定向鉆井技術(shù)引領(lǐng) 聚焦深地深海探測(cè)
——勘探技術(shù)所“十三五”科技創(chuàng)新回顧及“十四五”業(yè)務(wù)展望

冉恒謙，梁健，梁楠，薛倩冰，馬莎莎

（中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所，河北 廊坊065000）

0 引言

中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所是自然資源部中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局直屬正局級(jí)事業(yè)單位，中國(guó)地質(zhì)學(xué)會(huì)探礦工程專業(yè)委員會(huì)掛靠單位，行業(yè)期刊《鉆探工程》（原《探礦工程（巖土鉆掘工程）》）主辦單位。主要開(kāi)展地質(zhì)鉆探基礎(chǔ)理論、前沿技術(shù)研究與裝備設(shè)備研發(fā)，承擔(dān)深部探測(cè)、能源資源勘探開(kāi)發(fā)、海洋調(diào)查等重點(diǎn)前沿領(lǐng)域的地質(zhì)調(diào)查鉆探任務(wù)與工程示范，開(kāi)展鉆探科技成果轉(zhuǎn)化與推廣應(yīng)用，支撐生態(tài)文明建設(shè)，服務(wù)現(xiàn)代礦業(yè)發(fā)展，開(kāi)展成果、資料和數(shù)據(jù)的社會(huì)公益性服務(wù)?！笆濉逼陂g，勘探技術(shù)所面向國(guó)家能源資源等重大需求，采取多方舉措提升科技創(chuàng)新能力，明確科技成果轉(zhuǎn)化目標(biāo)任務(wù)和工作重點(diǎn)，加快推動(dòng)科技成果轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)力，科技創(chuàng)新和科技成果轉(zhuǎn)化方面雙翼展翅，在定向鉆井技術(shù)及儀器、深部鉆探技術(shù)與裝備、海洋鉆探技術(shù)與裝備等重點(diǎn)研究領(lǐng)域取得了較好的成果，為建設(shè)世界一流的新型地質(zhì)調(diào)查局做出了應(yīng)有的貢獻(xiàn)。

1 “十三五”科技創(chuàng)新回顧

1.1 定向鉆井技術(shù)及儀器

2016年至今，依托高精度定向鉆井中靶導(dǎo)向技術(shù)——“慧磁”中靶系統(tǒng)，開(kāi)發(fā)出多井組對(duì)接技術(shù)，實(shí)施了土耳其貝帕扎里5期的46個(gè)三井組對(duì)接井、6期的33個(gè)三井組對(duì)接井和卡贊1～3期天然堿對(duì)接井采礦工程 的99個(gè)三井組對(duì)接井［1-6］，見(jiàn)圖1；2019年，開(kāi)展了美國(guó)帝國(guó)資源水溶采礦的定向?qū)泳夹g(shù)咨詢服務(wù)，見(jiàn)圖2。

圖1 土耳其卡贊天然堿礦Fig.1 Kazan trona mine in Turkey

2016年，擴(kuò)展了高精度定向鉆井中靶導(dǎo)向技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域，應(yīng)用于青海木里陸域天然氣水合物試采工程，提出的小直徑水平定向穿越地下水合物層的對(duì)接井鉆探技術(shù)，達(dá)成多井連通水合物試開(kāi)采［7］，實(shí)現(xiàn)了鉆探效率高、開(kāi)采效率高、技術(shù)成本低的技術(shù)創(chuàng)新，在我國(guó)陸域天然氣水合物試采中首次應(yīng)用，見(jiàn)圖3和圖4。

2020年，創(chuàng)新升級(jí)了第四代“慧磁”中靶系統(tǒng)（見(jiàn)圖5），系統(tǒng)采用了低噪版?zhèn)鞲衅?，通過(guò)增強(qiáng)磁信號(hào)、干擾波過(guò)濾和電路重組等多種手段，將探測(cè)距離增加了30%，對(duì)接精度≤100 mm，磁信標(biāo)正常工作時(shí)間可達(dá)25 d，助力海域天然氣水合物第二輪試采實(shí)現(xiàn)了從“探索性試采”向“試驗(yàn)性試采”的重大跨越，為下一步的水合物多井匯聚連通試采創(chuàng)造了前提條件。

