冉恒謙，梁健，梁楠，薛倩冰，馬莎莎

（中國地質科學院勘探技術研究所，河北 廊坊065000）

0 引言

中國地質科學院勘探技術研究所是自然資源部中國地質調(diào)查局直屬正局級事業(yè)單位，中國地質學會探礦工程專業(yè)委員會掛靠單位，行業(yè)期刊《鉆探工程》（原《探礦工程（巖土鉆掘工程）》）主辦單位。主要開展地質鉆探基礎理論、前沿技術研究與裝備設備研發(fā)，承擔深部探測、能源資源勘探開發(fā)、海洋調(diào)查等重點前沿領域的地質調(diào)查鉆探任務與工程示范，開展鉆探科技成果轉化與推廣應用，支撐生態(tài)文明建設，服務現(xiàn)代礦業(yè)發(fā)展，開展成果、資料和數(shù)據(jù)的社會公益性服務。“十三五”期間，勘探技術所面向國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，明確科技成果轉化目標任務和工作重點，加快推動科技成果轉化為現(xiàn)實生產(chǎn)力，科技創(chuàng)新和科技成果轉化方面雙翼展翅，在定向鉆井技術及儀器、深部鉆探技術與裝備、海洋鉆探技術與裝備等重點研究領域取得了較好的成果，為建設世界一流的新型地質調(diào)查局做出了應有的貢獻。

1 “十三五”科技創(chuàng)新回顧

1.1 定向鉆井技術及儀器

2016年至今，依托高精度定向鉆井中靶導向技術——“慧磁”中靶系統(tǒng)，開發(fā)出多井組對接技術，實施了土耳其貝帕扎里5期的46個三井組對接井、6期的33個三井組對接井和卡贊1～3期天然堿對接井采礦工程 的99個三井組對接井［1-6］，見圖1；2019年，開展了美國帝國資源水溶采礦的定向對接井技術咨詢服務，見圖2。

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

2016年，擴展了高精度定向鉆井中靶導向技術應用領域，應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接井鉆探技術，達成多井連通水合物試開采［7］，實現(xiàn)了鉆探效率高、開采效率高、技術成本低的技術創(chuàng)新，在我國陸域天然氣水合物試采中首次應用，見圖3和圖4。

2020年，創(chuàng)新升級了第四代“慧磁”中靶系統(tǒng)（見圖5），系統(tǒng)采用了低噪版?zhèn)鞲衅?，通過增強磁信號、干擾波過濾和電路重組等多種手段，將探測距離增加了30%，對接精度≤100 mm，磁信標正常工作時間可達25 d，助力海域天然氣水合物第二輪試采實現(xiàn)了從“探索性試采”向“試驗性試采”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 美國定向對接井技術服務Fig.2 Directional drilling services in US

圖3 水平對接井試采原理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 深部鉆探技術與裝備

2018年，牽頭實施完成了“松科二井”重大科學鉆探工程（見圖6），完鉆深度為7018 m，是亞洲國家實施的最深大陸科學鉆井，是國際大陸科學鉆探計劃（ICDP）組織成立22年來實施最深的鉆井［8-9］。其中，大口徑同徑取心與長鉆程取心技術已創(chuàng)下多項世界紀錄，即311 mm大口徑連續(xù)取心最長1650 m、3種不同口徑（311、216、152 mm）單回次取心最長（30、41、33 m）、高溫鉆井液技術創(chuàng)造了我國241℃最高井溫應用紀錄［10］，KT系列取心鉆具、渦輪鉆取心技術、大口徑繩索取心技術及鋁合金鉆桿技術等系列研究成果為后續(xù)的萬米特深科學鉆井提供技術儲備，實現(xiàn)了理論、技術、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用技術（見圖7），開拓技術市場、拓展應用領域，在新疆克拉瑪依瑪湖區(qū)塊的風險探井瑪頁1井進行了取心技術服務，再創(chuàng)216 mm口徑單回次取心進尺世界新紀錄（回次取心41.97 m）；同時，創(chuàng)造新疆地區(qū)連續(xù)取心最長紀錄（連續(xù)取心445.58 m，巖心采取率97.96 %），設計取心工期125 d，僅用工期61 d，即用48.8%的時間完成了162%的取心工作量。

