我國鉆探技術與裝備開發(fā)引進應用新格局

許劉萬，王艷麗，伍曉龍

（中國地質(zhì)科學院勘探技術研究所，河北 廊坊 065000）

1 鉆探技術應用領域基本概況

近年來，我國鉆探技術水平取得了較大的進步和發(fā)展，在科學發(fā)展觀的引導下，鉆探技術與裝備的開發(fā)引進及消化吸收，為施工單位和企業(yè)在市場競爭中提出了迫切需要解決的新課題。對于有些單位鉆探技術與裝備更新?lián)Q代方面發(fā)展相對緩慢，水平還停留在上世紀末的水平。這里面除了決策者的重視程度和單位的經(jīng)濟實力等原因外，還有難以擺脫的外部環(huán)境因素影響等，大大降低了單位購買和廠家的研發(fā)能力，使得落后的鉆探技術水平嚴重制約了單位的發(fā)展。隨著國內(nèi)外工程招標和新的低碳經(jīng)濟建設項目對鉆探水平要求越來越高，面臨的競爭壓力將會越來越大。為了改變技術落后造成的競爭力不足，除了加強人才的培養(yǎng)和理論體系、技術標準的創(chuàng)新外，必須加大裝備技術的更新力度。這也是提高工作效能、單位效益，實現(xiàn)安全生產(chǎn)、體現(xiàn)以人為本的需要。在國內(nèi)外市場一體化融合的過程中，經(jīng)濟效益好的大型單位應帶頭推行裝備革命，依靠先進的裝備搶占市場，促進產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整；依靠先進的裝備深化技術服務能力，提高鉆探工作效率，促進行業(yè)技術創(chuàng)新。

由于鉆探市場的巨大變化和發(fā)展，除了鉆探技術的不斷進步外，主要是形成了應用領域的新格局。如鉆探技術既應用于地質(zhì)勘探，也應用于水井、地熱井、煤層氣井、大口徑瓦斯排放井、礦山搶險救援井，尤其針對中國城市空氣污染問題突出，各地政府正面臨既要保增長又要環(huán)保達標的問題，天然氣大有用武之地。國家對天然氣產(chǎn)業(yè)的投資熱情持續(xù)升溫，頁巖氣革命鼓舞人心，鉆探技術與裝備也正處于轉(zhuǎn)型時期，這就引起了許多施工單位和廠家規(guī)劃未來，如何開發(fā)引進新型鉆探技術投身到這一領域中去。所以，結(jié)合國情實行開發(fā)引進是大家最為關心的事。

2 地質(zhì)勘探領域的發(fā)展應用

眾所周知，地質(zhì)工作是經(jīng)濟社會發(fā)展重要的先行性、基礎性工作，而且服務于經(jīng)濟社會的各個方面。《國務院關于加強地質(zhì)工作的決定》為地質(zhì)勘探工作的開展產(chǎn)生了好的機遇，國家對礦產(chǎn)資源勘探的投入也不斷加大，工作任務迅速增加，地質(zhì)鉆探技術裝備需求猛增，各單位采購更加積極。同時為方便施工單位對新技術和新設備的需求和掌握，上級主管部門曾經(jīng)舉辦了各種學習班，加大推廣新技術，這一切措施都對我國地質(zhì)技術裝備的研發(fā)與引進起到了推動作用。從市場供應來看呈現(xiàn)出品種多樣、廠商眾多、需求旺盛的新局面。從大多數(shù)地勘施工單位使用來講仍然以國產(chǎn)裝備為主，并且立軸式巖心鉆機占據(jù)了主導地位。

