? ? ?? 科創(chuàng)平臺｜自然資源部復雜條件鉆采技術(shù)重點實驗室：向“地心”鉆進

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2021-06-04 來源：中國自然資源報

隨著科學技術(shù)的發(fā)展和工程裝備的進步，人類的足跡已經(jīng)登陸遙遠的太空和萬米的海底，極端條件下的深海和陸地深層的油氣寶藏，正逐步被喚醒。然而，深海、陸地深層的地質(zhì)條件錯綜復雜，地殼巖石的阻礙為勘探開發(fā)帶來了極大的難度。鉆探技術(shù)和裝備是否先進可靠，直接決定著開發(fā)水平的高低。

成立于2012年的自然資源部復雜條件鉆采技術(shù)重點實驗室，依托吉林大學，在鉆探開采領(lǐng)域不斷取得重大突破。近10年來，該實驗室聚焦自然資源重大科學問題和工程技術(shù)難題，以“復雜條件”為主要研究特色，圍繞深部復雜地層條件鉆探技術(shù)、地表復雜環(huán)境條件鉆探技術(shù)、難采油氣資源鉆采技術(shù)等，形成了大陸深部科學鉆探技術(shù)與裝備、多工藝沖擊回轉(zhuǎn)鉆探技術(shù)、新能源鉆采技術(shù)、極地鉆探技術(shù)、仿生鉆探機具5個穩(wěn)定研究方向，為研究地球系統(tǒng)和勘探開發(fā)地下資源提供了技術(shù)保障。

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01

鉆地萬米的科研利器

科學鉆探是探索地球內(nèi)部奧秘和獲取地下實物信息的重要技術(shù)手段。其目的是鉆取地下巖心樣品，用于研究地球古環(huán)境和古氣候演變、地球深部構(gòu)造與演化等。

經(jīng)過10余年的技術(shù)攻關(guān)，實驗室發(fā)明了全液壓頂部驅(qū)動鉆井技術(shù)、自動化擺排管技術(shù)、鉆桿柱自動擰卸技術(shù)和鉆具自動送進技術(shù)，成功研發(fā)了我國首臺萬米大陸科學鉆探鉆機“地殼一號”，填補了我國在深部大陸科學鉆探領(lǐng)域的空白。使我國成為繼俄羅斯和德國之后第三個擁有萬米大陸科學鉆探專用裝備的國家。該成果獲得了國家技術(shù)發(fā)明二等獎。

2018年5月，“地殼一號”鉆機在黑龍江省安達市完成了“松遼盆地國際大陸科學鉆探工程”，完鉆井深達7018米，創(chuàng)造了亞洲國家實施的大陸科學鉆探井深新紀錄。

2020年7月，“地殼一號”鉆機在新疆塔里木油田完成了“博孜8井”鉆井工程，完鉆井深8235米，刷新了中國石油集團九寸半井眼鉆深記錄。此外，相關(guān)技術(shù)還推廣應用于深部油氣鉆機和海洋鉆機鉆井包，并出口到美國、俄羅斯等多個國家和地區(qū)。其中，在全球極地最大液化天然氣項目——中俄亞馬爾項目中，成功應用于“極光號”極地鉆機，開創(chuàng)了我國鉆機在北極圈鉆井的先河。

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02

破解非常規(guī)油氣開發(fā)難題

近年來，隨著傳統(tǒng)石油資源日漸匱乏，非常規(guī)油氣資源作為清潔能源的重要組成部分，成為保障我國能源安全、調(diào)整能源結(jié)構(gòu)、推進能源轉(zhuǎn)型的重要基礎(chǔ)。實驗室圍繞天然氣水合物和油頁巖等非常規(guī)油氣資源，開展鉆采關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，取得了系列創(chuàng)新成果。

天然氣水合物又稱為“可燃冰”，主要成分是甲烷，其總有機碳的儲量約為石油、天然氣和煤炭三者總和的兩倍，主要分布在陸地永久凍土帶和水深1000米以下的海底沉積物中。

針對陸域水合物特殊的賦存特點，實驗室成功研發(fā)了天然氣水合物冷鉆熱采關(guān)鍵技術(shù)，包括低溫鉆井流體強化制冷技術(shù)、孔底快速冷凍取樣技術(shù)和高溫脈沖熱激發(fā)技術(shù)。應用這些技術(shù)，實驗室在海拔4000米的青海木里盆地，成功鉆取出我國陸域天然氣水合物的第一塊實物樣品；在中國凍土天然氣水合物試采一號井工程中，成功開采出天然氣，首次實現(xiàn)了我國凍土區(qū)水合物試開采。上述技術(shù)同時還可應用于固體礦產(chǎn)勘查、地熱和油氣勘探工程。

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油頁巖是一種高灰分的固體可燃有機礦產(chǎn)，通過干餾法從中煉制而成的油頁巖油，精制后可獲得汽油、煤油、柴油等多種產(chǎn)品。為了提高油氣產(chǎn)量，許多國家都在積極嘗試對油頁巖的開發(fā)利用。

