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练就“手眼合体” 向地下更深处要资源

企业报道  2022-11-14 13:41:11 阅读:2391

  ——国机集团中地装5000米地质岩心钻机关键技术与装备创新发展纪实

  4017.50米!

  2021年6月的一天,由国机集团中国地质装备集团有限公司(以下简称“中地装”)牵头完成的5000米地质岩心钻机关键技术与装备,在JZ04地热地质勘探井,采用P规格绳索取心钻具智能化控制钻进,终孔深度达到4017.50米,岩心采取率达到97.08%,实现了探采合璧,创造了两项亚洲纪录,这让参与其中的科研人员激动不已。

  经过3年多时间的研发攻关,中地装超额完成预定目标,在理论、技术、工程、装备等方面均实现了重大突破,满足了我国“十四五”乃至中长期发展对于地质装备提出的时代需求,也满足了5000米地质绳索取心钻探、4000米地热水井钻探、3000米油气钻井的实际需要,解决了我国5000米深地质岩心钻探技术与装备的缺失问题,极大地提升了我国地球深部探采的能力和影响力。

全井场控制车间现场.jpg

全井场控制车间现场

  进军,向新领域出发

  探索地球深处是人类走进大自然、挑战新极限的伟大壮举,同样是一项艰难事业。一直以来,人类试图与地球“对话”,揭开自然界奥秘,合理利用地球资源,谋求更高质量发展。

  从20世纪开始,世界各国以深井油气钻探装备为依托开展大陆科学钻探工程,其中最深的一个钻孔SG-3超深孔1986年达到1.13万米。成果显示,地下深度2000米以内是地下水资源和人类可利用的空间;深度5000米左右到1万米左右则是能源和资源空间,有丰富的油气、矿产和地热资源。

  随着我国进入资源能源快速发展的阶段,深地、深热、深油、深矿、深铀的需求不断增加,我国对能突破3000米深的探采一体化装备的性能、效率、能耗、操控等方面提出了更高的要求。国机集团高级专家、中地装(北京)科学技术研究院有限公司总经理、党委副书记朱江龙表示,“‘十三五’以来,我国地勘行业普遍存在的问题是传统油气钻机不适用于打地质调查井,地质勘查钻机不适用于地热、油气探井,‘看得到的采不着’和‘采得着的看不远’。行业亟需开发具备‘手眼合体’功能的深地钻探技术装备,来解决这个棘手难题。”

  为了进一步提升我国固体矿产资源、地热能源、非常规油气高效率、经济性、高质量的探采水准及能力,2018年7月,中地装启动“5000米地质岩心钻机关键技术与装备研制”专项。据朱江龙介绍,该项目的主要任务是从基于地质矿产、基于小口径取心钻探、基于2000米以浅、基于机械传动的传统装备,向5000米深度、满足钻完井及取心勘探等工艺要求、适应火山岩及沉积岩等全地层条件、适用基于大口径122毫米的新型地质装备迈进。

  简单来说就是,中地装攻关的项目不仅要在深度地质钻探方面实现针对地质取心钻杆实施全流程“近无人值守”的自动化作业;而且还要在油气地热钻井方面达到保障全井场、全流程、多工艺、大功率的钻井装备操控集成的“一体化操控”。

  为了实现这个功能,国机集团中地装针对性开展大深度、高效率、轻量化地质钻探关键技术与装备研究。面对我国深部开采理论、技术、装备方面与国际先进水平有较大差距的情况,中地装在行业率先构建了钻探装备轻量化、钻进控制智能化、孔口作业自动化、孔内钻具系列化、钻探工艺标准化、泥浆体系绿色化“六化”技术路径和顶层架构,以确保国家重大科技研发项目的顺利执行与验收。

  攻关,解决“三高”难题

  超深孔探采一直是世界级难题,其中最难以攻克的问题,便是要克服地球的高温、高压、高地应力问题。朱江龙表示:“地球深部极端环境下,钻头消耗大、易斜难保直、地层难预知,施工周期长,风险因素大,施工费用高……面对这些难题,无论是国内还是国外,都很难找到可以借鉴的成熟先例。”

  为解决这些难题,朱江龙带领的项目组进行了艰苦卓绝的科研攻关。

  以国机集团中地装设计部主任、第二党支部书记臧臣坤为代表的研发团队,聚焦攻坚克难、深入工厂车间、值守户外测试,在党建引领下积极应对实战挑战;以孙军盈、宋志亮、黄江涛等电、液压工程师为代表的自动化小组,从零起步,攻关铁钻工、自动井架工、自动猫道以及多功能变频顶驱等自动化系统;以谢磊、高志雄等为代表的青年技师团队,担任主副司钻,协助安装调试,在酷暑寒冬中三拆三落200多吨的钻井装备、60米高的自升井架,涉及上万个零部件。经过4000多米钻套管的下钻、取心作业等过程的检验,项目组最终赢得了生产试验单位从工人到井队长、验收团队及业内专家的一致好评。

