中國(guó)地調(diào)局“慧磁”應(yīng)用技術(shù)達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平 —— 文章正文2016-06-07

        自古以來就有種說法叫“上天容易入地難”。人類可以借助天文望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)成百上千光年遠(yuǎn)的浩瀚太空，但對(duì)地表以下——我們腳踏的這片土地深處卻是一頭霧水，想要探索地下深處的奧秘幾乎是不可能完成的任務(wù)。

　　如今，一種新的技術(shù)可以讓我們實(shí)現(xiàn)在地下“穿針引線”，這便是高精度對(duì)接連通井技術(shù)——“慧磁”。這一技術(shù)也成為了鉆孔的地下“導(dǎo)航”，可以將相距數(shù)百米或上千米的井組在地下礦層連通。據(jù)了解，該技術(shù)的核心是“慧磁”高精度中靶導(dǎo)向系統(tǒng)，源于中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局勘探所承擔(dān)的“高精度定向鉆進(jìn)中靶系統(tǒng)研究”項(xiàng)目。該項(xiàng)目由中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局2008年立項(xiàng)，旨在通過試驗(yàn)研究建立起定向鉆進(jìn)中靶模型，引導(dǎo)鉆進(jìn)進(jìn)入靶區(qū)，實(shí)現(xiàn)精確中靶。

　　近年來，中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局一直全力支持、支撐該技術(shù)的研發(fā)與突破。據(jù)了解，“慧磁”高精度中靶導(dǎo)向系統(tǒng)目前所取得的成果具有完全自主的知識(shí)產(chǎn)權(quán)，打破了國(guó)外公司的技術(shù)壟斷，也使中國(guó)地調(diào)局勘探所成為國(guó)內(nèi)首家、全球繼美國(guó)之后第二家擁有該項(xiàng)技術(shù)的單位，達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。而該項(xiàng)技術(shù)比一些國(guó)外技術(shù)更加先進(jìn)的地方在于：首創(chuàng)低電壓可充電電池供電，可用于煤礦井下等高危作業(yè)環(huán)境（美國(guó)儀器采用的是220V電源供電，不適應(yīng)煤礦等使用）；入井探管直徑和長(zhǎng)度分別為42毫米和1.4米，可用于穿過60毫米直徑的中心管下入探管至井底（美國(guó)儀器為45毫米、1.9米，最小用于73毫米直徑中心管），可完成更小曲率半徑的定向井導(dǎo)向。

　　講到“慧磁”技術(shù)，也不得不說說它的發(fā)明團(tuán)隊(duì)——勘探所定向鉆探室主任胡漢月教授的科研團(tuán)隊(duì)。該團(tuán)隊(duì)在胡漢月的帶領(lǐng)下，多年來一直從事著定向鉆探技術(shù)的研發(fā)工作，憑借著地質(zhì)人的一股子不服輸精神和堅(jiān)定執(zhí)著的熱情，將實(shí)踐和科研相結(jié)合，終于研制成功“慧磁”技術(shù)。該技術(shù)研發(fā)成功的消息一傳出，就在圈內(nèi)引起的不小的震動(dòng)，原來占盡技術(shù)優(yōu)勢(shì)的美國(guó)的同類產(chǎn)品只能大幅降低產(chǎn)品和服務(wù)價(jià)格，奈何也只是掙扎。

　　服務(wù)“一帶一路”戰(zhàn)略：

　　中國(guó)技術(shù)扎根土耳其

　　在國(guó)家“一帶一路”戰(zhàn)略中，土耳其作為一個(gè)橫跨歐亞大陸的重要節(jié)點(diǎn)，地理位置和戰(zhàn)略地位及其顯著。

　　2009年，“慧磁”高精度中靶導(dǎo)向系統(tǒng)第一次應(yīng)用于實(shí)井測(cè)量就是在土耳其首都安卡拉西北的BEYPAZARI天然堿采集鹵工程。在當(dāng)?shù)匾粋€(gè)20平方千米的丘陵地帶下儲(chǔ)藏著近2億噸的天然堿，2009年~2010年，勘探所與當(dāng)?shù)貕A礦合作，成功完成了在該區(qū)域內(nèi)23對(duì)對(duì)接井的施工任務(wù)。井組類型包括三井井組、四井井組和雙通道井組等多種類型。

