤,品种达20多个,几乎涵盖了全部钻孔口径。后续又开发出了更大口径的、嵌岩桩钻进用的ZC-800型液动潜孔锤。勘探所的这一成果在国外引起了广泛关注,吸引了日本、德国、英国、俄罗斯、澳大利亚、古巴、泰国、越?#31995;?#22269;家的专家前来考察。德国、澳大利亚、加拿大等在钻探技术方面比较先进的公司?#32676;?#20174;勘探所购置了液动锤。该成果在英国权威?#21448;?#30340;《地质钻探》1995年第5期一经发表,有10个国家的13家公司来电来信索取资料和要求报价购置。

随着钻探技术服务领域的扩大,钻探工程面临的地质条件越复杂,施工难度也越大。如何提高钻探效?#30465;?#20445;证质量、降低成本?勘探所根据生产需要及施工条件,将新技术、新方法进行配?#31069;群?#30740;发了小口径金刚石岩芯钻探、井底动力钻探、空气钻探、水力反循环钻探、大口径基桩?#36164;?#24037;等工艺。勘探所实施的原地质部“?#23435;濉?#25915;关项目《中心取样地质钻探新技术》《液压顶驱式车装钻机》及《CD-3型岩芯钻机》,结束?#23435;?#22269;钻探方法单一的局面,使我国钻探技术的整体水平有了较大幅度的?#23896;?#19982;此同时,勘探所还与各有关探矿机?#20826;?#20849;同合作,使常用钻探设备基本上实现了标准化、系列化和国产化。

钻探技术迎来发展新机遇,科学钻探体系进一步丰富

1999年,新一轮国土资源大调查开始实施。地质、矿产及资源勘查钻探技术的应用迎来新的发展机遇和更广阔的发展舞台。

在地质大调查项目、科技部“863”项目和危机矿山专项项目的支持下,勘探所完成了2000米全液压岩芯钻机及配套设备的研究,并在山东乳山金青顶金矿区完成了终孔深?#21364;?212.80?#31069;é?6毫米 N级口径)示范孔的工程施工,创造了国内H级绳索取芯钻进深度及岩芯钻探套管应用深度的两项最深纪录。?#31859;?#20027;研发的XJY-850无缝合金钢管材制作的Φ73毫米、Φ89毫米绳索取芯钻杆,在示范?#36164;?#24037;期间未发生孔内钻杆事故,标志着我国2000米地质岩芯钻探技术体系已基本形成,同时?#27493;?#26463;?#23435;?#22269;2000米以深钻孔绳索取芯钻杆依靠进口的局面。

全液压动力头钻机具有取芯钻进效率高和安全性高的特点,尤其在斜?#36164;?#24037;方面极其?#22870;悖?#21487;提高钻探质量。勘探所开发的YDX系列全液压岩芯钻机的所有功能均为液压驱动,操控精?#24613;?#25463;,与传统的立轴式钻机相比,取芯作业的效?#22987;?#23433;全?#28304;?#22823;增加,钻机采用模块化设计、先进的高转速动力头设计、负荷敏感控制液压系统等部件设计,提高了钻探工作效率,减轻了工人的体力劳动,提高了钻机工作可靠性。勘探所?#32676;?#23436;成了300米、600米、1000米、1500米和2000米系列钻机的设计开发,并出口到澳大利亚、俄罗斯、吉尔吉斯?#22266;埂?#33945;古等国。

在地调项目的支持下,勘探所研发的高精度定向?#36234;?#20013;靶系?#22330;?#24935;磁”系统,实现了地下导航高精度定向技术的重大突破,也使得我国成为继美国之后第二个拥有此项技术的国家。从2003年开始,勘探所与中国机械进出口总公司合作,实施了土耳其BEYPAZARI天然碱采集卤项目钻井工程,到2010年12月共完成了56口井的定向钻井,获得了土耳其业主公司的高度评价。通过土耳其天然碱工程的实施,勘探所实现了从两井?#36234;?#36830;通到多井?#36234;?#36830;通的技术跨越。

2001年4月18日,受国内外地学专家高度关注的中国大陆科学钻探工程在江苏省东海县破土动工。该井井深达5158?#31069;?#23380;径256毫米。针对科钻工程中硬岩深井连续取芯钻进技术难题,勘探所完成了液动潜孔锤理论及工作原理的创新,攻克了液动潜孔锤零件设计、选材及加工方面的多项工程技术难题,配套开展了全面冲击回转钻进、绳索取芯钻进、液动潜孔锤跟管钻进、螺杆马达液动潜孔锤提钻取芯钻进及螺杆马达+液动潜孔锤+绳索取芯三合一钻进等配套工艺的研究,至2008年底基?#23601;?#25104;了YZX系列液动潜孔锤及其配套工艺技术的研究与开发。科钻一井的统计数据表明,采用液动锤钻进施工,钻进效率提高54%,延长回次进尺178%,大幅度减少了施工周期、降?#22303;?#26045;工成本,为科钻一井的顺利完成发挥了重要作用,并创造了单?#23376;?#29992;进尺和使用深度两项世界纪录,使我国的液动锤技术达到了国际领?#20154;?#24179;。目前,YZX系列钻具已经成为国内外市场上实现规模化应用程度最高的产品,?#27426;?#21047;新的液动冲击回转钻进技术应用孔深和累计使用进尺等世界纪录,使我国在该领域的研究应用水平站在了世界之巅。