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

2018年，國家高技術研究發(fā)展計劃（863計劃）“4000米地質巖心鉆探成套技術裝備”課題通過技術驗收，創(chuàng)新研發(fā)了4000 m交流變頻電驅動地質巖心鉆機和系列鉆具等，初步創(chuàng)建適合我國技術特點的、具有自主知識產(chǎn)權的小直徑特深孔繩索取心鉆進技術體系，并助力京津冀及雄安新區(qū)地熱資源調(diào)查鉆探工程，見圖8。

圖8 地熱資源調(diào)查鉆探工程Fig.8 Geothermal resources survey drilling project

2018年，牽頭并聯(lián)合國內(nèi)9家單位，成功申報了“十三五”國家重點研發(fā)計劃項目“5000米智能地質鉆探技術裝備研發(fā)及應用示范”。項目從構建大深度繩索取心鉆孔口徑系列入手，開展了復雜地層鉆進智能控制、地質巖心鉆機關鍵技術研究與裝備研制、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、鉆探技術裝備集成與示范等研究。擬突破智能控制、高效鉆進、輕量化與模塊化等關鍵技術［11-22］，見圖9。2020年11月，項目通過中期評審驗收。

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

1.3 海洋鉆探技術與裝備

2018年至今，開展了深海鉆探鉆桿柱組合、膨脹套管護壁及事故處理工藝、硬巖取心鉆進和連續(xù)取心工藝等關鍵技術研究，攻關無隔水管泥漿循環(huán)系統(tǒng)、鉆井重返位系統(tǒng)、巖心處理系統(tǒng)等關鍵設備［23-28］（見圖10），協(xié)助廣州海洋地質調(diào)查局開展大洋鉆探船設計與建造工作，為深海地質調(diào)查和大洋科學鉆探支撐提供了必要的工程技術手段。

2019年，針對淺軟地層造斜率低的難題，創(chuàng)新性提出大彎角、高墊塊、超短螺桿馬達造斜鉆具組合，探索出了一套定向鉆進、擴孔鉆進、動力導向下管施工工藝，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計提供了關鍵依據(jù)和關鍵鉆井技術，引領了深海淺軟地層水平井鉆井技術。

2019年，成功研制了國內(nèi)首套深海井口吸力錨技術裝備（直徑6.5 m、高12 m、重96 t，承載力≥5000 kN），聯(lián)合攻關團隊結合第二輪海域天然氣水合物試采工程的具體需求，創(chuàng)新解決了吸力錨結構形式、姿態(tài)監(jiān)控方式和安裝工藝等關鍵技術（垂直精度＜1°），成功研發(fā)了首套國產(chǎn)深海井口吸力錨（見圖11），解決了深海淺軟地層井口支撐力不足的難題，使我國成為擁有完全自主知識產(chǎn)權的深海井口吸力錨技術裝備的國家。

圖10 無隔水管泥漿循環(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、減磨硬質防護涂層技術，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涂層［29-32］，實現(xiàn)了鉆柱可靠、高效、長壽命服役，確立了深部地質鉆探鉆柱組件防護涂層技術體系。

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)新設計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，實現(xiàn)了繩索打撈方式獲取原狀巖心（樣），并增強了取樣鉆具的保壓性能，提高了鉆探工作效率。

通過泵量變化完成割心，創(chuàng)新研制了繩索強制取心鉆具，進一步擴大了繩索取心鉆進工藝的地層適用性，有效保證了多金屬礦復雜地層的巖心采取質量，提升了繩索取心工藝在復雜地層的使用效率及可靠性，為深孔復雜地層取心提供了新的技術思路。

針對現(xiàn)有小直徑膨脹波紋管技術現(xiàn)存弊端，開發(fā)了一種通過液壓系統(tǒng)驅動，可實現(xiàn)膨脹錐頭直徑連續(xù)變化，使波紋膨脹管護壁膨脹后直徑不小于原鉆孔直徑的地質鉆探波紋膨脹管護壁工藝技術與器具。

創(chuàng)新研發(fā)了一種組合中空井底動力繩索取心鉆進裝置，采用中空回轉馬達、中空液動沖擊器與取心內(nèi)總成配合結構，實現(xiàn)了增加繩索取心鉆進井底動力功率的目的，可大幅提高施工效率、擴大繩索取心鉆進方法的應用范圍。