“我國適合露天開采和井中開采的油頁巖資源較少，埋深300米~1000米的中深層油頁巖資源約占我國全部油頁巖資源的75%?！睂嶒炇抑魅螌O友宏介紹，“傳統(tǒng)的地面干餾工藝提取油頁巖油不但對環(huán)境破壞嚴重，還無法充分開采我國的油頁巖資源。”

針對油頁巖地下原位開采技術(shù)難題，實驗室研發(fā)了局部化學反應法、臨近界水法和高壓—工頻電加熱法3種油頁巖地下原位轉(zhuǎn)化新技術(shù)。

孫友宏介紹，局部化學反應法是將高溫混合氣體注入到油頁巖層，通過油頁巖反應熱作為裂解能量，實現(xiàn)經(jīng)濟高效開采油頁巖。利用本技術(shù)，實驗室在吉林農(nóng)安開展了國家油頁巖原位轉(zhuǎn)化先導試驗工程，并成功從地下開采出高品質(zhì)油頁巖油?！斑@一技術(shù)將為油頁巖原位開采的商業(yè)化推廣提供有力支撐?！睂O友宏說。

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03

助力極地科學研究

極地是探尋地球系統(tǒng)規(guī)律、應對全球氣候變化的關(guān)鍵區(qū)。實驗室長期致力于極地冰層及冰下物質(zhì)取樣探測技術(shù)的研究，研發(fā)極地鉆探取樣觀測設(shè)備，以實現(xiàn)冰層和冰下沉積物、冰下基巖和冰下水環(huán)境采樣與觀測，為極地科學研究提供重要支撐。如今，實驗室研發(fā)的冰層鉆探裝備已在南北極及山地冰川實現(xiàn)了成功應用。

實驗室極地鉆探方向負責人達拉拉伊介紹，實驗室的冰下沉積物振動取樣技術(shù)研究進展順利，已經(jīng)與德國、新西蘭合作，在南極多個冰架進行了成功應用。

在深冰層及冰下基巖鉆探方面，實驗室研制出極地深冰下無鉆桿取芯鉆探裝備，具備全南極冰蓋鉆探與測井能力。2019年，在東南極達爾克冰川進行了應用，鉆穿198米冰蓋，鉆取了連續(xù)冰芯及冰下基巖樣品，使我國成為了繼俄羅斯和美國之后第三個有能力實現(xiàn)在南極冰蓋鉆取冰下基巖樣品的國家。

在冰下水環(huán)境采樣與觀測方面，研制出的南極冰下湖無污染鉆進采樣與觀測系統(tǒng)，借鑒蜘蛛吐絲的仿生學原理，采用電力熱融鉆進方式，前面熱融鉆進、后面凍結(jié)閉合，有效隔絕了冰下湖與外界環(huán)境的連接通道，實現(xiàn)無污染鉆進。目前該系統(tǒng)已完成原理樣機實驗室聯(lián)調(diào)試驗，正在進行工程樣機研制。“本技術(shù)將為探索南極冰下湖形成演化過程和冰下環(huán)境中生命形態(tài)提供重要的技術(shù)手段?！边_拉拉伊說。

實驗室極地鉆探學術(shù)骨干張楠告訴記者，2011年~2019年，實驗室共7次派員參加中國南極科學考察，2次參加由哥本哈根大學組織的北極東格陵蘭深冰芯計劃項目，4次參加德國、英國、新西蘭等國南極考察，共計派出科研人員34人次，成為極地考察活動中的重要技術(shù)力量。

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04

仿生技術(shù)實現(xiàn)“提速增效”

當前人類對地下資源的需求不斷增加，開發(fā)力度在逐漸加大，其中，復雜地層硬巖鉆進困難是一項世界性技術(shù)難題。

“科研人員向自然界土壤生物學習，將仿生耦合理論應用到金剛石鉆頭結(jié)構(gòu)設(shè)計中。”實驗室仿生鉆探方向負責人劉寶昌說，“我們成功研制出了適用于堅硬打滑地層鉆進的仿生耦合孕鑲金剛石鉆頭、中硬巖石鉆進的仿生PDC（聚晶金剛石復合片）鉆頭、深井超深井鉆探的超高胎體仿生鉆頭和用于鉆進軟硬交替巖層的仿生自適應鉆頭?！?/span>

這些技術(shù)的突破實現(xiàn)了提速增效。仿生鉆探學術(shù)骨干高科告訴記者，通過在黑龍江省漠河市天然氣水合物科學井中的應用發(fā)現(xiàn)，仿生耦合孕鑲金剛石鉆頭較常規(guī)孕鑲金剛石鉆頭鉆速提高82.8%，壽命提高96.9%，鉆頭成本約為常規(guī)同類鉆頭成本的90%。仿生PDC鉆頭在山西晉城煤層氣鉆井中應用發(fā)現(xiàn)，在保持壽命不變的前提下，該鉆頭較常規(guī)PDC鉆頭鉆速提高1.6倍，成本與常規(guī)PDC鉆頭相當。

“鉆探技術(shù)的不斷突破，讓我們探索地球深部的奧秘有了更多可能。”孫友宏表示，“未來，實驗室將推動復雜條件鉆采科技進一步發(fā)展，為助力我國地球科學研究、地下資源鉆采作出更大貢獻?！?/span>