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北京探矿工程研究所创新成果一览

科技创新支撑国家地质调查,开创探矿工程技术发展新局面

发布时间:2018年01月03日
来源:探矿工程在线 作者:胡继良

   2002年以来,北京探矿工程研究所在中国地质调查局的统一部署下,以服务国家重大需求和国土资源中心工作为导向,以充分发挥对地质调查的技术支撑服务为目标,积极进行业务结构的整合和优化,在业务布局上形成了以非常规油气勘探和干热岩勘探为主要支撑服务对象的能源钻探技术、以深海天然气水合物取样和海底钻探为特色的海洋钻探技术和以覆盖区地质调查、城市地下空间探测、环境地质调查和军事地质调查等为应用目的的多目标浅层钻探技术等三大钻探技术系列。攻克了一批对行业发展具有引领作用的关键技术,形成了一批具有国际先进、国内一流水平的科技成果。 

   新时代开启新征程,北京探工所与时俱进,积极走进新时代地质调查的主战场,发挥自身传统优势,部署开展了资源和生态文明并重的区域地质调查工作,再次吹响了建功立业的号角。

 

 

创新成果海域天然气水合物保温保压取样技术打破国外垄断

   保温保压取样技术作为海域天然气水合物资源调查评价的关键技术手段,一直被国外封锁垄断,严重影响了我国海域天然气水合物资源开发进程。自2008年起,北京探工所便致力于具有我国自有知识产权的海洋钻探取样技术的研发,成功研制出模块式、系列化的海洋钻探取样器具,填补了国内海洋钻探取样技术的空白。

   2012年3月,成功实施水深200米、钻深300米的海洋钻探取心作业,创下了国内海洋钻探取心水深及钻深的新纪录;2014年8月,连续突破588米和1720米水深纪录,完成钻深100米全孔取心作业,成为我国自主实施的超深水钻探第一钻。

   2014年,成功研制出适应我国现有海洋工程装备的海域天然气水合物保温保压取样器具样机,2015年9月承担了我国首次自主实施的海域天然气水合物钻探取样勘查工作,大获成功。

   实践证明,北京探工所研发的海域天然气水合物保温保压取样技术已达到国际同等水平,成功突破国际垄断,填补了国内空白,标志着我国已具备采用自主技术开展海域天然气水合物钻探取样勘查的能力。  

    


创新成果地质钻探复杂地层冲洗液关键技术获重大成果

   钻探冲洗液技术是北京探工所的传统优势,经过多年的创新性研究,攻克了诸多关键技术,形成了一套适应地质钻探特点的复杂地层护壁、护心及堵漏系列工艺技术。该成果获国家发明专利6项,实用新型专利2项,国家重点新产品1项,出版专著2部,发表论文63篇,并获得中国地质调查局2016年地质科技奖一等奖和2017年度国土资源科学技术奖二等奖。

   项目主要创新成果有:

   ——研制了多功能剂(MBM)、防塌减阻剂(GFT)、成膜剂及抗盐增粘剂(GTQ)等9种新型泥浆材料,增加了钻探冲洗液材料的种类。

   ——研制的耐高温钻井液为青海共和盆地干热岩GR1井(236℃)钻探提供了有力的技术支撑,环保型海水冲洗液为南黄海大陆架环境科学钻探工程提供了安全保障。研发了成膜护壁冲洗液技术,解决了分散剥落地层、松散地层孔壁失稳、取心率低的难题,实现了水基冲洗液性能的突破;研发了强抑溶冲洗液技术,成功替代了油基冲洗液,解决了钾盐钻探过程中光卤石、溢晶石等强溶蚀性地层护壁难、取心难、冲洗液成本高等问题。

   ——研制了溶胀型随钻堵漏剂、高失水堵漏剂、成膜堵漏剂、有机凝胶及快速固结堵漏配方,研发了孔口密封装置及随钻堵漏、高失水堵漏、交联成膜堵漏、化学触变堵漏及凝胶隔水堵漏工艺,形成了适应地质钻探小井眼特点的系列快速堵漏技术。其中,化学触变、快速凝胶堵漏技术实现了小井眼堵漏技术的突破。

   ——将流变学理论、孔壁稳定理论与绳索取心钻进及现场施工工艺紧密结合,提出了小井眼地质钻探从冲洗液、钻孔结构设计及施工工艺三个方面稳定孔壁的原理与方法。

 