2007年10月22日,勘探所?#26800;?#30340;?#38378;?#30406;地?#20843;?#31185;一井”主井(北井)钻探工程顺利完钻。这口深达1810米的科学探井,以取芯钻进1630米、岩?#23616;?#24452;92毫米、岩芯采取率94.59%的技术成果,为中国乃至世界的环境地质科学研究提供了丰富详实的必要信息。该井在实施过程中,综合运用水源钻探设备、岩芯钻探技术与石油钻井技术,为在复杂沉积地层环境中进行低成本钻探探索了一条成功之路。2014年,勘探所又牵头组织实施了?#20843;?#31185;二井”科学钻探工程,目前进展顺利。

2008年至今,勘探所又以骨干成员单位参与了汶川地震断裂带科学钻探工程(WFSD)。期间,勘探所研制的深孔复杂地层取芯钻具和长半合管取芯技术,在提高高应力极破碎复杂地层的岩芯采取?#30465;?#23721;芯质量和复杂地层深部综合钻探效率等方面发挥了重要作用。其中,9米超长半合管的应用?#35789;?#30028;纪录。

大力推进科技创新,多项钻探技术领跑世界

随着找矿突破战略行动、生态文明建设、国土资源“三深一土”科技战略的推进,中国地质调查工作更加聚焦国家重大需求和国土资源中心工作,更加关注重大资源环境问题和地球系统科学问题。勘探所按照中国地质调查局党组确立的建设世界一流新型地调局的?#21208;輳?#20805;分发挥科技创新的引领支撑作用,强力推进科技进步、人才成长和团队建设,自主研发了一批高精尖钻探技术设备,使我国在多个钻探领域领跑世界。

勘探所?#26800;?#30340;《2000米以内全液压地质岩芯钻探装备及关键器具》项目,针对我国地质岩芯钻探技术与装备落后的状况,对全液压岩芯钻机及地质岩芯钻探关键器具进行了全面技术攻关,?#32676;?#30740;制了系列全液压岩芯钻机、高强度钻探管材和绳索取芯钻杆、高效液动锤、新型事故处理工具等关键技术装备,突破?#25628;?#37325;制约我国地质勘探工作发展的技术瓶?#20445;?#20174;而建立起我国2000米以内地质岩芯钻探技术体系,也使得我国由全液压岩芯钻机、高性能绳索钻杆进口国一跃成为出口国。2015年,该项成果获得了国家科学技术进步二等奖。

勘探所还自主研发了用于深部矿产资源勘查的3500米全液压岩芯钻探装备。该装备具有较高的机械化、自动化水平,配套高精度仪表及钻参系统,满足金刚石绳索取芯、冲击回转、定向钻进等深孔地质钻探工艺要求,既可用于深孔岩芯钻进,?#37096;?#29992;于我国浅部石油勘探,以及新?#22235;?#28304;如煤层气、页?#31227;?#24178;热?#19994;?#30340;勘探,既可?#28304;?#19995;式井,又可以钻进定向孔。目前,该钻机正在深部地质找矿和?#25512;?#36164;源调查中发挥作用。此外,勘探所还研发了大型车载深井钻机、全回转套管钻机、反循环取样钻探装备、地质勘查深?#23376;?#39640;强度铝合金钻杆、轻便岩芯钻机、?#26032;?#21462;芯钻进系?#22330;?#22823;口径长钻程同径取芯技术等,填补了国内多项钻探领域的技术空白。