雖然傳統(tǒng)的鉆機、鉆具、儀器在地勘施工中承擔了大量的生產(chǎn)任務，但因效率低、工人勞動強度大、施工成本高等問題，還不能滿足地質(zhì)勘探市場新的需求。在此情況下，國外先進的地質(zhì)技術裝備進入我國地質(zhì)勘探市場，不僅提供了高新技術，關鍵是促進了我國地質(zhì)勘探技術水平的提高。進口的鉆機大多數(shù)為中深孔全液壓動力頭式，主要為阿特拉斯科普柯公司的 CS1000P6、CS－14型，寶長年公司的LF－70、LF－90型，以及山特維克（原澳大利亞 UDR）全液壓中深孔巖心鉆機。

表1 地勘隊伍目前施工機臺設備配套情況

這些設備以其優(yōu)良的機械性能和工藝適應性在地質(zhì)勘探領域起到了很好的示范作用，并得到了用戶好評。在使用中鉆孔質(zhì)量及鉆進效率與立軸式鉆機比較優(yōu)勢明顯。特別是進口設備配套的鉆具使用壽命也比國產(chǎn)的高2倍以上，巖心采取率以及可靠性均比國產(chǎn)的高。存在的主要問題是購置價格昂貴，售后服務不夠及時，施工進度會受到影響，用戶有后顧之憂。

目前，金剛石繩索取心鉆探工藝在我國已經(jīng)得到普遍應用，除深孔施工鉆桿還存在可靠性問題外，其它應用效果還比較滿意；繩索取心液動潛孔錘鉆進新技術已得到大面積推廣，產(chǎn)生的經(jīng)濟效益和社會效益非常顯著。定向鉆進工藝、空氣反循環(huán)連續(xù)取樣高效鉆探技術也已成為大家關心使用的熱點，同時也是地調(diào)科研項目當前推廣示范的主要內(nèi)容。

礦產(chǎn)作為能源和工業(yè)原料具有不可取代性；礦業(yè)被公認為是具有持續(xù)發(fā)展特點的支柱產(chǎn)業(yè)；再加上國家對深入研究地球科學和環(huán)境變化科學的高度重視，超深井鉆探不斷興起，如江蘇東海的科鉆一井（CCSD－1）、汶川地震科學鉆探井、松科鉆探1井和2井等，還有中國科技核心期刊《探礦工程》、《地質(zhì)裝備》等雜志給業(yè)內(nèi)人士提供的學習交流平臺，為大家搞好各項工作樹立了信心，而且充分說明了在地質(zhì)勘探領域鉆探工程的重要性。

3 鉆探生產(chǎn)（開采）領域

日常我們在市場中所從事的相關鉆探技術工作，通過鉆井進行地下礦產(chǎn)、能源、水資源的生產(chǎn)與開發(fā)雖然歷史悠久，但隨著國民經(jīng)濟建設的需要形勢變化，現(xiàn)在領域亦有新的拓展。主要包括以下三個方面：

3.1 與地質(zhì)礦產(chǎn)有關的（地質(zhì)是目的、鉆探是手段）

（1）地質(zhì)勘探：石油、煤炭、冶金、黃金、核工業(yè)、鉀鹽、水文等。

（2）礦井生產(chǎn)技術服務：注漿、通風、排水、堵水、瓦斯排放、救援等。

（3）直接生產(chǎn)井：石油、天然氣、煤層氣、天然氣水合物、頁巖氣、水井、地熱井、鹽井等。

3.2 與工程建設有關的（鉆探施工過程尤為重要）

（1）工程勘查：市政、水電、鐵路、環(huán)評、地質(zhì)災害等。

（2）工程施工：樁基礎及地基托換、非開挖、地源熱泵、錨桿、地質(zhì)災害治理等。

3.3 其它：科學鉆探、考古、軍事等

首先廣泛應用的是水井、油氣井、鉆孔采煤等。從全世界看70～90%城市生活飲水依靠地下水，而我國80%以上湖泊已非凈水。這樣鉆采地下水資源在世界鉆探工業(yè)界一直占有非常重要的地位。原因是人口激增、工農(nóng)業(yè)迅速發(fā)展、生活要求高標準；使得地表水不可避免污染和土地沙漠化侵襲等?，F(xiàn)在我國已加大治理雖有改善，但還需做大量的工作，解決邊遠山區(qū)、干旱缺水地區(qū)人畜基本生活用水。除上述水井外，與水井有關的還有地熱井、礦泉井，這是人們公認的清潔環(huán)保能源在21世紀得到國家重點扶持?，F(xiàn)階段我國地熱井開發(fā)技術在孔深2000～4000m已日趨成熟，并在全國不少地方實施。