钻井液专家在2011年第一届全国地勘钻探职业技能大赛现场进行技术讲解


创新成果研制成功世界首台永磁直驱顶驱钻机

   北京探工所将永磁变频直驱技术与控制技术应用于深孔钻探装备中,研制了钻进深度超过3000m,最大终孔直径150mm的新一代钻机,该钻机为世界首台永磁电机直驱顶驱钻机。满足深孔复杂地层钻探对高效能钻机的迫切需求。已经完成了浙江临安页岩气勘探井施工试验,终孔深度为2328米,终孔直径150mm,全孔段连续取心。具有节能减排、性能优越、极简结构、智能化等鲜明特点。

   ——相比全液压钻机,克服了其行程短、提升力弱、能源利用率低等缺陷。相比液压顶驱及异步电机顶驱,又克服了其能耗高、功率因素偏低、控制算法复杂等缺陷。

   ——区别于异步电机,永磁电机取消转子线圈,即使在轻载情况下,电机依然保持较高的功率因数和效率,节省大量能源。

   ——其自身性能极大提高了电机极数,虽然体积小却实现了低速大扭矩,很好地契合了钻探工艺的需求。

   ——采用矢量控制可实现零速大扭矩,工作过程中随时悬停,采用直驱并取消设备中的工作钳,结构简单,维保成本低。

   ——采用自动化控制技术,工作过程可监控可查询,实现了操作智能化,降低了人工操作强度,提高了工作安全性。

 

创新成果深部硬岩钻探金刚石钻头技术取得重大突破

   针对深孔油气勘探难钻进硬地层,自2011年以来,北京探工所开展了金刚石全面钻头的研究。在钻头胎体配方、结构设计和制造工艺上均取得了重大突破,成功研制了拥有自主知识产权的NR826M复合镶齿式全面金刚石钻头系列(直径105~333mm)。

   钻头首先在川东北元坝气田钻井中得到应用。川东北自流井底部珍珠冲含砾地层、高研磨性须家河地层、磨溪区块的沧浪铺地层等难钻进硬地层,以往都是使用牙轮钻头或者租赁国外涡轮钻头钻具进行钻进。该钻头配合国产中速螺杆(或高速螺杆)在上述地层钻进取得了良好的效果,在保证机械钻速的基础上平均寿命达到了牙轮钻头的3~8倍,减少了起下钻次数,提高了钻进效率,综合性能达到国际先进水平,实现了高端孕镶金刚石头的国产化,性价比优势明显,打破了国外在这一领域的垄断地位。

   该钻头在以下三个方面实现了技术创新:

   ——超细晶热压胎体配方。该种胎体各项性能指标远高于现有胎体材料,如抗弯强度可达2066MPa,是常规的1.7倍,硬度在33-35HRC,抗冲击韧性大于15J/cm2,是常规的3.75倍。

   ——多刀翼复合齿切削具结构。通过多个刀翼交错循环式设计,保证较高的机械钻速和很高的寿命。高强复合切削齿具有极高的耐用度和抗研磨性,在火成岩、致密胶结砂岩、含砾石地层以及软硬交错频繁地层时,仍然游刃有余。

   ——独特的钻头制造工艺技术。采用二次镶嵌钻头制造工艺,降低了烧结过程对金刚石的热损伤;镶嵌到钻头体上具有自锐功能的金刚石切削齿比整体烧结钻头更加耐磨,极大延长了钻头寿命。

 

创新成果浅层取样钻探技术和装备体系服务绿色发展

   实现绿色勘查是贯彻十九大精神,保护生态环境,建设美丽中国的重要举措,浅层取样钻探技术是实现绿色勘查的关键技术方法之一。北京探工所已经构建了国际先进的浅层取样装备体系和技术方法体系。

   ——浅层取样钻探装备体系。研发了300m以浅的系列浅层取样钻探装备,包括:便携式钻机系列;轻便钻机系列;模块化液压钻机系列;履带式液压钻机系列;车载钻机系列;环境调查取样钻机系列;ROV用海洋调查取样钻机系列。取得多项发明专利,部分成果达到国际领先水平。

   ——特殊地质地貌区浅层取样钻探技术方法体系。该体系已经涵盖新疆荒漠戈壁区、内蒙干旱半干旱草原区、干旱沙漠区、青藏高原冻土区、东北森林沼泽覆盖区、南方河湖沉积覆盖区、西南森林草甸覆盖区等特殊地质地貌区。

   ——浅钻勘查技术方法体系。构建了由“以钻代槽”勘查方法、浅钻化探取样技术、“浅钻-测试”快速勘查方法、浅钻填图方法以及生态环境调查取样技术方法、海洋调查取样技术组成的浅钻勘查技术方法体系。部分成果达到国际先进水平。

 

 

创新成果高温地热钻探技术体系达到国际先进水平

   北京探工所经数十年科学研究、技术攻关和现场应用,形成了具有自主知识产权的高温地热(干热岩)钻探技术体系,总体达到世界先进水平。

   主要技术创新成果:

