科创平台｜自然资源部复杂条件钻采技术重点实验室：向“地心”钻进

                                                       2021-06-04   青野云麓

2021-06-04 来源：中国自然资源报

随着科学技术的发展和工程装备的进步，人类的足迹已经登陆遥远的太空和万米的海底，极端条件下的深海和陆地深层的油气宝藏，正逐步被唤醒。然而，深海、陆地深层的地质条件错综复杂，地壳岩石的阻碍为勘探开发带来了极大的难度。钻探技术和装备是否先进可靠，直接决定着开发水平的高低。

成立于2012年的自然资源部复杂条件钻采技术重点实验室，依托吉林大学，在钻探开采领域不断取得重大突破。近10年来，该实验室聚焦自然资源重大科学问题和工程技术难题，以“复杂条件”为主要研究特色，围绕深部复杂地层条件钻探技术、地表复杂环境条件钻探技术、难采油气资源钻采技术等，形成了大陆深部科学钻探技术与装备、多工艺冲击回转钻探技术、新能源钻采技术、极地钻探技术、仿生钻探机具5个稳定研究方向，为研究地球系统和勘探开发地下资源提供了技术保障。

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钻地万米的科研利器

科学钻探是探索地球内部奥秘和获取地下实物信息的重要技术手段。其目的是钻取地下岩心样品，用于研究地球古环境和古气候演变、地球深部构造与演化等。

经过10余年的技术攻关，实验室发明了全液压顶部驱动钻井技术、自动化摆排管技术、钻杆柱自动拧卸技术和钻具自动送进技术，成功研发了我国首台万米大陆科学钻探钻机“地壳一号”，填补了我国在深部大陆科学钻探领域的空白。使我国成为继俄罗斯和德国之后第三个拥有万米大陆科学钻探专用装备的国家。该成果获得了国家技术发明二等奖。

2018年5月，“地壳一号”钻机在黑龙江省安达市完成了“松辽盆地国际大陆科学钻探工程”，完钻井深达7018米，创造了亚洲国家实施的大陆科学钻探井深新纪录。

2020年7月，“地壳一号”钻机在新疆塔里木油田完成了“博孜8井”钻井工程，完钻井深8235米，刷新了中国石油集团九寸半井眼钻深记录。此外，相关技术还推广应用于深部油气钻机和海洋钻机钻井包，并出口到美国、俄罗斯等多个国家和地区。其中，在全球极地最大液化天然气项目——中俄亚马尔项目中，成功应用于“极光号”极地钻机，开创了我国钻机在北极圈钻井的先河。

02

破解非常规油气开发难题

近年来，随着传统石油资源日渐匮乏，非常规油气资源作为清洁能源的重要组成部分，成为保障我国能源安全、调整能源结构、推进能源转型的重要基础。实验室围绕天然气水合物和油页岩等非常规油气资源，开展钻采关键技术攻关，取得了系列创新成果。

天然气水合物又称为“可燃冰”，主要成分是甲烷，其总有机碳的储量约为石油、天然气和煤炭三者总和的两倍，主要分布在陆地永久冻土带和水深1000米以下的海底沉积物中。

针对陆域水合物特殊的赋存特点，实验室成功研发了天然气水合物冷钻热采关键技术，包括低温钻井流体强化制冷技术、孔底快速冷冻取样技术和高温脉冲热激发技术。应用这些技术，实验室在海拔4000米的青海木里盆地，成功钻取出我国陆域天然气水合物的第一块实物样品；在中国冻土天然气水合物试采一号井工程中，成功开采出天然气，首次实现了我国冻土区水合物试开采。上述技术同时还可应用于固体矿产勘查、地热和油气勘探工程。

油页岩是一种高灰分的固体可燃有机矿产，通过干馏法从中炼制而成的油页岩油，精制后可获得汽油、煤油、柴油等多种产品。为了提高油气产量，许多国家都在积极尝试对油页岩的开发利用。