圖2 美國(guó)定向?qū)泳夹g(shù)服務(wù)Fig.2 Directional drilling services in US

圖3 水平對(duì)接井試采原理Fig.3 Trial-producing with the horizontal intersected well set

圖4 青海木里試采點(diǎn)火Fig.4 Trial-producing and gas flaring in Muli,Qinghai

圖5 “慧磁”中靶系統(tǒng)原理Fig.5 SmartMag ranging system

1.2 深部鉆探技術(shù)與裝備

2018年，牽頭實(shí)施完成了“松科二井”重大科學(xué)鉆探工程（見(jiàn)圖6），完鉆深度為7018 m，是亞洲國(guó)家實(shí)施的最深大陸科學(xué)鉆井，是國(guó)際大陸科學(xué)鉆探計(jì)劃（ICDP）組織成立22年來(lái)實(shí)施最深的鉆井［8-9］。其中，大口徑同徑取心與長(zhǎng)鉆程取心技術(shù)已創(chuàng)下多項(xiàng)世界紀(jì)錄，即311 mm大口徑連續(xù)取心最長(zhǎng)1650 m、3種不同口徑（311、216、152 mm）單回次取心最長(zhǎng)（30、41、33 m）、高溫鉆井液技術(shù)創(chuàng)造了我國(guó)241℃最高井溫應(yīng)用紀(jì)錄［10］，KT系列取心鉆具、渦輪鉆取心技術(shù)、大口徑繩索取心技術(shù)及鋁合金鉆桿技術(shù)等系列研究成果為后續(xù)的萬(wàn)米特深科學(xué)鉆井提供技術(shù)儲(chǔ)備，實(shí)現(xiàn)了理論、技術(shù)、工程、裝備的重大突破。

圖6 松科二井Fig.6 Well SK-2

2019年，完善了KT系列取心鉆具及其應(yīng)用技術(shù)（見(jiàn)圖7），開(kāi)拓技術(shù)市場(chǎng)、拓展應(yīng)用領(lǐng)域，在新疆克拉瑪依瑪湖區(qū)塊的風(fēng)險(xiǎn)探井瑪頁(yè)1井進(jìn)行了取心技術(shù)服務(wù)，再創(chuàng)216 mm口徑單回次取心進(jìn)尺世界新紀(jì)錄（回次取心41.97 m）；同時(shí)，創(chuàng)造新疆地區(qū)連續(xù)取心最長(zhǎng)紀(jì)錄（連續(xù)取心445.58 m，巖心采取率97.96 %），設(shè)計(jì)取心工期125 d，僅用工期61 d，即用48.8%的時(shí)間完成了162%的取心工作量。

圖7 KT系列取心鉆具Fig.7 KT series coring tools

2018年，國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）“4000米地質(zhì)巖心鉆探成套技術(shù)裝備”課題通過(guò)技術(shù)驗(yàn)收，創(chuàng)新研發(fā)了4000 m交流變頻電驅(qū)動(dòng)地質(zhì)巖心鉆機(jī)和系列鉆具等，初步創(chuàng)建適合我國(guó)技術(shù)特點(diǎn)的、具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的小直徑特深孔繩索取心鉆進(jìn)技術(shù)體系，并助力京津冀及雄安新區(qū)地?zé)豳Y源調(diào)查鉆探工程，見(jiàn)圖8。

圖8 地?zé)豳Y源調(diào)查鉆探工程Fig.8 Geothermal resources survey drilling project

2018年，牽頭并聯(lián)合國(guó)內(nèi)9家單位，成功申報(bào)了“十三五”國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目“5000米智能地質(zhì)鉆探技術(shù)裝備研發(fā)及應(yīng)用示范”。項(xiàng)目從構(gòu)建大深度繩索取心鉆孔口徑系列入手，開(kāi)展了復(fù)雜地層鉆進(jìn)智能控制、地質(zhì)巖心鉆機(jī)關(guān)鍵技術(shù)研究與裝備研制、大深度高性能薄壁繩索取心鉆桿研制、小口徑高效系列鉆具研究、環(huán)保沖洗液體系與廢漿處理技術(shù)、鉆探技術(shù)裝備集成與示范等研究。擬突破智能控制、高效鉆進(jìn)、輕量化與模塊化等關(guān)鍵技術(shù)［11-22］，見(jiàn)圖9。2020年11月，項(xiàng)目通過(guò)中期評(píng)審驗(yàn)收。

