定向钻井技术引领 聚焦深地深海探测——勘探技术所“十三五”科技创新回顾及“十四五”业务展望

摘要

全面总结了中国地质科学院勘探技术研究所“十三五”期间在定向钻井技术及仪器、深部钻探技术与装备、海洋钻探技术与装备等方面取得的重要成果，主要包括：创新突破定向水平井钻井及中靶技术，助力海域天然气水合物第二轮试采实现了从“探索性试采”向“试验性试采”的重大跨越；牵头实施完成“松科二井”重大科学钻探工程，实现了理论、技术、工程、装备的重大突破；成功研发了首套国产深海井口吸力锚，解决了深海浅软地层井口支撑力不足的难题。同时，分析了目前存在的问题，并结合当前所面临的挑战，对“十四五”期间的业务发展进行了展望。

关键词

钻探工程; “十三五”; “十四五”; 定向钻井; 深地探测; 深海探测; 勘探技术所

0 引言

中国地质科学院勘探技术研究所是自然资源部中国地质调查局直属正局级事业单位，中国地质学会探矿工程专业委员会挂靠单位，行业期刊《钻探工程》（原《探矿工程（岩土钻掘工程）》）主办单位。主要开展地质钻探基础理论、前沿技术研究与装备设备研发，承担深部探测、能源资源勘探开发、海洋调查等重点前沿领域的地质调查钻探任务与工程示范，开展钻探科技成果转化与推广应用，支撑生态文明建设，服务现代矿业发展，开展成果、资料和数据的社会公益性服务。“十三五”期间，勘探技术所面向国家能源资源等重大需求，采取多方举措提升科技创新能力，明确科技成果转化目标任务和工作重点，加快推动科技成果转化为现实生产力，科技创新和科技成果转化方面双翼展翅，在定向钻井技术及仪器、深部钻探技术与装备、海洋钻探技术与装备等重点研究领域取得了较好的成果，为建设世界一流的新型地质调查局做出了应有的贡献。

1 “十三五”科技创新回顾

1.1 定向钻井技术及仪器

2016年至今，依托高精度定向钻井中靶导向技术——“慧磁”中靶系统，开发出多井组对接技术，实施了土耳其贝帕扎里5期的46个三井组对接井、6期的33个三井组对接井和卡赞1~3期天然碱对接井采矿工程的99个三井组对接井^［1-6］，见图1；2019年，开展了美国帝国资源水溶采矿的定向对接井技术咨询服务，见图2。

图1 土耳其卡赞天然碱矿

Fig.1 Kazan trona mine in Turkey

图2 美国定向对接井技术服务

Fig.2 Directional drilling services in US

2016年，扩展了高精度定向钻井中靶导向技术应用领域，应用于青海木里陆域天然气水合物试采工程，提出的小直径水平定向穿越地下水合物层的对接井钻探技术，达成多井连通水合物试开采^［7］，实现了钻探效率高、开采效率高、技术成本低的技术创新，在我国陆域天然气水合物试采中首次应用，见图3和图4。

图3 水平对接井试采原理

Fig.3 Trial‑producing with the horizontal

intersected well set

图4 青海木里试采点火

Fig.4 Trial‑producing and gas flaring in Muli, Qinghai

2020年，创新升级了第四代“慧磁”中靶系统（见图5），系统采用了低噪版传感器，通过增强磁信号、干扰波过滤和电路重组等多种手段，将探测距离增加了30%，对接精度≤100 mm，磁信标正常工作时间可达25 d，助力海域天然气水合物第二轮试采实现了从“探索性试采”向“试验性试采”的重大跨越，为下一步的水合物多井汇聚连通试采创造了前提条件。

图5 “慧磁”中靶系统原理

Fig.5 SmartMag ranging system

1.2 深部钻探技术与装备

2018年，牵头实施完成了“松科二井”重大科学钻探工程（见图6），完钻深度为7018 m，是亚洲国家实施的最深大陆科学钻井，是国际大陆科学钻探计划（ICDP）组织成立22年来实施最深的钻井^［8-9］。其中，大口径同径取心与长钻程取心技术已创下多项世界纪录，即311 mm大口径连续取心最长1650 m、3种不同口径（311、216、152 mm）单回次取心最长（30、41、33 m）、高温钻井液技术创造了我国241 ℃最高井温应用纪录^［10］，KT系列取心钻具、涡轮钻取心技术、大口径绳索取心技术及铝合金钻杆技术等系列研究成果为后续的万米特深科学钻井提供技术储备，实现了理论、技术、工程、装备的重大突破。