   ——高温钻井液技术。形成了耐260℃高温水基钻井液体系、高温泥浆材料和高温泥浆测试评价技术;自主研发了耐温320℃、耐压210MPa的高温钻井液测试仪器。

   ——高温固井技术。针对高温地热(干热岩)固井施工特点和技术难点,研究了固井工艺和高温固井水泥浆体系,可满足260℃高温条件下长井段固井的需要,保证了260℃高温固井质量。

    ——高温地热平衡钻井。关键在于如何维持地层孔隙压力、水饱和蒸汽压力与孔内泥浆液柱压力的动平衡,钻进过程中,实时监测泥浆出口流量和温度,适时调整泥浆性能,从而维持孔内压力平衡,确保实现安全高效平衡钻进。

   ——耐高温旋转防喷器系统。研制了耐高温旋转防喷器系统,可平衡260℃饱和蒸汽压,满足300℃以上高温地热(干热岩)井的钻探作业需求。

   ——耐高温、高转速系列涡轮钻具。研制了温度高于200℃的Φ89、Φ127、Φ178的耐高温、高转速涡轮钻具。其中Φ89涡轮钻具为国内现有最小规格的涡轮钻具。

   ——小口径等壁厚螺杆钻进技术。研制成功出国内首套Φ89mm小口径等壁厚螺杆钻具,完善了我国螺杆钻具系列,该钻具具有耐高温、扭矩大、转速高、寿命长等优点,适用于深井高温硬岩地层钻进。

 


创新成果:国内首台超高温高压钻井液流变仪研发获得成功

   北京探工所形成了具有自主知识产权的钻井液流变性、润滑性、滤失性、封堵性、抑制性等性能测试的仪器系列。在高温高压钻井液、压裂液性能等测试技术方面打破了国外技术和产品垄断。产品在全国各地的实验室和钻探现场得到了广泛的应用。

   ——依托国家重大科学仪器设备开发专项研制了国内首台超高温高压钻井液流变仪,攻克了高温高压自动控制技术、高精度粘度测量技术、流变性数据处理技术等多项难题,实现了耐温320℃、耐压210MPa的设计指标。解决了钻井液体系的高温高压或低温高压评价难题。该仪器有台式和便携式两种规格,适用于实验室和施工现场,包括钻井平台和钻探船的实验室。

   ——研制的WT-HTHPQD-II型堵漏评价测试仪,最大工作压力40Mpa,最高工作温度为260℃,解决了致密砂岩地层堵漏测试评价难题,并已在实际中应用。

   ——针对地质岩心钻探特点,研制与之配套的TGLW系列钻井液离心机及固控循环系统。设备具有体积小、效率高、易搬迁等优点,适应不同钻井液固相处理要求。最小清除固相可达5μm。

 

         超高温高压钻井液流变仪                                 钻井液固控设备                   

 

创新成果基础地质成果为生态建设提供依据

   党的十八大将生态文明建设提高到一个新高度,2016年以来,北京探工所承担了中国地质调查局“内蒙古中东部荒漠草原浅覆盖区1:5万填图试点”二级项目,项目实施两年来,依托钻探揭露为主的技术方法,以问题需求为导向,服务能源资源调查和生态文明建设,以突出解决大兴安岭成矿带西南段重要基础地质问题、成矿地质背景和华北北缘重要生态脆弱区新生代地质问题等为重点方向,取得了阶段性的进展与成果。

   ——在锡林郭勒盟阿巴嘎旗发现大兴安岭成矿带西南段存在元古代以前的古老陆块。

   ——揭示了科尔沁沙地第四系下存在大面积中酸性岩浆岩。

   ——对内蒙古中东部科尔沁沙地和浑善达克沙地新生代地层的综合分析,认为上述区域现今河流体系发育在3050年左右的湖相沉积之上,而在此之前该区域已经存在古代沙漠。

   ——水资源匮乏和不合理的开发利用,造成了浑善达克沙地与科尔沁沙地环境的恶化。

   党的十九大以来,建设美丽新中国,解决美好生活需要和不平衡不充分发展之间的矛盾,已经成为发展的新命题。内蒙古中东部是“京津冀”乃至华北北缘最为重要的生态脆弱区,是首都北京的生态屏障。北京探工所科研团队将在调查揭示前新生代基岩地质结构的同时,更加注重加强新生代地层序列的调查,了解沙地形成的地质背景和历史规律,调查水资源与地层之间的关系,为区域生态文明建设提供基础地质数据。

 

[责任编辑:zhj]

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