　　隨著第一次應(yīng)用的成功，“慧磁”鉆井導(dǎo)向系統(tǒng)開始大量參與到對(duì)接中靶作業(yè)中。2014年，勘探所作為獨(dú)立承包商簽訂了BEYPAZARI天然堿礦鉆井工程四、五期合同，總計(jì)145口井，施工也全部取得了預(yù)期的效果。

　　特別值得一提的是，此次施工還完成了當(dāng)時(shí)世界上規(guī)模最大的采用對(duì)接井水溶開采方法的鉆井工程。2015年9月10日，由勘探所承擔(dān)的土耳其卡贊天然堿地下工程開鉆，標(biāo)志著這一世界上最大規(guī)模的對(duì)接井水溶采集鹵工程正式拉開序幕。而該工程采用的核心技術(shù)就是“慧磁”技術(shù)，該項(xiàng)目旨在為卡贊天然堿礦年產(chǎn)250萬噸的純堿廠提供鹵水，計(jì)劃將在2015年~2018年共施工74個(gè)采鹵水平井組，單井總數(shù)達(dá)222口。

　　“慧磁”技術(shù)在土耳其成功應(yīng)用的過程中，勘探所創(chuàng)造性地設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了多井組的連通，真正使得地下“穿針”技術(shù)成為了現(xiàn)實(shí)。同時(shí)，勘探所在施工中大膽創(chuàng)新，克服地層結(jié)構(gòu)復(fù)雜、地磁場(chǎng)異常、地層破碎嚴(yán)重等困難，積累了處理復(fù)雜問題的豐富經(jīng)驗(yàn)，為未來推動(dòng)“慧磁”定向中靶引導(dǎo)系統(tǒng)等優(yōu)勢(shì)技術(shù)向其他國(guó)家推廣、承攬國(guó)際工程打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

　　服務(wù)新能源開采：

　　煤層氣開采拓展應(yīng)用

　　自煤層氣水平對(duì)接井領(lǐng)域引入美國(guó)Vector公司生產(chǎn)的RMRS旋轉(zhuǎn)磁測(cè)距系統(tǒng)以來，我國(guó)煤層氣和水溶開采領(lǐng)域的定向?qū)泳氖┕ぜ夹g(shù)取得了重大突破。但是，大多數(shù)應(yīng)用仍局限于傳統(tǒng)的U形井組（由一個(gè)垂直井和一個(gè)水平井組成的井組）。

　　在勘探所實(shí)施的華晉焦煤柳林煤層氣項(xiàng)目中，施工的DS井組是由2個(gè)水平井組成的煤層氣井組，要實(shí)現(xiàn)兩井的對(duì)接實(shí)為不易。由于“慧磁”鉆井中靶導(dǎo)向系統(tǒng)具有無需外供電、體積小、中文軟件界面等優(yōu)點(diǎn)，可精確測(cè)量鉆頭與靶點(diǎn)之間的方位偏差、頂角偏差和距離，因此該煤層氣井組采用“慧磁”技術(shù)使2井實(shí)現(xiàn)“點(diǎn)對(duì)點(diǎn)”對(duì)接。這也是國(guó)內(nèi)首次采用地面施工水平井與巷道施工水平井進(jìn)行連通的工程。

　　憑借“慧磁”技術(shù)的高精度性能，山西柳林沙曲煤礦通過使用該系統(tǒng)，使地表鉆進(jìn)1500米深的定向水平孔與煤礦巷道內(nèi)鉆出的頂角為106度的水平孔成功實(shí)現(xiàn)對(duì)接，取得了“點(diǎn)對(duì)點(diǎn)”的精準(zhǔn)連通效果。

　　該井的聯(lián)通，既保證該礦地下采煤時(shí)的安全，又提高了能源的開采與利用率。據(jù)了解，該工程共有兩個(gè)主分支，四個(gè)側(cè)分支，將兩個(gè)主分支分別與井下瓦斯抽放鉆孔實(shí)現(xiàn)對(duì)接，對(duì)接成功后進(jìn)行井下瓦斯預(yù)抽采。目前，其中一分支已進(jìn)入試抽采期，經(jīng)抽采數(shù)據(jù)表明，該分支日產(chǎn)氣量1萬立方米以上，抽采瓦斯?jié)舛冗_(dá)90%以上，瓦斯流量最高達(dá)10立方米/分鐘以上。該水平井的產(chǎn)氣量目前已超出了預(yù)期效果，據(jù)以往同類井型抽采效果表明，該井產(chǎn)量將會(huì)繼續(xù)攀升，有望創(chuàng)造新的產(chǎn)氣紀(jì)錄。