钻探过程中,孔壁坍塌、掉块、溶?#30784;?#28431;失等孔内事故时有发生。针?#28304;?#31181;情况,勘探所开展了76毫米和96毫米规格的小口径地质钻探波纹管护壁技术研究,攻克了小口径膨胀波纹管成形技术、膨胀波纹管悬挂锚固技术和多根膨胀管?#36234;?#25216;术等三大关键技术难题,填补了该技术领域的世界空白。该技术能?#34892;?#35299;决深部地质钻探施工中的孔壁坍塌、掉块、溶?#30784;?#28431;失等孔内事故,其处理效果相?#21364;?#32479;泥浆调配、水泥造壁等更加可靠安全,同时简化了钻孔结构、优化套管级数,大大降?#22303;?#38075;探成本,?#25381;?#20026;21世纪国际钻探工程领域的核心技术之一、小口径钻孔的?#25226;?#31649;支架?#34180;?#35813;技术在广西、山东、甘肃、福州等地进行了现场应用,完成了地质岩芯钻探超深孔护壁、长距离连续护壁、页?#31227;?#23380;护壁、大斜度钻孔等?#29004;?#31867;型的护壁任务,单?#20301;?#22721;长达21?#31069;?#25252;壁深?#21364;?#21040;2000余米。

?#28304;?003年开始勘探所?#31859;?#26377;技术在土耳其?#37038;露越?#20117;工程,取得了土方业主的高?#28909;?#21487;。鉴于勘探所与土耳其业主在工作中建立了良好的合作关系,2014年勘探所作为独立承包商签订了?#30913;?#25166;里天然碱矿钻井工程四、五期合同,?#24067;?45口井。2015年9月10日,由勘探所?#26800;?#30340;土耳其卡赞天然碱地下工程开钻,标志着世界上最大规模的?#36234;?#20117;水溶采集卤工程正式拉开序幕,该项目计划在2015年~2018年施工74个采卤水平井组,单井总数达222口。勘探所运用“慧磁”技术创造性地设计并实现了多井组的连通,真正使得地下“穿针引线”技术成为了?#36136;担?#22312;施工中大胆创新,克服了地层结构复杂、地磁场异常、地层破碎严重等困难,积累了处理复杂问题的丰富经验。

60年风雨路,勘探所人用聪明才智和心血汗水铸?#22303;?#19968;座座功绩累累的丰碑。在前期研究成果的基础上,近些年来,勘探所取得了4项国际领先技术成果:高精度?#36234;?#36830;通井技术、液动冲击回转钻探技术、大口径长筒取芯钻探技术与小口径膨胀波纹管护壁技术;1项国际先进钻探技术体系:2000米以内地质岩芯钻探技术体系;2项国内领先技术:3500米全液压地质岩芯钻机与车载全液压深井钻机;实施了4项科学钻探工程:牵头实施?#20843;?#31185;二井”工程、?#26800;!八?#31185;一井”主孔工程施工作业、为中国大陆科钻一井工程提供核心钻探技术、为汶川地震科学钻探工程提供极破碎地层取芯技术。

步入新时代,继续为钻探技术装备研发贡献中国力量

党的十九大召开,中国特色社会主义步入新时代。新时代,世界抱以新期待。

步入新时代,勘探所将继续为钻探技术装备研发贡献中国力量:一是制定1.3万米科学超深井钻探技术方案。围绕国家实施科学超深井的需求,对实施我国超万米科学钻探工程的相关技术与装备研究开发提出了系统建议,形成一套满足1.3万米科学超深井的钻探技术方?#31119;?#20026;我国入地计划的实施打下了基础,为超深井关键技术研究指明了方向。二是进行海域天然气水合物开采技术探索。针对海域天然气水合物开采面临的粉砂质地层低渗、松散无?#33322;?#31561;问题,综合应用水平井施工技术、多介质反循环钻探技术、定向?#36234;?#36830;通井技术等,探索超大直径井眼扩径砂砾充填完井、水平井砂砾充填完井及?#36234;?#20117;完井等技术,以实现增大产层接触面积、控制涌砂、?#31181;品?#30722;运移、举升排沙等?#21208;輳?#21147;争解决我国及世界海域天然气水合物开采的关键技术难题。三是拓展“慧磁”系统在地下热能开发的应用;“慧磁”系统为定向井提供关键技术保障,确保井组的平行,解决地热勘查开发关键技术难题,为最后热储层的压裂提供有利条件。四是拓展“慧磁”系统在矿山?#20173;?#20117;的应用。勘探所创新提出了一套利用“慧磁”系统进行井下被困人员的定位和?#20173;?#23380;定向引?#25216;?#26415;方?#31119;?#22312;矿山井?#30053;?#35774;磁信标装置,矿难发生后可由被困人员启动,磁信标?#38378;?#32493;30天以上向外发射磁场信号,用于提示井下存活人员及所处位置,并精确引导地面?#20173;?#23380;钻入被困区域,提高?#20173;?#25928;果和效率,为矿山?#32769;站仍?#25552;供了一种高科技手段。

六十载峥嵘岁月,笔墨春秋著华章;六十年风雨征程,?#20132;?#30456;传见精神。勘探所将在支撑服务国家重大需求和国土资源中心工作的大路上勇往直前,继续在高精尖勘探装备和技术领域的研发领先国内,力争实现部分技术与世界水平并跑或领跑。

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