石油與天然氣井逐年增加，況且小油氣田、淺層油氣田、煤層氣井越來越引起世界許多國家的重視，海上油氣田的勘采也是越來越多。各國石油天然氣鉆機的數(shù)量和鉆進深度更加與日俱增。我國石油鉆機的發(fā)展，驅(qū)動型式由機械、液力向電驅(qū)動方向發(fā)展。電驅(qū)動鉆機由直流電向交流變頻方向發(fā)展。鉆機混合驅(qū)動形式——液電、機電。鉆機的近代技術：液控盤式剎車；交流變頻驅(qū)動；頂部驅(qū)動系統(tǒng) ；液壓驅(qū)動鉆機。鉆機今后的發(fā)展趨勢：數(shù)字化、信息化、自動化、智能化；高適應性、高經(jīng)濟性、高可靠性、高移運性、大型化。鉆機控制系統(tǒng)逐步轉(zhuǎn)化為數(shù)字式控制技術，并朝著智能化控制方向發(fā)展：智能化、網(wǎng)絡化、開放化。我國煤層氣參數(shù)井、生產(chǎn)井用鉆機種類：有些單位選用水井鉆機、小型石油鉆機、進口全液壓動力頭鉆機、國產(chǎn)全液壓動力頭鉆機。

在開采可溶性礦產(chǎn)鹽鹵井的同時，現(xiàn)已擴大到芒硝、堿等礦產(chǎn)。利用水力破碎或化學浸析的礦產(chǎn)也通過鉆孔采礦，這種新型采礦技術，相對礦山巷井法采礦和露天采礦來說，有其自身的優(yōu)點和很好的經(jīng)濟意義。

表2 國內(nèi)進口的多功能全液壓動力頭鉆機情況

4 引進新型鉆探裝備的意義

根據(jù)以上鉆探所涉及的領域及其發(fā)展背景，從我國實際國情出發(fā)，并著眼當前及未來長遠計劃，開發(fā)引進若干新型鉆探設備是非常必要的，也是十分迫切的。主要是在市場競爭越來越激烈的今天，開發(fā)與引進新型鉆探設備是相當一部分施工單位及制造廠家生存與發(fā)展的舉措，積極調(diào)整經(jīng)營思路和發(fā)展戰(zhàn)略，不斷拓寬國內(nèi)外市場業(yè)務，在向高難度鉆探施工進軍的同時努力擴大施工范圍，除了已有的鉆機外，進一步提高鉆機的先進性，不斷增強施工實力，為鉆探業(yè)進步和發(fā)展做出更大的貢獻。如我國煤田系統(tǒng)、地礦系統(tǒng)、部隊集水團等單位現(xiàn)在引進的國外不同性能結(jié)構(gòu)的鉆機，都充分說明了這一點。為滿足不同用戶的需求，有些企業(yè)和科研單位仍在不斷消化吸收開發(fā)新產(chǎn)品。