圖9 鉆探設(shè)備機(jī)具聯(lián)調(diào)聯(lián)試Fig.9 Combined test run of drilling equipment

1.3 海洋鉆探技術(shù)與裝備

2018年至今，開(kāi)展了深海鉆探鉆桿柱組合、膨脹套管護(hù)壁及事故處理工藝、硬巖取心鉆進(jìn)和連續(xù)取心工藝等關(guān)鍵技術(shù)研究，攻關(guān)無(wú)隔水管泥漿循環(huán)系統(tǒng)、鉆井重返位系統(tǒng)、巖心處理系統(tǒng)等關(guān)鍵設(shè)備［23-28］（見(jiàn)圖10），協(xié)助廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局開(kāi)展大洋鉆探船設(shè)計(jì)與建造工作，為深海地質(zhì)調(diào)查和大洋科學(xué)鉆探支撐提供了必要的工程技術(shù)手段。

2019年，針對(duì)淺軟地層造斜率低的難題，創(chuàng)新性提出大彎角、高墊塊、超短螺桿馬達(dá)造斜鉆具組合，探索出了一套定向鉆進(jìn)、擴(kuò)孔鉆進(jìn)、動(dòng)力導(dǎo)向下管施工工藝，大幅度提升軟弱地層的造斜能力和造斜穩(wěn)定性，探索出了海域水合物淺軟地層大直徑高效造斜的鉆具組合和成井工藝，為第二輪水合物試采水平井方案設(shè)計(jì)提供了關(guān)鍵依據(jù)和關(guān)鍵鉆井技術(shù)，引領(lǐng)了深海淺軟地層水平井鉆井技術(shù)。

2019年，成功研制了國(guó)內(nèi)首套深海井口吸力錨技術(shù)裝備（直徑6.5 m、高12 m、重96 t，承載力≥5000 kN），聯(lián)合攻關(guān)團(tuán)隊(duì)結(jié)合第二輪海域天然氣水合物試采工程的具體需求，創(chuàng)新解決了吸力錨結(jié)構(gòu)形式、姿態(tài)監(jiān)控方式和安裝工藝等關(guān)鍵技術(shù)（垂直精度＜1°），成功研發(fā)了首套國(guó)產(chǎn)深海井口吸力錨（見(jiàn)圖11），解決了深海淺軟地層井口支撐力不足的難題，使我國(guó)成為擁有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的深海井口吸力錨技術(shù)裝備的國(guó)家。

圖10 無(wú)隔水管泥漿循環(huán)系統(tǒng)示意Fig.10 Schematic diagram of riserless mud circulation

圖11 深海井口吸力錨Fig.11 Deep sea wellhead suction anchor

1.4 其他鉆探儀器裝備研發(fā)情況

率先研發(fā)了鉆柱防腐、耐磨、減磨硬質(zhì)防護(hù)涂層技術(shù)，研制的基于表面納米化/微弧氧化、超音速等離子噴涂的系列化防護(hù)涂層［29-32］，實(shí)現(xiàn)了鉆柱可靠、高效、長(zhǎng)壽命服役，確立了深部地質(zhì)鉆探鉆柱組件防護(hù)涂層技術(shù)體系。

基于現(xiàn)有板閥或球閥保壓取心鉆具閉合成功率低，難以取得良好的保壓效果，創(chuàng)新設(shè)計(jì)了天然氣水合物保壓取心鉆具［33-35］，研制成功了繩索打撈式保壓取心鉆具，實(shí)現(xiàn)了繩索打撈方式獲取原狀巖心（樣），并增強(qiáng)了取樣鉆具的保壓性能，提高了鉆探工作效率。

