自古以来就有种说法,叫做“上天容易入地难”。2012年8月6日,美国“好奇”号探测器历时八个多月飞行大约5 500万千米飞抵火星,圆满完成了一系列科学探索。然而,对于我们脚下这片赖以生存的土地,人类至今所能抵达探测的深度不足13千米。用“步履维艰”来描述对地球深部的探索,最恰当不过。

时至21世纪,中国人已掌握太空卫星精准对接技术。但是,今天我们介绍是的另一项“对接”技术,与其他技术的不同之处在于这种“对接”是在地下发生的。“高精度对接连通井技术”是一种资源勘探与采矿技术,其核心内容是将两口或多口井在地下矿层中直接用钻头钻通,在矿层中形成一个采矿通道,可以有效地提高可溶性固体矿产或可溢出性气体矿产的产出效率。

那么问题来了,在地下数百米甚至数千米的矿层中,如何引导钻头准确地进入直径仅为50厘米的靶区呢?

古有“百步穿杨”,今有“慧磁中靶”。中国地质科学院勘探技术研究所研发的高精度对接连通井技术就是专门解决钻井对接连通这一难题的。

让我们把故事回溯到10年前的2006年2月。那时,中国地质科学院勘探技术研究所远在土耳其安卡拉BEYPAZARI的天然碱矿钻井项目正遭遇到严重困境——首批施工的5个水平井组,仅有一个水平井与其靶井目标顺利实现连通,其余4个井组无一例外地“脱靶”了。时任ETI -SODA天然碱矿的土方项目经理Ali Urguretti先生不无讽刺地对中方项目经理调侃：“先生你能不能跳入500米深的井底下看看到底钻头偏离了靶点有多远?”

那么到底是什么原因造成我们的对接井导航技术失灵了?早在1991年,勘探技术研究所在盐矿采矿中开发了对接井水溶采卤技术,并且取得了良好效果。但是,当战场从国内的盐矿转移到土耳其的天然碱矿时,情况发生变化了：其一,天然碱由碳酸钠和碳酸氢钠组成,其溶解性不及氯化钠;其二,天然碱的碱层较薄,在土耳其ETI-SODA天然碱矿的目标首采层厚度仅为1.2~1.5米厚,不同于盐矿动辄数十米的层厚。

至此我们找到了对接失败的原因了：就当时我们掌握的中靶技术而言,土耳其采碱水平井需要命中的目标太小了！天然碱溶解性较差,再加上矿层又薄,使得人工采用热水反复冲洗在井底所形成的目标仅有3~6米直径,这对于当时的技术方法而言,其命中靶区的成功率仅有20%。这是意料之外、但却是合乎情理的一种结果。

在当时的情况下,勘探技术研究所不得不求助于美国一家著名公司使用其旋转导向中靶技术,完成了BEYPAZARI天然碱矿的二期项目。

此后,在2007年底,中国地质科学院勘探技术研究所成功申请立项了地质大调查项目“定向钻进高精度中靶技术研究”,其目的十分明确——研发具有自主知识产权的高精度钻井地下导航技术,破解水平井精确对接的世界级难题。

历经两年的实验室建模研究及地面模拟试验研究,首台“慧磁”钻井导向系统样机于2009年10月1日凌晨在土耳其三期工地成功连通了第一个水平井组。这份来之不易的成果,标志着我国的地下钻井导航技术取得了突破性进展。那一夜,整个“慧磁”研发团队的员工在异国他乡点燃了欢庆的焰火,也流下了幸福的泪水。

讲到“慧磁”技术,中国地质科学院勘探技术研究所研究团队多年来从事定向钻探技术科研开发工作,凭借地质人的一股子不服输、坚定执着的热情,将实践和科研相结合,历经多少个不眠之夜,克服数十次的失败,终于成功研制开发了“慧磁”高精度中靶导向系统,并成功实现商用。

“慧磁”成功的消息一传出,就在圈内引起了不小的震动。占尽时间优势的美国同类产品,原本只租不售,但2010年以后也开始面向中国市场销售其产品了。到2011年“慧磁”实现商用时,他们开始降价1/3。如今,“慧磁”正凭借其优质低价和本土化服务优势,正在不断地挤占进口产品的市场份额,为我国的定向钻井采矿领域提供了一种良好的技术支持。

“慧磁”实质上是一种地下目标定位技术,它负责测量钻头与靶点两者之间的空间方位关系。如今,中国地质科学院勘探技术研究所真正实现了这种地下的“穿针引线”。“高精度对接连通井技术”将相距数百米或上千米的两井或多井在地下矿层中实现贯穿连通,形成了高效的采矿通道。