　　服務(wù)固體礦產(chǎn)水溶開采：

　　天然堿礦、鹽礦開采應(yīng)用

　　當(dāng)水溶采礦方法與定向?qū)泳夹g(shù)相結(jié)合起來，一種低投入、高產(chǎn)出、高效率、綠色環(huán)保的采礦方法誕生了。特別是在鹽、堿、磷、芒硝等的鉆孔水溶或水力開采領(lǐng)域，采用定向?qū)泳且环N事半功倍的方法，不但礦山投資小，而且占地面積最少，地表無尾礦產(chǎn)生，開采深度可達(dá)3000米，這無疑是一種綠色環(huán)保的礦山開采方法。

　　2014年11月，勘探所在河南安棚天然堿礦采用該技術(shù)引導(dǎo)SP01水平井與其靶井實(shí)現(xiàn)了一次對(duì)接連通，連通點(diǎn)垂深達(dá)2850米，創(chuàng)全球薄層堿礦對(duì)接井水溶開采垂深最深紀(jì)錄。該井組連通后，在注水流量達(dá)60立方米/小時(shí)的條件下，出鹵濃度高達(dá)120克/升，成功實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)產(chǎn)和高產(chǎn)的目的。該成果也是勘探所在湖北沙隆達(dá)鹽礦連通2800米深井后又一新突破，創(chuàng)下了水平對(duì)接井深新紀(jì)錄。

　　河南安棚天然堿礦是國(guó)內(nèi)發(fā)現(xiàn)的大型天然堿礦之一，是世界上埋藏最深的天然堿礦床。勘探所實(shí)施的水平井開采的礦層埋深達(dá)2800米以上，該礦層是由厚度從0.1米至1米不等的礦互層及夾層組成，礦層頂、底板及夾層主要為白云巖。而且，區(qū)域內(nèi)礦層極不穩(wěn)定，起伏比較大，電測(cè)井時(shí)經(jīng)過3次對(duì)比才最終確定礦層?？碧剿鶎?shí)施的鉆井工藝除了采用合理的鉆具組合、井身結(jié)構(gòu)外，在井眼軌跡控制方面采取了特殊工藝方法，包括采用無線隨鉆測(cè)斜儀、引入了地質(zhì)導(dǎo)向儀引導(dǎo)鉆頭和采用該所自主研發(fā)的深孔高溫磁中靶儀。實(shí)踐表明，該儀器實(shí)現(xiàn)了一次指導(dǎo)中靶成功，這種工業(yè)生產(chǎn)與科研成果緊密結(jié)合的模式，對(duì)勘探所今后的科研工作起到了較強(qiáng)的示范作用。

　　據(jù)了解，在國(guó)內(nèi)，勘探所生產(chǎn)的“慧磁”鉆井中靶導(dǎo)向系統(tǒng)已成為水溶采礦鉆井設(shè)備的標(biāo)配，正在發(fā)揮著越來越重要的作用。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，自2009年“慧磁”系統(tǒng)首試成功以來，截至目前已成功完成了百余次對(duì)接連通指導(dǎo)作業(yè)，且實(shí)現(xiàn)了100%連通。目前，在國(guó)內(nèi)的鹽堿采鹵井對(duì)接領(lǐng)域，“慧磁”的市場(chǎng)占有率已經(jīng)以較大優(yōu)勢(shì)超過了美國(guó)的RMRS儀器。

　　開辟服務(wù)新領(lǐng)域：

　　避障防碰、引導(dǎo)巷道掘進(jìn)

　　在鉆探區(qū)域，有時(shí)存在一些廢棄井或其它地下管道，在鉆進(jìn)時(shí)需要避開它們，這時(shí)可以借助磁引導(dǎo)技術(shù)，引導(dǎo)鉆進(jìn)避開這些障礙物。