通過(guò)泵量變化完成割心，創(chuàng)新研制了繩索強(qiáng)制取心鉆具，進(jìn)一步擴(kuò)大了繩索取心鉆進(jìn)工藝的地層適用性，有效保證了多金屬礦復(fù)雜地層的巖心采取質(zhì)量，提升了繩索取心工藝在復(fù)雜地層的使用效率及可靠性，為深孔復(fù)雜地層取心提供了新的技術(shù)思路。

針對(duì)現(xiàn)有小直徑膨脹波紋管技術(shù)現(xiàn)存弊端，開(kāi)發(fā)了一種通過(guò)液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)膨脹錐頭直徑連續(xù)變化，使波紋膨脹管護(hù)壁膨脹后直徑不小于原鉆孔直徑的地質(zhì)鉆探波紋膨脹管護(hù)壁工藝技術(shù)與器具。

創(chuàng)新研發(fā)了一種組合中空井底動(dòng)力繩索取心鉆進(jìn)裝置，采用中空回轉(zhuǎn)馬達(dá)、中空液動(dòng)沖擊器與取心內(nèi)總成配合結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了增加繩索取心鉆進(jìn)井底動(dòng)力功率的目的，可大幅提高施工效率、擴(kuò)大繩索取心鉆進(jìn)方法的應(yīng)用范圍。

2 目前存在問(wèn)題的分析

2.1 技術(shù)服務(wù)能力和領(lǐng)域拓展不足

與新時(shí)代地質(zhì)調(diào)查總體要求還存在較大差距與問(wèn)題，依托原有地質(zhì)鉆探技術(shù)，支撐服務(wù)深部探測(cè)、海洋地質(zhì)調(diào)查、能源地質(zhì)調(diào)查等的技術(shù)與裝備體系不夠完善、能力不夠強(qiáng)，且亟待拓展在生態(tài)地質(zhì)調(diào)查與修復(fù)、綠色勘查等方面的應(yīng)用性支撐。

2.2 科技創(chuàng)新和信息化建設(shè)能力不足

技術(shù)產(chǎn)品迭代升級(jí)慢，鉆探理論發(fā)展和技術(shù)更新升級(jí)慢，影響科技創(chuàng)新速度和力度；檢測(cè)測(cè)試與試制等設(shè)備較落后，且缺乏專用定制設(shè)備，影響科技創(chuàng)新的開(kāi)展。信息化工作起步晚、投入少，鉆探工程信息化程度低，影響鉆探工程實(shí)施管理和決策水平的提高；缺乏鉆探工程信息化轉(zhuǎn)換成創(chuàng)新動(dòng)能的機(jī)制。

2.3 成果轉(zhuǎn)化與開(kāi)拓市場(chǎng)難度越來(lái)越大

現(xiàn)有技術(shù)產(chǎn)品不具壓倒性技術(shù)優(yōu)勢(shì)，且受限于成本與資質(zhì)等因素，在石油鉆井、煤田勘探等領(lǐng)域推廣應(yīng)用愈加困難；同時(shí)，地質(zhì)勘查鉆探準(zhǔn)入門檻較低，加之市場(chǎng)萎縮嚴(yán)重，價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)異常激烈，資金回款壓力大，新產(chǎn)品和技術(shù)推廣應(yīng)用難度大。

3 “十四五”業(yè)務(wù)展望

3.1 向地球深部進(jìn)軍亟需攻關(guān)特深科學(xué)鉆探技術(shù)裝備

拓展深部資源是國(guó)際礦產(chǎn)勘查趨勢(shì)所在，我國(guó)資源勘查也正向深部轉(zhuǎn)移。深部資源環(huán)境勘查亟待構(gòu)建萬(wàn)米以深科學(xué)鉆探技術(shù)與裝備（15000 m），完善地球深部探測(cè)技術(shù)體系［36］，形成地球深部探測(cè)國(guó)家戰(zhàn)略科技力量，為創(chuàng)新深地科學(xué)提供工程技術(shù)支撐與保障。

3.2 深海探測(cè)亟需攻關(guān)全海域大洋科學(xué)鉆探技術(shù)