传统的随钻测斜仪器采用大地磁场作为参照物,以此定位钻头与“磁北”之间的夹角,引导钻头进入设计靶区。然而,由于磁传感器的物理精度、安装精度及磁干扰等因素,钻头在行走过程中会产生一种累计偏差,这种偏差随着钻头进尺的增加呈线性比例上升。简言之,就是钻得越远,偏差越大。举例而言,一般民用级的磁传感器的方位精度是1度,在钻头钻进1 000米水平距离后,尽管工程师是按照设计的磁方位来操控钻头方向的,但仍然可能出现大约17米的偏差。这么大的偏差,难怪屡屡“脱靶”,这实则是意料之中的失望。

为准确打靶,“慧磁”应运而生。与传统的随钻测斜系统一样,“慧磁”也需要定位参照物。但不同之处是,“慧磁”在钻头后方安装了一个“磁接头”,它随着钻头一起旋转,形成了一个可供参照的“旋转磁场”。就是依靠这个“旋转磁场”,“慧磁”得以找出钻头在地层中所处的位置。

远在靶点处,“慧磁”在井底安置了一双眼晴,这就是“慧磁”入井探管。在探管中,安装有高精度的磁传感器、重力加速度传感器和温度传感器。就是它,捕捉到“旋转磁场”磁力线的矢量变化,并将信号由电缆传到地表的笔记本电脑中。

在笔记本电脑中安装的 “慧磁”钻井中靶导向系统解析软件负责对井底数据进行解析,最终得出钻头与靶点之间的空间位置关系。有了测量结果,工程师就可以决定下一步该往哪个方向钻进了,进入靶区不再成为一种凭“运气”的事儿了。

在中国地质调查局全力支持下,“慧磁”高精度中靶导向系统”所取得的具有完全自主知识产权的成果成功地实现了商用,打破了国外公司的技术垄断,使勘探所成为国内首家、全球第二家掌握该项技术的单位,达到国际领先水平。与国际上同类产品相比,“慧磁”首创低电压可充电电池供电技术,可用于煤矿井下等高危作业环境;其入井探管直径和长度分别为42毫米和1.4米,在同类产品中最紧凑、适应范围广,并且便于携带。有了这些特色,再加上售价仅为同类产品的70%,就不难理解为什么“慧磁”在国内外各相关行业中那么受欢迎了。

服务“一带一路”战略——“中国技术”扎根土耳其。在国家“一带一路”战略中,土耳其作为一个横跨欧亚大陆的节点,地理位置重要。在丝绸之路重镇BEYPAZARI西北一个20平方千米的丘陵地带下,储藏着近2亿吨天然碱。2003-2010年勘探技术研究所在该碱矿成功完成了53对对接井的施工任务,为该碱矿年产100万吨纯碱提供了充足的卤水。

随着2009年10月1日的首试成功,“慧磁”钻井导向系统开始大量参与到对接中靶作业中。2014年,勘探所作为独立承包商签订了BEYPAZARI天然碱矿钻井工程四、五期合同,总计145口井。目前四期合同已顺利完成,五期合同正在执行中。四、五期合同将使ETI-SODA碱矿年生产能力由100万吨提高到150万吨,成为目前世界上已投产规模最大、产量最高的采用对接井水溶开采方法的钻井工程。2011年4月,勘探技术研究所为土耳其境内KAZAN天然碱矿施工了一对试采井。试采结果表明,采用对接井水溶采矿方法,单井组可提供每小时30立方米、浓度高达17.5%的碱卤。

在试采取得的成果基础上,土耳其CINER集团决定于2015年正式施工KAZAN碱矿及加工厂。9月10日,由勘探所承担的土耳其卡赞天然碱地下工程开钻,标志着这一世界上最大规模的对接井水溶采集卤水工程正式拉开序幕。而该矿山采矿技术的核心技术就是“慧磁”技术,该项目将在2015-2018年间共计施工74个采卤水平井组,单井总数达222口,旨在为卡赞天然碱矿年产250万吨纯碱厂提供卤水。

“慧磁”在土耳其对接井工程中成功应用,创造性地设计并实现了多井组的连通,真正实现了地下“穿针”技术,使勘探所的地下对接连通井技术在国内外处于主导地位。同时,也是勘探所在施工中克服地层结构复杂、地磁场异常、地层破碎严重等困难的大胆创新,为未来推动“慧磁”定向中靶引导系统等优势技术向其他国家推广、承揽国际工程打下了坚实的基础。