4.1 對我國水井、地熱井以及新能源鉆探設備的推動作用

目前國內(nèi)在1000m內(nèi)水井施工選用設備種類繁多，水平參差不齊。有用巖心鉆機改造的，有國內(nèi)設計制造的，也有從國外引進的。在地熱井方面來說，用戶選擇鉆機的范圍較少，除從本行業(yè)的廠家考慮外，有條件的還選用石油上有關鉆機。另外，隨著常規(guī)能源枯竭的加快，世界各國在美國頁巖氣革命的帶動下，將目光轉(zhuǎn)向了頁巖氣，更是將頁巖氣視為解決能源需求緊張、發(fā)展清潔能源的最有效途徑。我國也是如此，同時對廠家也帶來了機遇，從長遠看無疑要以國內(nèi)為主來發(fā)展這一領域的施工設備。但從我國水井、地熱井以及新能源鉆探設備的飛速發(fā)展看，通過在這些領域設備的研究與引進應用，實現(xiàn)了發(fā)展自主創(chuàng)新從引進到研發(fā)生產(chǎn)階段。一些落后的機型除生產(chǎn)廠家已放棄外施工單位也趨于淘汰，學習國外先進的技術追求高水平的鉆探設備已成為生產(chǎn)廠家發(fā)展的方向。

4.2 我國這一領域鉆探設備與國外產(chǎn)品的差距

總體水平與國外先進水平相比差距還較大，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）在常規(guī)的水井鉆機方面，國外已普遍采用全液壓動力頭車裝式或履帶式鉆機，傳統(tǒng)式轉(zhuǎn)盤鉆機目前在發(fā)達國家已很少制造和應用。而我國目前還以這類鉆機為主，不能很好地滿足鉆進工藝的要求，通用性和標準化程度極差。

（2）國外流行的全液壓動力頭式鉆機，我國研制和應用仍處于起步階段，適用于多功能的鉆機可以說還是空白，難以滿足反循環(huán)鉆進、定向鉆進等多種鉆進工藝發(fā)展的需要。

（3）鉆機的標準化、系列化、通用化程度不高，產(chǎn)品系列不完善，裝載型式單一，缺乏國外拼裝式（模塊）設計的先進鉆機。

（4）鉆機的控制系統(tǒng)、運行和工況的監(jiān)測系統(tǒng)落后、鉆進參數(shù)監(jiān)測儀表還不夠完善。

4.3 對發(fā)展我國鉆探設備及技術創(chuàng)新建議

由于我國目前鉆探設備與技術方法還比較落后，出現(xiàn)的問題鉆探效率低、成本高，嚴重制約了鉆探技術水平的提高。因此，加強各種資源的勘探開發(fā)力度，大力推進鉆探技術與裝備的現(xiàn)代化，研究開發(fā)先進鉆探技術和裝備已迫在眉捷，而且也是鉆探施工單位的共同心聲。

（1）研發(fā)各種全液壓動力頭鉆機及配套技術，解決我國資源鉆探中的關鍵問題，形成具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的、先進的全液壓動力頭鉆探裝備系列，加快研制頁巖氣和大口徑瓦斯排放井特殊鉆機，積極研制新型的水井及地熱井鉆探設備，改進鉆探工藝，提高鉆機的機械化、自動化水平，縮小同國外先進水平的差距，實現(xiàn)我國鉆探技術跨越式發(fā)展。

（2）在研發(fā)鉆探設備的前提下，首先應對配套的工藝加深了解。盡可能實現(xiàn)多工藝，克服以往設備研制同鉆探工藝結(jié)合甚少的弊端。從鉆探技術飛速發(fā)展對設備的要求看，常規(guī)的泥漿正循環(huán)已滿足不了施工要求，導致新研制的產(chǎn)品推廣受到限制。

（3）培養(yǎng)高素質(zhì)鉆探技術人員及先進鉆探設備的推廣應用，已成為我國目前許多單位必須認真對待的問題。當施工中要實現(xiàn)多工藝鉆探方法以及先進的設備操作難度加大時，鉆工的技術水平是否跟得上，購置新產(chǎn)品時就要考慮，不然會影響生產(chǎn)。

