? ? ?? 科創(chuàng)平臺(tái)｜自然資源部復(fù)雜條件鉆采技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室：向“地心”鉆進(jìn)

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2021-06-04 來(lái)源：中國(guó)自然資源報(bào)

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和工程裝備的進(jìn)步，人類(lèi)的足跡已經(jīng)登陸遙遠(yuǎn)的太空和萬(wàn)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(cuò)綜復(fù)雜，地殼巖石的阻礙為勘探開(kāi)發(fā)帶來(lái)了極大的難度。鉆探技術(shù)和裝備是否先進(jìn)可靠，直接決定著開(kāi)發(fā)水平的高低。

成立于2012年的自然資源部復(fù)雜條件鉆采技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，依托吉林大學(xué)，在鉆探開(kāi)采領(lǐng)域不斷取得重大突破。近10年來(lái)，該實(shí)驗(yàn)室聚焦自然資源重大科學(xué)問(wèn)題和工程技術(shù)難題，以“復(fù)雜條件”為主要研究特色，圍繞深部復(fù)雜地層條件鉆探技術(shù)、地表復(fù)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(xué)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(jī)具5個(gè)穩(wěn)定研究方向，為研究地球系統(tǒng)和勘探開(kāi)發(fā)地下資源提供了技術(shù)保障。

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01

鉆地萬(wàn)米的科研利器

科學(xué)鉆探是探索地球內(nèi)部奧秘和獲取地下實(shí)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(guò)10余年的技術(shù)攻關(guān)，實(shí)驗(yàn)室發(fā)明了全液壓頂部驅(qū)動(dòng)鉆井技術(shù)、自動(dòng)化擺排管技術(shù)、鉆桿柱自動(dòng)擰卸技術(shù)和鉆具自動(dòng)送進(jìn)技術(shù)，成功研發(fā)了我國(guó)首臺(tái)萬(wàn)米大陸科學(xué)鉆探鉆機(jī)“地殼一號(hào)”，填補(bǔ)了我國(guó)在深部大陸科學(xué)鉆探領(lǐng)域的空白。使我國(guó)成為繼俄羅斯和德國(guó)之后第三個(gè)擁有萬(wàn)米大陸科學(xué)鉆探專(zhuān)用裝備的國(guó)家。該成果獲得了國(guó)家技術(shù)發(fā)明二等獎(jiǎng)。

2018年5月，“地殼一號(hào)”鉆機(jī)在黑龍江省安達(dá)市完成了“松遼盆地國(guó)際大陸科學(xué)鉆探工程”，完鉆井深達(dá)7018米，創(chuàng)造了亞洲國(guó)家實(shí)施的大陸科學(xué)鉆探井深新紀(jì)錄。

2020年7月，“地殼一號(hào)”鉆機(jī)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(guó)石油集團(tuán)九寸半井眼鉆深記錄。此外，相關(guān)技術(shù)還推廣應(yīng)用于深部油氣鉆機(jī)和海洋鉆機(jī)鉆井包，并出口到美國(guó)、俄羅斯等多個(gè)國(guó)家和地區(qū)。其中，在全球極地最大液化天然氣項(xiàng)目——中俄亞馬爾項(xiàng)目中，成功應(yīng)用于“極光號(hào)”極地鉆機(jī)，開(kāi)創(chuàng)了我國(guó)鉆機(jī)在北極圈鉆井的先河。

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02

破解非常規(guī)油氣開(kāi)發(fā)難題

近年來(lái)，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(guó)能源安全、調(diào)整能源結(jié)構(gòu)、推進(jìn)能源轉(zhuǎn)型的重要基礎(chǔ)。實(shí)驗(yàn)室圍繞天然氣水合物和油頁(yè)巖等非常規(guī)油氣資源，開(kāi)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(chēng)為“可燃冰”，主要成分是甲烷，其總有機(jī)碳的儲(chǔ)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(duì)陸域水合物特殊的賦存特點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)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(qiáng)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(yīng)用這些技術(shù)，實(shí)驗(yàn)室在海拔4000米的青海木里盆地，成功鉆取出我國(guó)陸域天然氣水合物的第一塊實(shí)物樣品；在中國(guó)凍土天然氣水合物試采一號(hào)井工程中，成功開(kāi)采出天然氣，首次實(shí)現(xiàn)了我國(guó)凍土區(qū)水合物試開(kāi)采。上述技術(shù)同時(shí)還可應(yīng)用于固體礦產(chǎn)勘查、地?zé)岷陀蜌饪碧焦こ獭?/span>

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油頁(yè)巖是一種高灰分的固體可燃有機(jī)礦產(chǎn)，通過(guò)干餾法從中煉制而成的油頁(yè)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(guó)家都在積極嘗試對(duì)油頁(yè)巖的開(kāi)發(fā)利用。

“我國(guó)適合露天開(kāi)采和井中開(kāi)采的油頁(yè)巖資源較少，埋深300米~1000米的中深層油頁(yè)巖資源約占我國(guó)全部油頁(yè)巖資源的75%?！睂?shí)驗(yàn)室主任孫友宏介紹，“傳統(tǒng)的地面干餾工藝提取油頁(yè)巖油不但對(duì)環(huán)境破壞嚴(yán)重，還無(wú)法充分開(kāi)采我國(guó)的油頁(yè)巖資源。”