构建煤层地下燃烧通道,实现煤层地下气化发电。煤炭地下气化（Underground Coal Gasfi-cation）是在煤层中建立一个水平长巷燃烧通道,将处于地下的煤炭进行有控制的燃烧,通过对煤的热作用及化学作用产生可燃气体的过程。该过程集建井、采煤、地面气化三大技术为一体,把煤的开采和转化相结合,变传统的物理采煤为化学采煤,省去了庞大的煤炭开采、运输、洗选、气化等技术的设备,因而具有安全性好、投资少、效益高、污染少等优点,深受世界各国重视,被誉为“第二代采煤方法”。

基于煤层地下燃烧工艺需要,煤层地下气化项目需要施两口或多口直井,并采用一口水平井将所有直井在煤中全部连通。这些直井包括通风井、加氧助燃井、降水井、采风井等,其功能各不相同,但全部是为在水平燃烧通道实现平稳燃烧服务的。

2014年12月,巴基斯坦信德省Tharparkar沙漠塔尔煤炭地下气化(UCG)项目正式开工。“慧磁”在该项目中负责将一口水平井与九口直井相连通。在半月时间内,“慧磁”不负众望,顺利完成了全部连通作业,获得了巴基斯坦业主的一致称赞。2015年12月,该项目启动了二期工程,“慧磁”又一次顺利完成全部连通任务。

服务新能源开采——煤层气开采拓展应用。自煤层气水平对接井领域引入美国Vector公司生产的RMRS旋转磁测距系统以来,我国煤层气和水溶开采领域定向对接井的施工技术取得了重大突破。然而,大多数应用仍局限于传统的U形井组,属于由一个垂直井和一个水平井组成的井组,而华晋焦煤柳林煤层气项目DS井组是由两个水平井组成的煤层气井组,由于“慧磁”钻井中靶导向系统具有无需外供电、体积小、适用中文软件界面等优点,可精确测量钻头与靶点之间的方位偏差、顶角偏差和距离,因此该煤层气井组首次采用勘探所自主知识产权的“慧磁”钻井中靶引导系统,使两井实现“点对点”对接。该井组也是国内首次采用地面施工水平井与巷道施工水平井进行连通的工程。

凭借“慧磁”中靶导向系统的高精度性能,在山西柳林沙曲煤矿使用该系统把地表钻进的1 500米深定向水平孔与煤矿巷道内钻出的顶角为106°水平孔成功实现对接,取得了“点对点”的精准连通效果。既保证了地下采煤时的安全,又提高了能源的开采与利用率。目前,该水平井已进入试抽采期,经抽采数据表明,该分支日产气量10 000立方米以上,已超出预期。

服务固体矿产水溶开采——天然碱矿、盐矿开采应用。当水溶采矿方法与定向对接井技术相结合起来,一种低投入、高产出、高效率、绿色环保的采矿方法诞生了。在盐、碱、磷、芒硝等的钻孔水溶或水力开采领域,采用定向对接井是一种事半功倍的方法。不但矿山投资小,而且占地面积最少,地表无尾矿产生,开采深度能达3 000米,这无疑是一种绿化环保矿山开采方法。2014年11月,勘探技术研究所在河南安棚天然碱矿采用该技术,引导SP01水平井与其靶井实现了一次对接连通,连通点垂深达2 850米,创全球薄层碱矿对接井水溶开采垂深最深记录。该井组连通后,在注水流量达每小时60立方米的条件下, 出卤浓度高达每升120克,成功达到了稳产和高产的目标。该成果是勘探所继在湖北沙隆达盐矿连通2 800米深井后又一新突破,创水平对接井井深新记录。河南安棚天然碱矿是国内发现的大型天然碱矿之一,是世界上埋藏最深的天然碱矿床。勘探所实施的水平井开采的矿层埋深达2 800米以上,该矿层是由厚度从0.1米至1米不等的互层及夹层组成,矿层顶、底板及夹层主要为白云岩。而且矿层极不稳定,起伏比较大,电测井时经过三次对比才确定矿层。勘探所钻井工艺除了采用合理的钻具组合、井身结构外,在井眼轨迹控制方面采取了特殊工艺方法。一是采用无线随钻测斜仪;二是引入了地质导向仪引导钻头;三是中靶仪器采用勘探所研发的深孔高温磁中靶仪。实践表明,该仪器实现了一次指导中靶成功。这种工业生产与科研成果紧密结合的模式对勘探所今后的科研工作起到了较强的示范作用。在国内,勘探所生产的“慧磁”钻井中靶导向系统已成为水溶采矿钻井设备的标配,正在发挥越来越重要的作用。据不完全统计,自2009年“慧磁”系统首试成功以来,成功完成了百余次以上的对接连通指导作业,实现了100% 连通。在盐碱采卤井对接领域,“慧磁”的市场占有率以较大优势超过了美国RMRS仪器。