“我国适合露天开采和井中开采的油页岩资源较少，埋深300米~1000米的中深层油页岩资源约占我国全部油页岩资源的75%。”实验室主任孙友宏介绍，“传统的地面干馏工艺提取油页岩油不但对环境破坏严重，还无法充分开采我国的油页岩资源。”

针对油页岩地下原位开采技术难题，实验室研发了局部化学反应法、临近界水法和高压—工频电加热法3种油页岩地下原位转化新技术。

孙友宏介绍，局部化学反应法是将高温混合气体注入到油页岩层，通过油页岩反应热作为裂解能量，实现经济高效开采油页岩。利用本技术，实验室在吉林农安开展了国家油页岩原位转化先导试验工程，并成功从地下开采出高品质油页岩油。“这一技术将为油页岩原位开采的商业化推广提供有力支撑。”孙友宏说。

03

助力极地科学研究

极地是探寻地球系统规律、应对全球气候变化的关键区。实验室长期致力于极地冰层及冰下物质取样探测技术的研究，研发极地钻探取样观测设备，以实现冰层和冰下沉积物、冰下基岩和冰下水环境采样与观测，为极地科学研究提供重要支撑。如今，实验室研发的冰层钻探装备已在南北极及山地冰川实现了成功应用。

实验室极地钻探方向负责人达拉拉伊介绍，实验室的冰下沉积物振动取样技术研究进展顺利，已经与德国、新西兰合作，在南极多个冰架进行了成功应用。

在深冰层及冰下基岩钻探方面，实验室研制出极地深冰下无钻杆取芯钻探装备，具备全南极冰盖钻探与测井能力。2019年，在东南极达尔克冰川进行了应用，钻穿198米冰盖，钻取了连续冰芯及冰下基岩样品，使我国成为了继俄罗斯和美国之后第三个有能力实现在南极冰盖钻取冰下基岩样品的国家。

在冰下水环境采样与观测方面，研制出的南极冰下湖无污染钻进采样与观测系统，借鉴蜘蛛吐丝的仿生学原理，采用电力热融钻进方式，前面热融钻进、后面冻结闭合，有效隔绝了冰下湖与外界环境的连接通道，实现无污染钻进。目前该系统已完成原理样机实验室联调试验，正在进行工程样机研制。“本技术将为探索南极冰下湖形成演化过程和冰下环境中生命形态提供重要的技术手段。”达拉拉伊说。

实验室极地钻探学术骨干张楠告诉记者，2011年~2019年，实验室共7次派员参加中国南极科学考察，2次参加由哥本哈根大学组织的北极东格陵兰深冰芯计划项目，4次参加德国、英国、新西兰等国南极考察，共计派出科研人员34人次，成为极地考察活动中的重要技术力量。

04

仿生技术实现“提速增效”

当前人类对地下资源的需求不断增加，开发力度在逐渐加大，其中，复杂地层硬岩钻进困难是一项世界性技术难题。

“科研人员向自然界土壤生物学习，将仿生耦合理论应用到金刚石钻头结构设计中。”实验室仿生钻探方向负责人刘宝昌说，“我们成功研制出了适用于坚硬打滑地层钻进的仿生耦合孕镶金刚石钻头、中硬岩石钻进的仿生PDC（聚晶金刚石复合片）钻头、深井超深井钻探的超高胎体仿生钻头和用于钻进软硬交替岩层的仿生自适应钻头。”

这些技术的突破实现了提速增效。仿生钻探学术骨干高科告诉记者，通过在黑龙江省漠河市天然气水合物科学井中的应用发现，仿生耦合孕镶金刚石钻头较常规孕镶金刚石钻头钻速提高82.8%，寿命提高96.9%，钻头成本约为常规同类钻头成本的90%。仿生PDC钻头在山西晋城煤层气钻井中应用发现，在保持寿命不变的前提下，该钻头较常规PDC钻头钻速提高1.6倍，成本与常规PDC钻头相当。

“钻探技术的不断突破，让我们探索地球深部的奥秘有了更多可能。”孙友宏表示，“未来，实验室将推动复杂条件钻采科技进一步发展，为助力我国地球科学研究、地下资源钻采作出更大贡献。”