图6 松科二井

Fig.6 Well SK-2

2019年，完善了KT系列取心钻具及其应用技术（见图7），开拓技术市场、拓展应用领域，在新疆克拉玛依玛湖区块的风险探井玛页1井进行了取心技术服务，再创216 mm口径单回次取心进尺世界新纪录（回次取心41.97 m）；同时，创造新疆地区连续取心最长纪录（连续取心445.58 m，岩心采取率97.96 %），设计取心工期125 d，仅用工期61 d，即用48.8%的时间完成了162%的取心工作量。

图7 KT系列取心钻具

Fig.7 KT series coring tools

2018年，国家高技术研究发展计划（863计划）“4000米地质岩心钻探成套技术装备”课题通过技术验收，创新研发了4000 m交流变频电驱动地质岩心钻机和系列钻具等，初步创建适合我国技术特点的、具有自主知识产权的小直径特深孔绳索取心钻进技术体系，并助力京津冀及雄安新区地热资源调查钻探工程，见图8。

图8 地热资源调查钻探工程

Fig.8 Geothermal resources survey drilling project

2018年，牵头并联合国内9家单位，成功申报了“十三五”国家重点研发计划项目“5000米智能地质钻探技术装备研发及应用示范”。项目从构建大深度绳索取心钻孔口径系列入手，开展了复杂地层钻进智能控制、地质岩心钻机关键技术研究与装备研制、大深度高性能薄壁绳索取心钻杆研制、小口径高效系列钻具研究、环保冲洗液体系与废浆处理技术、钻探技术装备集成与示范等研究。拟突破智能控制、高效钻进、轻量化与模块化等关键技术^［11-22］，见图9。2020年11月，项目通过中期评审验收。

图9 钻探设备机具联调联试

Fig.9 Combined test run of drilling equipment

1.3 海洋钻探技术与装备

2018年至今，开展了深海钻探钻杆柱组合、膨胀套管护壁及事故处理工艺、硬岩取心钻进和连续取心工艺等关键技术研究，攻关无隔水管泥浆循环系统、钻井重返位系统、岩心处理系统等关键设备^［23-28］（见图10），协助广州海洋地质调查局开展大洋钻探船设计与建造工作，为深海地质调查和大洋科学钻探支撑提供了必要的工程技术手段。

图10 无隔水管泥浆循环系统示意

Fig.10 Schematic diagram of riserless mud circulation

2019年，针对浅软地层造斜率低的难题，创新性提出大弯角、高垫块、超短螺杆马达造斜钻具组合，探索出了一套定向钻进、扩孔钻进、动力导向下管施工工艺，大幅度提升软弱地层的造斜能力和造斜稳定性，探索出了海域水合物浅软地层大直径高效造斜的钻具组合和成井工艺，为第二轮水合物试采水平井方案设计提供了关键依据和关键钻井技术，引领了深海浅软地层水平井钻井技术。

2019年，成功研制了国内首套深海井口吸力锚技术装备（直径6.5 m、高12 m、重96 t，承载力≥5000 kN），联合攻关团队结合第二轮海域天然气水合物试采工程的具体需求，创新解决了吸力锚结构形式、姿态监控方式和安装工艺等关键技术（垂直精度<1°），成功研发了首套国产深海井口吸力锚（见图11），解决了深海浅软地层井口支撑力不足的难题，使我国成为拥有完全自主知识产权的深海井口吸力锚技术装备的国家。

图11 深海井口吸力锚

Fig.11 Deep sea wellhead suction anchor

1.4 其他钻探仪器装备研发情况

率先研发了钻柱防腐、耐磨、减磨硬质防护涂层技术，研制的基于表面纳米化/微弧氧化、超音速等离子喷涂的系列化防护涂层^［29-32］，实现了钻柱可靠、高效、长寿命服役，确立了深部地质钻探钻柱组件防护涂层技术体系。

基于现有板阀或球阀保压取心钻具闭合成功率低，难以取得良好的保压效果，创新设计了天然气水合物保压取心钻具^［33-35］，研制成功了绳索打捞式保压取心钻具，实现了绳索打捞方式获取原状岩心（样），并增强了取样钻具的保压性能，提高了钻探工作效率。

通过泵量变化完成割心，创新研制了绳索强制取心钻具，进一步扩大了绳索取心钻进工艺的地层适用性，有效保证了多金属矿复杂地层的岩心采取质量，提升了绳索取心工艺在复杂地层的使用效率及可靠性，为深孔复杂地层取心提供了新的技术思路。

针对现有小直径膨胀波纹管技术现存弊端，开发了一种通过液压系统驱动，可实现膨胀锥头直径连续变化，使波纹膨胀管护壁膨胀后直径不小于原钻孔直径的地质钻探波纹膨胀管护壁工艺技术与器具。