　　2013年4月，從大連旅順傳來喜訊，勘探所為北京萬地地質(zhì)工程公司因地質(zhì)原因出現(xiàn)埋鉆事故的熱水井而實(shí)施的糾斜繞障工程圓滿竣工。該工程要求繞過位于井深1394米的事故頭位置。由于事故地層為千枚巖，硬度達(dá)7~8級(jí)，常規(guī)鉆進(jìn)鉆速僅為20~30厘米/小時(shí)，施工難度極大。該繞障工程的成功實(shí)施，充分展現(xiàn)了勘探所雄厚的技術(shù)實(shí)力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神，為定向鉆進(jìn)技術(shù)開辟了一個(gè)新的應(yīng)用領(lǐng)域。

　　“慧磁”鉆井導(dǎo)向系統(tǒng)還可用于引導(dǎo)鉆孔與巷道之間的連通。2014年2月，勘探所“慧磁”鉆井導(dǎo)向系統(tǒng)在河南省三門峽盧氏縣楊家灣鐵礦成功引導(dǎo)巷道掘進(jìn)，實(shí)現(xiàn)其與鉆孔連通。在之前該鉆孔與巷道貫通的過程中，由于鉆孔測(cè)斜受鐵磁性金屬礦干擾，連通失敗?？碧剿夹g(shù)人員抵達(dá)工地后，經(jīng)7個(gè)小時(shí)的地下巷道和地面測(cè)量作業(yè)，為業(yè)主提供了鉆孔相對(duì)于巷道的偏差測(cè)量結(jié)果。該礦山按勘探所提供的測(cè)量結(jié)果掘進(jìn)巷道，僅用1天多的時(shí)間就使巷道與鉆孔實(shí)現(xiàn)了連通。

　　服務(wù)礦山救援：

　　“慧磁“的首次嘗試

　　在智利礦難采用鉆井救援成功后，勘探所創(chuàng)新提出了一套利用“慧磁”系統(tǒng)進(jìn)行井下被困人員的定位和救援孔定向引導(dǎo)技術(shù)方案：在礦山井下預(yù)設(shè)磁信標(biāo)裝置，礦難發(fā)生后可由被困人員啟動(dòng)，磁信標(biāo)可連續(xù)30天以上向外發(fā)射磁信號(hào)，用于提示井下存活人員及所處位置，并精確引導(dǎo)地面救援孔鉆入被困區(qū)域，提高援救效果和效率。

　　在山東平邑玉榮石膏礦坍塌事故救援現(xiàn)場(chǎng)，勘探所技術(shù)人員提出了上述方案，作為備選方案完成了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施的技術(shù)準(zhǔn)備和地面驗(yàn)證，得到了國(guó)家安全生產(chǎn)救援搶險(xiǎn)指揮中心及工程施工單位的高度肯定，并將磁信標(biāo)下入井內(nèi)交到被困礦工手中。最后由于救生井的成功貫通，勘探所的救援方案未能實(shí)施，但也完成了我國(guó)“慧磁“系統(tǒng)在礦山救援的首次嘗試，為礦山搶險(xiǎn)救援提供了一種備選的高科技手段。

　　“慧磁”中靶引導(dǎo)系統(tǒng)自2009年10月在土耳其工地成功連通第一對(duì)井后，其應(yīng)用領(lǐng)域正在不斷地?cái)U(kuò)展，技術(shù)水平不斷提高。從國(guó)外鉆井市場(chǎng)到國(guó)內(nèi)鉆井市場(chǎng)，從天然堿礦到鹽礦，再到煤層氣領(lǐng)域，打破了國(guó)外同類產(chǎn)品的技術(shù)壟斷，逐步形成了本土化技術(shù)服務(wù)優(yōu)勢(shì)，使勘探所在定向鉆井領(lǐng)域走在業(yè)界前列。

　　目前，勘探所在中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局公益性行業(yè)科研專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目支持下，正在開展深孔高溫磁中靶系統(tǒng)“慧磁”的升級(jí)，其成果將在未來的頁巖氣勘探開發(fā)市場(chǎng)、地下熱能開發(fā)的拓展應(yīng)用、在礦山救援井的拓展應(yīng)用中發(fā)揮重要作用，為我國(guó)的頁巖氣勘探開發(fā)、地下熱能開發(fā)、礦山救援等方面提供堅(jiān)實(shí)有力的技術(shù)保障。