針對(duì)油頁(yè)巖地下原位開(kāi)采技術(shù)難題，實(shí)驗(yàn)室研發(fā)了局部化學(xué)反應(yīng)法、臨近界水法和高壓—工頻電加熱法3種油頁(yè)巖地下原位轉(zhuǎn)化新技術(shù)。

孫友宏介紹，局部化學(xué)反應(yīng)法是將高溫混合氣體注入到油頁(yè)巖層，通過(guò)油頁(yè)巖反應(yīng)熱作為裂解能量，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)高效開(kāi)采油頁(yè)巖。利用本技術(shù)，實(shí)驗(yàn)室在吉林農(nóng)安開(kāi)展了國(guó)家油頁(yè)巖原位轉(zhuǎn)化先導(dǎo)試驗(yàn)工程，并成功從地下開(kāi)采出高品質(zhì)油頁(yè)巖油。“這一技術(shù)將為油頁(yè)巖原位開(kāi)采的商業(yè)化推廣提供有力支撐。”孫友宏說(shuō)。

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03

助力極地科學(xué)研究

極地是探尋地球系統(tǒng)規(guī)律、應(yīng)對(duì)全球氣候變化的關(guān)鍵區(qū)。實(shí)驗(yàn)室長(zhǎng)期致力于極地冰層及冰下物質(zhì)取樣探測(cè)技術(shù)的研究，研發(fā)極地鉆探取樣觀測(cè)設(shè)備，以實(shí)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(cè)，為極地科學(xué)研究提供重要支撐。如今，實(shí)驗(yàn)室研發(fā)的冰層鉆探裝備已在南北極及山地冰川實(shí)現(xiàn)了成功應(yīng)用。

實(shí)驗(yàn)室極地鉆探方向負(fù)責(zé)人達(dá)拉拉伊介紹，實(shí)驗(yàn)室的冰下沉積物振動(dòng)取樣技術(shù)研究進(jìn)展順利，已經(jīng)與德國(guó)、新西蘭合作，在南極多個(gè)冰架進(jìn)行了成功應(yīng)用。

在深冰層及冰下基巖鉆探方面，實(shí)驗(yàn)室研制出極地深冰下無(wú)鉆桿取芯鉆探裝備，具備全南極冰蓋鉆探與測(cè)井能力。2019年，在東南極達(dá)爾克冰川進(jìn)行了應(yīng)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(guó)成為了繼俄羅斯和美國(guó)之后第三個(gè)有能力實(shí)現(xiàn)在南極冰蓋鉆取冰下基巖樣品的國(guó)家。

在冰下水環(huán)境采樣與觀測(cè)方面，研制出的南極冰下湖無(wú)污染鉆進(jìn)采樣與觀測(cè)系統(tǒng)，借鑒蜘蛛吐絲的仿生學(xué)原理，采用電力熱融鉆進(jìn)方式，前面熱融鉆進(jìn)、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(shí)現(xiàn)無(wú)污染鉆進(jìn)。目前該系統(tǒng)已完成原理樣機(jī)實(shí)驗(yàn)室聯(lián)調(diào)試驗(yàn)，正在進(jìn)行工程樣機(jī)研制?！氨炯夹g(shù)將為探索南極冰下湖形成演化過(guò)程和冰下環(huán)境中生命形態(tài)提供重要的技術(shù)手段。”達(dá)拉拉伊說(shuō)。

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

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04

仿生技術(shù)實(shí)現(xiàn)“提速增效”

當(dāng)前人類(lèi)對(duì)地下資源的需求不斷增加，開(kāi)發(fā)力度在逐漸加大，其中，復(fù)雜地層硬巖鉆進(jìn)困難是一項(xiàng)世界性技術(shù)難題。

“科研人員向自然界土壤生物學(xué)習(xí)，將仿生耦合理論應(yīng)用到金剛石鉆頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中?！睂?shí)驗(yàn)室仿生鉆探方向負(fù)責(zé)人劉寶昌說(shuō)，“我們成功研制出了適用于堅(jiān)硬打滑地層鉆進(jìn)的仿生耦合孕鑲金剛石鉆頭、中硬巖石鉆進(jìn)的仿生PDC（聚晶金剛石復(fù)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(jìn)軟硬交替巖層的仿生自適應(yīng)鉆頭?！?/span>

這些技術(shù)的突破實(shí)現(xiàn)了提速增效。仿生鉆探學(xué)術(shù)骨干高科告訴記者，通過(guò)在黑龍江省漠河市天然氣水合物科學(xué)井中的應(yīng)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(lèi)鉆頭成本的90%。仿生PDC鉆頭在山西晉城煤層氣鉆井中應(yīng)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(dāng)。

“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(lái)，實(shí)驗(yàn)室將推動(dòng)復(fù)雜條件鉆采科技進(jìn)一步發(fā)展，為助力我國(guó)地球科學(xué)研究、地下資源鉆采作出更大貢獻(xiàn)。”