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中国地质调查局北京探矿工程研究所科技创新服务绿色勘查集萃

2019-04-22      来源:中国矿业报     作者:刘艾瑛
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  自然资源部中国地质调查局北京探矿工程研究所(以下简称“探矿工程所”)始创于1957年,从我国勘探技术“零起点”出发,艰苦奋斗,矢志国家地质勘探技术研究,1959年在北京周口店建立勘探试验站,从此开始了以地质勘探科研报国的漫漫征程。

  上世纪70年代,以探矿工程所为首的一批国内大名鼎鼎的泥浆、勘探技术专家进驻西藏羊八井,提出了地热钻井与成井一整套技术与工艺措施,成功解决了一系列难题,取得十多项重大科研成果,获得原地质矿产部科技成果一等奖。

  1984年与1985年交替之际,原地质矿产部决定,“周口店勘探试验站”改为独立的县团级事业单位,这标志着勘探试验站正式独立,名称改为“地质矿产部勘探试验站”。从此拉开了我国科技体制改革试点工作的序幕。

  1985年10月28日,原地质矿产部正式批准将“地质矿产部勘探试验站”更名为“地质矿产部探矿工程研究所”。

  1995年,探矿工程所受邀指导完成西藏羊八井钻探工程,确立了其深部高温地热钻探技术在国内的领先地位。

  2000年8月25日,经中央编制办公室批准,“地质矿产部探矿工程研究所”更名为“北京探矿工程研究所”。

  2002年初,探矿工程所正式划归原国土资源部管理,隶属中国地质调查局。特别是从2005年1月起,该所作为中国地质调查局的直属单位,积极主动切入地质调查主战场,地质调查支撑服务作用和技术创新能力实现了质的飞跃。

  2017年5月,我国南海神狐海域天然气水合物试采实现历史性突破,自主创新完成20项关键技术和7项重大技术装备。探矿工程所作为参研单位之一,其自主创新的保压取样技术和天然气水合物保温保压取样装置位列其中,打破了国外垄断。

  同年12月1日,广州海洋地质调查局专门给探矿工程所发来热情洋溢的感谢信,特别感谢其为“海马”号ROV配套研制的反循环结壳钻机,在大洋41B航次大洋富钴结壳调查中,成功打穿了3个站位的结壳矿层。这是我国深海遥控机器人首次搭载钻机作业并一举获得成功。

  2018年,探矿工程所高度重视自然资源部中国地质调查局党组要求和局重大部署,牵头组织局属相关单位同国内外钻井装备设计机构、科研院所和生产制造企业开展交流合作,协同创新技术攻关,积极落实重大部署。同时,该所还与局属工程、二级项目承担单位紧密合作,高质量完成了东南沿海、雄安地热、下扬子页岩气、油气田铀矿、准噶尔、北方石炭、陕东晋西等7项预算单列钻探地质调查任务,在钻探调查中战胜了高原、戈壁等艰苦环境,克服了严寒、暴雪、台风等恶劣天气,解决了多种复杂地层钻进难题,获取高质量岩心实物资料及地质信息。

  探矿工程所的发展堪称我国地勘行业的历史缩影,60多年厚重的技术积淀和人才优势,已经延伸到设备的科技创新中。

  该所自主研制的3000米永磁直驱顶驱钻机成功应用于广东省惠州市惠热1井高温地热资源钻探地质调查,惠热1井目前是广东省钻孔深度最大、水温最高、自喷流量最大的地热勘探井。

  新时代,探矿工程所坚决贯彻绿色勘查理念,以地质钻探及高温地热钻探钻井液固相控制技术、3500米的永磁直驱顶驱钻机系统等,积极开展地质钻探绿色环保施工,同时也吹响了雄安新区地热清洁能源调查评价的进军号角,以科技创新续写行业传奇。

  针对地质钻探绿色环保施工的要求,探矿工程所成功研制TGLW系列钻井液离心机、QJQ系列泥浆清洁器、TG振动筛及多级钻井液固控循环系统,具有体积小、质量轻、模块化、易搬迁等特点,可实现钻井液不落地循环处理,有效清除有害固相。