海洋資源是人類可持續(xù)發(fā)展不可或缺的重要領(lǐng)域，發(fā)展深海資源勘探技術(shù)，提升我國(guó)深海資源探測(cè)能力，自主創(chuàng)新深海井口吸力錨技術(shù)與裝備、無(wú)隔水管鉆探技術(shù)與裝備、鉆孔重返技術(shù)與裝備等深水深井鉆探關(guān)鍵技術(shù)，形成海域勘探開(kāi)發(fā)技術(shù)體系，支撐深?？茖W(xué)國(guó)際前沿領(lǐng)域取得原創(chuàng)性突破，助力海洋強(qiáng)國(guó)建設(shè)。

3.3 加快推進(jìn)海域天然氣水合物試采和深部熱能（干熱巖）勘查亟需定向鉆探提速增效

海域天然氣水合物作為我國(guó)重要的戰(zhàn)略資源，加快推進(jìn)其提高產(chǎn)量、降低成本，實(shí)現(xiàn)商業(yè)化開(kāi)采需要研制長(zhǎng)距離超高精度中靶儀，攻關(guān)高強(qiáng)度造斜定向井和群井對(duì)接成井技術(shù)，為天然氣水合物生產(chǎn)性試采及商業(yè)化開(kāi)采提供工程技術(shù)和裝備支撐［37］。深部熱能（干熱巖）資源潛力巨大，低碳清潔、環(huán)境友好，可持續(xù)利用。深部熱能開(kāi)發(fā)利用需要攻關(guān)耐260℃高溫泥漿、高精度井眼軌跡測(cè)控工藝與儀器、硬巖鉆進(jìn)工藝及配套機(jī)具、硬巖水力壓裂等技術(shù)，為高溫地?zé)崮茔@采提供工程技術(shù)支撐。

3.4 川藏鐵路等重大工程亟需水平定向鉆探技術(shù)

川藏鐵路是國(guó)家中長(zhǎng)期建設(shè)規(guī)劃的重大工程之一，是建設(shè)難度系數(shù)極高的鐵路，沿線地質(zhì)條件極其復(fù)雜，亟需攻關(guān)2000 m以深水平定向鉆探技術(shù)、復(fù)雜地層取心技術(shù)與裝備［38］，支撐解決川藏鐵路活動(dòng)構(gòu)造與重大工程地質(zhì)問(wèn)題。

3.5 服務(wù)生態(tài)文明建設(shè)和支撐礦業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展亟需攻關(guān)綠色地質(zhì)鉆探技術(shù)、智能地質(zhì)鉆探技術(shù)裝備和地質(zhì)災(zāi)害防治技術(shù)

生態(tài)文明建設(shè)和礦業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展必須走綠色、低碳、可持續(xù)發(fā)展之路，在開(kāi)發(fā)中保護(hù)，保護(hù)中開(kāi)發(fā)。綠色勘查技術(shù)需要深化“綠色鉆探、以鉆代槽、一基多孔、一孔多支”鉆探方法。智能地質(zhì)鉆探技術(shù)需要構(gòu)建以繩索取心工藝為主體的智能化、模塊化、輕量化鉆探裝備及配套的高效環(huán)保鉆探工藝技術(shù)。地質(zhì)災(zāi)害防治技術(shù)需要研發(fā)生態(tài)化自然格構(gòu)加固、攔擋等空氣鉆進(jìn)技術(shù)等。

4 結(jié)語(yǔ)

勘探技術(shù)所將瞄準(zhǔn)國(guó)家重大需求，依托地質(zhì)調(diào)查總體布局和轉(zhuǎn)型發(fā)展新結(jié)構(gòu)，充分發(fā)揮既有優(yōu)勢(shì)，加大科技創(chuàng)新和技術(shù)研發(fā)力度，推進(jìn)成果轉(zhuǎn)化應(yīng)用，建立與新時(shí)代地質(zhì)調(diào)查工作相適應(yīng)的地質(zhì)技術(shù)研發(fā)與應(yīng)用學(xué)科體系和人才隊(duì)伍，打造世界一流的地質(zhì)調(diào)查鉆探核心支撐力量。并將努力成為定向?qū)泳@探的世界領(lǐng)跑者，深部科學(xué)鉆探和海洋地質(zhì)鉆探工程實(shí)施的主力軍，深部能源鉆采工程的重要力量。