5 搞好鉆探技術創(chuàng)新 不斷推廣鉆探新工藝

鉆探工作的快速突破進一步實現(xiàn)了資源的快速轉(zhuǎn)化，鉆探施工領域不斷擴大，使鉆探裝備不斷更新?lián)Q代，性能實現(xiàn)新的跨越。配套工藝日臻完善，裝備水平越來越高，這些均為用戶施工提供了技術支撐。面對新的形勢，施工超深、超難，要想在市場上占有一席之地就必須投入資金更新裝備、購置滿足施工要求的配套設備與機具，完善配套設施。新的形勢，新的任務，新的要求，對施工單位來說就要積極應對。只有這樣鉆探技術創(chuàng)新才能滿足快速發(fā)展的需要，才能實現(xiàn)專業(yè)優(yōu)勢向產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢的轉(zhuǎn)換，才能切實把生產(chǎn)能力轉(zhuǎn)化為經(jīng)濟效益。

從國內(nèi)外鉆探技術水平對比來看，目前許多單位購置的國外幾家公司的鉆機，除了設備性能先進外，關鍵配套的工藝都是以多工藝空氣鉆進為主，一方面鉆進效率高，另一方面在干旱缺水地區(qū)施工解決了鉆探技術難題。現(xiàn)在國內(nèi)鉆機生產(chǎn)廠家和施工單位都已認識到多工藝空氣鉆進技術的優(yōu)越性。所謂多工藝空氣鉆井技術，就是根據(jù)地層條件，因地制宜分別采用氣動潛孔錘鉆進、氣舉反循環(huán)鉆進，而這些技術都是經(jīng)過生產(chǎn)實踐檢驗成熟技術，只需在現(xiàn)有設備機具條件下進行配套，就可迅速投入生產(chǎn)應用。與常規(guī)鉆探技術方法相比，氣動潛孔錘鉆進效率可提高十幾倍，氣舉反循環(huán)鉆進效率可提高2～3倍，鉆探成本降低50%以上。隨著多工藝空氣鉆進技術科研成果的轉(zhuǎn)化，以及大力推廣應用，產(chǎn)品不斷豐富，服務領域不斷擴大。該技術除在水井、地熱井廣泛應用外，近年來已在大口徑煤礦瓦斯排放井、大口徑煤礦冷氣井、大口徑礦山搶險救援井、煤層氣井、油氣田井、太陽能井、地源熱泵井、回灌井、地質(zhì)勘探及各種大口徑工程施工孔采用，范圍越來越廣。

為滿足不同領域施工需要，我們已經(jīng)研發(fā)出不同結(jié)構(gòu)的氣水龍頭、150～225噸的大通孔石油水龍頭，適應不同鉆機的雙壁氣盒子。Φ89、102、108、114、127、140、168、178、194、219mm 等多種規(guī)格的石油摩擦焊雙壁鉆桿。用于轉(zhuǎn)盤鉆機的雙壁主動鉆桿已從常規(guī)的108×108、133×133到168×168、178×178、190×190、210×210、220×220、245×245，均為石油整體式結(jié)構(gòu)。中高壓反循環(huán)氣動潛孔錘，集束式正、反循環(huán)氣動潛孔錘，氣舉反循環(huán)鉆進用各種牙輪鉆頭、滾刀鉆頭、鑲齒連續(xù)取心四牙輪鉆頭，以及反循環(huán)排堵裝置、取樣裝置、旋流器、分樣器、孔口密封裝置、卸扣裝置、附屬配套工具、各種打撈工具，并且還有適應多種鉆進工藝的泡沫劑等。為進一步推廣應用我們還建立了科研展室供大家學習了解。

6 結(jié)語

鉆探工程在國民經(jīng)濟建設中是一項必不可少的技術方法。過去、現(xiàn)在和將來，在人類物質(zhì)文明創(chuàng)建中具有不可取代和持續(xù)發(fā)展的特點。面對十二五期間，我國對礦產(chǎn)能源和現(xiàn)代化建設的需要，開發(fā)、引進新型鉆探設備勢在必行、刻不容緩。這不僅是國家在關鍵技術方面謀求快速發(fā)展、縮短差距、趕上世界先進水平的必由之路，也是推動我國鉆探技術水平邁向新臺階最好的途徑。

（略）：