2 目前存在問題的分析

2.1 技術服務能力和領域拓展不足

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

2.2 科技創(chuàng)新和信息化建設能力不足

技術產(chǎn)品迭代升級慢，鉆探理論發(fā)展和技術更新升級慢，影響科技創(chuàng)新速度和力度；檢測測試與試制等設備較落后，且缺乏專用定制設備，影響科技創(chuàng)新的開展。信息化工作起步晚、投入少，鉆探工程信息化程度低，影響鉆探工程實施管理和決策水平的提高；缺乏鉆探工程信息化轉換成創(chuàng)新動能的機制。

2.3 成果轉化與開拓市場難度越來越大

現(xiàn)有技術產(chǎn)品不具壓倒性技術優(yōu)勢，且受限于成本與資質等因素，在石油鉆井、煤田勘探等領域推廣應用愈加困難；同時，地質勘查鉆探準入門檻較低，加之市場萎縮嚴重，價格競爭異常激烈，資金回款壓力大，新產(chǎn)品和技術推廣應用難度大。

3 “十四五”業(yè)務展望

3.1 向地球深部進軍亟需攻關特深科學鉆探技術裝備

拓展深部資源是國際礦產(chǎn)勘查趨勢所在，我國資源勘查也正向深部轉移。深部資源環(huán)境勘查亟待構建萬米以深科學鉆探技術與裝備（15000 m），完善地球深部探測技術體系［36］，形成地球深部探測國家戰(zhàn)略科技力量，為創(chuàng)新深地科學提供工程技術支撐與保障。

3.2 深海探測亟需攻關全海域大洋科學鉆探技術

海洋資源是人類可持續(xù)發(fā)展不可或缺的重要領域，發(fā)展深海資源勘探技術，提升我國深海資源探測能力，自主創(chuàng)新深海井口吸力錨技術與裝備、無隔水管鉆探技術與裝備、鉆孔重返技術與裝備等深水深井鉆探關鍵技術，形成海域勘探開發(fā)技術體系，支撐深?？茖W國際前沿領域取得原創(chuàng)性突破，助力海洋強國建設。

3.3 加快推進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重要的戰(zhàn)略資源，加快推進其提高產(chǎn)量、降低成本，實現(xiàn)商業(yè)化開采需要研制長距離超高精度中靶儀，攻關高強度造斜定向井和群井對接成井技術，為天然氣水合物生產(chǎn)性試采及商業(yè)化開采提供工程技術和裝備支撐［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。深部熱能開發(fā)利用需要攻關耐260℃高溫泥漿、高精度井眼軌跡測控工藝與儀器、硬巖鉆進工藝及配套機具、硬巖水力壓裂等技術，為高溫地熱能鉆采提供工程技術支撐。

3.4 川藏鐵路等重大工程亟需水平定向鉆探技術

川藏鐵路是國家中長期建設規(guī)劃的重大工程之一，是建設難度系數(shù)極高的鐵路，沿線地質條件極其復雜，亟需攻關2000 m以深水平定向鉆探技術、復雜地層取心技術與裝備［38］，支撐解決川藏鐵路活動構造與重大工程地質問題。

3.5 服務生態(tài)文明建設和支撐礦業(yè)轉型發(fā)展亟需攻關綠色地質鉆探技術、智能地質鉆探技術裝備和地質災害防治技術

生態(tài)文明建設和礦業(yè)轉型發(fā)展必須走綠色、低碳、可持續(xù)發(fā)展之路，在開發(fā)中保護，保護中開發(fā)。綠色勘查技術需要深化“綠色鉆探、以鉆代槽、一基多孔、一孔多支”鉆探方法。智能地質鉆探技術需要構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。地質災害防治技術需要研發(fā)生態(tài)化自然格構加固、攔擋等空氣鉆進技術等。

4 結語

勘探技術所將瞄準國家重大需求，依托地質調(diào)查總體布局和轉型發(fā)展新結構，充分發(fā)揮既有優(yōu)勢，加大科技創(chuàng)新和技術研發(fā)力度，推進成果轉化應用，建立與新時代地質調(diào)查工作相適應的地質技術研發(fā)與應用學科體系和人才隊伍，打造世界一流的地質調(diào)查鉆探核心支撐力量。并將努力成為定向對接井鉆探的世界領跑者，深部科學鉆探和海洋地質鉆探工程實施的主力軍，深部能源鉆采工程的重要力量。