  钻井液离心机采用单电机结构模块化设计,最小分离粒度5μm,可匹配变频控制系统实现无级调速,适应不同地层特性,填补了国内小口径地质钻探用离心机空白。泥浆清洁器将水力旋流器与振动筛有机结合,可清除20μm~74μm有害固相。钻井液固控循环系统可根据不同钻探需求匹配固控设备,改变了传统钻井液自然沉降处理方法,减少了钻井液排放对环境污染,满足清洁化生产的需要,符合绿色勘查、绿色钻探的要求;循环过程中的液相回收利用,固相集中回收处理,符合国家节能减排要求,对加快实施绿色低碳和推进生态文明建设重大战略部署具有重要意义。目前,固控设备及系统已在青海、新疆、四川、甘肃、内蒙古等多个资源勘探和科学钻探工程现场取得了成功应用。

  在地质钻探固控系统研究基础上,为支撑高温地热清洁能源勘探要求,形成了撬装模块化五级固控及钻井液冷却系统,处理量可达180立方米/小时,可实现高温环境下等钻井液处理及降温需要,为高温地热(干热岩)钻探提供有效技术保障。

  地热能是一种新的绿色清洁能源,在当今人们的环保意识日渐增强和能源日趋紧缺的情况下,对地热资源的合理开发利用已愈来愈受到人们的青睐。2017年4月,国家级新区雄安新区横空出世,其目标是建成“蓝绿交织、清新明亮、水城共融、多组团集约紧凑发展的生态城市”,以地热能为主,多能互补的供暖方案率先被提出,并把“打造全球地热利用样板”作为目标之一。

  据此,探矿工程所参与中国地质调查局地调项目《雄安新区地热清洁能源调查评价》,组织实施雄安新区D14地热探采井工程。为适应雄安新区对环保的要求,现场钻机动力由柴油机动力改造为变频电力驱动,采用电传电控新技术、自动送钻技术加强对施工过程的监控,提高钻进效率,减少能耗;地热井实施过程中采用绿色环保泥浆体系,采用新技术对废浆进行处理,加装泥浆处理系统,减少井场对环境的污染。雄安新区钻探施工现场做到了设备动力不冒烟,泥浆不落地,减少了排放,降低了工程对环境的污染。该井于3月16日钻进至2500米,并顺利终孔。

  雄安乃至京津冀地区地热资源丰富,开发利用前景广阔。钻探地质调查是精确获取深部地层地热、地质学参数的唯一手段,也是目前地热资源开发利用的唯一途径。该项目通过整理和分析雄安新区地质和钻探资料,总结区域地热钻井关键技术难题及对策,形成区域地热钻探地质调查技术报告,可为雄安、京津冀地区乃至全国地热资源钻探地质调查提供借鉴与指导,对促进我国高温地热资源绿色调查和开发利用进展有十分重要的意义。

  为推进国家深部找矿战略实施、提高智能地质装备能力建设水平,自2011年起,自然资源部中国地质调查局北京探矿工程研究所组织专业力量对3000米以深顶驱钻机系统进行深入系统研究,创新永磁电机直驱钻机技术,掌握新一代智能化地质钻机系统核心技术。

  探矿工程所于2015年研制成功世界首台3000米永磁直驱顶驱钻机系统,填补了行业空白。该钻机成功应用于浙江临安页岩气勘查LC-1井试验工程(完钻深度2328米,终孔直径150毫米),在广东惠州惠热1井地热井工程完钻深度为3009米(终孔直径150毫米)。在此基础上,2018年研制成功3500米永磁直驱顶驱钻机系统,进一步提升了自动化控制水平,通过试验孔施工试验,验证了设计思路,达到了设计要求。

  其中,惠热1井是迄今为止广东省内水温最高、自喷流量最大的地热资源调查井,实现了广东乃至东南沿海地热资源勘探的重大突破。通过创新应用自主研发的永磁直驱顶驱钻机、高温井控、复合钻进、高温钻井液等装备和技术,有效破解了高温钻探技术难题,初步形成了一套高效环保的高温地热钻探调查技术新体系。

  探矿工程所研制的永磁直驱顶驱钻机系统,通过变频系统进行无级调速,具备结构简单、维保方便、能耗制动、自动化程度高等特点。钻井作业过程中,具备超钻深、大负荷、长行程、高处理能力等优势。司钻作业智能化、自动化,具备自动送钻功能。可接入电网进行施工,不依赖柴油发电机组进行野外作业,发挥永磁电机高功率因素的优势,相比同规格普通电驱钻机节约电耗超过20%,具备节能减排的巨大优势。钻机的成功研制与应用为我国绿色勘查体系发展提供了大型装备支撑。

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