  经过3年多的努力,专项课题顺利完成了钻深能力5000米(H级)的地质深部钻探成套装备及适用于薄壁外平地质管柱的井口自动化作业系统的研制工作,创新性研制出同步适应地质小口径绳索取心钻探、大口径地热水井钻探及油气钻井工艺的变频电传动顶驱系统,实现了一孔多工艺、一机多用。

  其中,井口作业全流程自动化系统实现了薄壁外平地质管柱井口作业自动化程度90%以上,并具有多领域、多规格钻探适应性;多工艺变频电传动顶驱系统适用地质、地热、油气不同领域钻探与钻井需求的变频电传动顶驱系统,提高了深部地质钻探、地热探采、油气地质调查等深地工程的综合效率;全井场集成控制系统实现了管柱全流程作业、设备全井场管理、钻进参数全数字化,扭转了传统地质钻机严重制约深孔地质钻探效率与安全的落后局面。

  据朱江龙介绍,中地装在这三项技术基础上,成功研发的5000米智能交流变频电驱地质岩心钻机、地质钻探技术智能钻进控制系统、P-5000高性能薄壁绳索取心钻杆、小口径高效系列钻具、绿色环保冲洗液体系与废浆处理技术等深孔钻探关键技术与装备,构建了以金刚石绳索取心工艺为主体的5000米以内地质特深孔钻探技术体系,在技术先进性、工艺适配性和产业经济性方面取得了良好的平衡。

  2021年9月11日至12日,项目专家组在听取课题有关情况介绍、实地考察JZ-04井工程试验示范现场、审阅相关文件资料及进行质询和讨论后,一致通过了绩效评价。该项目刷新了我国钻井业装备应用的纪录,为工程节省大量资金,保障了钻孔安全,对提升我国深孔地质岩心钻探井口作业的自动化水平具有重要意义。

作业现场.jpg

作业现场

  成就,应用成果明显

  深部能源探测与利用是一项系统工程。5000米地质岩心钻机关键技术与装备项目得以顺利收官是中地装在技术沉淀和经验积累基础上厚积薄发的结果,集成了一个阶段内的先进科技成果,侧面反映了一个企业发展水平的高低。

  近年来,国机集团中地装紧跟行业发展,一直致力于深部地质装备的可持续性发展,钻深能力从3000米到5000米,钻孔直径从76毫米到150毫米,装备形式从机械立轴、转盘到电动顶驱,应用领域从地质、地热到非常规油气,完成多项国家重大工程项目,数次刷新深部地质钻探深度纪录和钻深效率纪录。“十三五”以来,深地装备累计销售30台,产值过亿元,得到了各领域市场的高度认可。

  在战略矿产资源领域,2021年3月,某3000米科学深钻工程采用中地装XD-40DB型4000米等级的变频电传动顶驱钻机,在江西省相山镇(中国铀矿基地)杏树下地区钻进深度突破大口径3000米。该深度是迄今为止国内150毫米大口径绳索取心的最大钻深纪录,达到国际先进水平。

  在深部地质勘查领域,2022年6月,山东省地矿局六队承担的“山东省招远市大尹格庄金矿3000米科学钻探”项目利用中地装XY-9DB变频电传动钻机完成数字化、自动化的装备升级,使80ZK2101号钻孔突破3100米设计深度,台月效率近500米,再次刷新了全国小口径钻探同类型钻孔钻进效率纪录。

  在非常规油气勘探领域,2022年6月,250吨级4000米钻深能力的DQ40BS型高性能变频电动顶驱钻井系统,实施豫中地质勘查公司承担的山西蓝焰集团HL-70L1煤层气定向井施工项目,大幅度降低能源钻井门槛,提高了钻井效率,顺利完成水平定向及分支井的施工,得到了客户一线及高管人员的高度评价。

  ……

  “目前,我们成功研发的5000米地质岩心钻机关键技术与装备正源源不断地应用到众多地质勘探和资源开发领域,与传统作业相比,我们从‘摸着钻’,到‘算着钻’‘看着钻’‘变着钻’,再到现在的‘自动钻’,自动化水平与日俱增。”朱江龙自信地说:“未来,我们将以智能化为方向,推动实现‘智能钻’。”


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