创新研发了一种组合中空井底动力绳索取心钻进装置，采用中空回转马达、中空液动冲击器与取心内总成配合结构，实现了增加绳索取心钻进井底动力功率的目的，可大幅提高施工效率、扩大绳索取心钻进方法的应用范围。

2 目前存在问题的分析

2.1 技术服务能力和领域拓展不足

与新时代地质调查总体要求还存在较大差距与问题，依托原有地质钻探技术，支撑服务深部探测、海洋地质调查、能源地质调查等的技术与装备体系不够完善、能力不够强，且亟待拓展在生态地质调查与修复、绿色勘查等方面的应用性支撑。

2.2 科技创新和信息化建设能力不足

技术产品迭代升级慢，钻探理论发展和技术更新升级慢，影响科技创新速度和力度；检测测试与试制等设备较落后，且缺乏专用定制设备，影响科技创新的开展。信息化工作起步晚、投入少，钻探工程信息化程度低，影响钻探工程实施管理和决策水平的提高；缺乏钻探工程信息化转换成创新动能的机制。

2.3 成果转化与开拓市场难度越来越大

现有技术产品不具压倒性技术优势，且受限于成本与资质等因素，在石油钻井、煤田勘探等领域推广应用愈加困难；同时，地质勘查钻探准入门槛较低，加之市场萎缩严重，价格竞争异常激烈，资金回款压力大，新产品和技术推广应用难度大。

3 “十四五”业务展望

3.1 向地球深部进军亟需攻关特深科学钻探技术装备

拓展深部资源是国际矿产勘查趋势所在，我国资源勘查也正向深部转移。深部资源环境勘查亟待构建万米以深科学钻探技术与装备（15000 m），完善地球深部探测技术体系^［36］，形成地球深部探测国家战略科技力量，为创新深地科学提供工程技术支撑与保障。

3.2 深海探测亟需攻关全海域大洋科学钻探技术

海洋资源是人类可持续发展不可或缺的重要领域，发展深海资源勘探技术，提升我国深海资源探测能力，自主创新深海井口吸力锚技术与装备、无隔水管钻探技术与装备、钻孔重返技术与装备等深水深井钻探关键技术，形成海域勘探开发技术体系，支撑深海科学国际前沿领域取得原创性突破，助力海洋强国建设。

3.3 加快推进海域天然气水合物试采和深部热能（干热岩）勘查亟需定向钻探提速增效

海域天然气水合物作为我国重要的战略资源，加快推进其提高产量、降低成本，实现商业化开采需要研制长距离超高精度中靶仪，攻关高强度造斜定向井和群井对接成井技术，为天然气水合物生产性试采及商业化开采提供工程技术和装备支撑^［37］。深部热能（干热岩）资源潜力巨大，低碳清洁、环境友好，可持续利用。深部热能开发利用需要攻关耐260 ℃高温泥浆、高精度井眼轨迹测控工艺与仪器、硬岩钻进工艺及配套机具、硬岩水力压裂等技术，为高温地热能钻采提供工程技术支撑。

3.4 川藏铁路等重大工程亟需水平定向钻探技术

川藏铁路是国家中长期建设规划的重大工程之一，是建设难度系数极高的铁路，沿线地质条件极其复杂，亟需攻关2000 m以深水平定向钻探技术、复杂地层取心技术与装备^［38］，支撑解决川藏铁路活动构造与重大工程地质问题。

3.5 服务生态文明建设和支撑矿业转型发展亟需攻关绿色地质钻探技术、智能地质钻探技术装备和地质灾害防治技术

生态文明建设和矿业转型发展必须走绿色、低碳、可持续发展之路，在开发中保护，保护中开发。绿色勘查技术需要深化“绿色钻探、以钻代槽、一基多孔、一孔多支”钻探方法。智能地质钻探技术需要构建以绳索取心工艺为主体的智能化、模块化、轻量化钻探装备及配套的高效环保钻探工艺技术。地质灾害防治技术需要研发生态化自然格构加固、拦挡等空气钻进技术等。

4 结语

勘探技术所将瞄准国家重大需求，依托地质调查总体布局和转型发展新结构，充分发挥既有优势，加大科技创新和技术研发力度，推进成果转化应用，建立与新时代地质调查工作相适应的地质技术研发与应用学科体系和人才队伍，打造世界一流的地质调查钻探核心支撑力量。并将努力成为定向对接井钻探的世界领跑者，深部科学钻探和海洋地质钻探工程实施的主力军，深部能源钻采工程的重要力量。