服务矿山救援——完成“慧磁“系统在矿山救援的首次尝试。在智利矿难采用钻井救援成功后,勘探所创新地提出了一套利用“慧磁”系统进行井下被困人员定位和救援孔定向引导技术的方案：在矿山井下预设磁信标装置,矿难发生后可由被困人员启动,磁信标可连续向外发射磁信号,用于提示井下存活人员及所处位置,并精确引导地面救援孔钻入被困区域,提高救援效果和效率。在山东平邑玉荣石膏矿坍塌事故救援现场,勘探所技术人员提出了上述方案作为备选,完成了现场实施的技术准备和地面验证,得到国家安全生产救援抢险指挥中心及工程施工单位的高度肯定,并将磁信标下入井内交到被困矿工手中,这一举动,是我国“慧磁”系统在矿山救援的首次尝试,为矿山抢险救援创新出一种高科技手段。“慧磁”中靶引导系统自2009年10月在土耳其工地成功连通第一对井后,其应用领域正在不断地扩展,技术水平不断提高。从国外钻井市场到国内钻井市场,从天然碱矿到盐矿,再到煤层气领域,打破了国外同类产品的技术垄断,逐步形成了本土化技术服务优势,使勘探所在定向钻井领域走在业界前列。目前,勘探所在中国地质调查局公益性行业科研专项经费项目支持下,正在开展深孔高温磁中靶系统“慧磁”的升级,其成果将在未来的页岩气勘探开发市场、地下热能开发的拓展应用以及矿山救援井的拓展应用中发挥重要作用,为我国的页岩气勘探开发、地下热能开发、矿山救援等方面提供坚实有力的技术保障。

开辟服务新领域——避障防碰、引导巷道掘进。在钻探领域,有时存在一些废弃井或其他地下管道,在钻进时需要避开它们,这时可以借助磁引导技术,引导钻进避开这些障碍物。2013年从大连旅顺传来喜讯,勘探所为北京万地地质工程公司因地质原因出现埋钻事故的热水井而实施的纠斜绕障工程圆满竣工。该工程要求绕过位于井深1 394米的事故位置,事故地层为千枚岩,硬度达7~8级,常规钻进钻速仅为每小时20~30厘米。该绕障工程的成功实施充分展现了勘探所雄厚技术实力和团队协作精神,为定向钻进技术开辟了一个新的应用领域。“慧磁”钻井导向系统还可成功用于引导钻孔与巷道之间的连通。2014年2月,勘探所“慧磁”钻井导向系统在河南省三门峡卢氏县杨家湾铁矿成功引导巷道掘进,实现其与钻孔连通。在之前该钻孔与巷道贯通的过程中,由于钻孔测斜受铁磁性金属矿干扰,导致连通失败。勘探所技术人员抵达工地后,经7个小时的地下巷道和地面测量作业,为业主提供了钻孔相对于巷道的偏差测量结果。业主按照提供的测量结果掘进巷道,仅用1天多的时间就使巷道与钻孔实现了连通。

25年前,美国VM公司发明了旋转磁钻井中靶技术方法,开启了地下钻井中靶测量新时代。多年以来,这项技术为全球定向钻井工程师所膜拜。无数人在构想利用磁导航技术实现地下“穿针引线”,开辟地下探索的新领域。而在短短的8年时间内,中国地质科学院勘探技术研究所在中国地质调查局的大力扶持下,从底层建模开始,积极开展旋转磁传导技术研究,迅速掌握了旋转磁中靶测量的核心技术,开发出“慧磁”高精度钻井中靶导向系统,服务于国内和国际市场,取得了良好业绩。

“慧磁”高精度钻井中靶导向系统的全球化商业化服务,标志着中国的定向钻探技术在全球范围内与德、美等国一齐立于第一梯队。作为一项必不可少的技术,“慧磁”高精度钻井中靶导向系统为土耳其的两家世界排行第二和第三的天然碱矿所采用,创造了钻井水溶采矿界的奇迹。一直坚持传统的直井开采方式的北美工程师近年来也出现动摇,在其设计中正在仿效土耳其碱矿采用水平对接井采矿方法。

展望未来,勘探技术研究所将本着科研与生产相结合的原则,以创新求市场生存,以市场为科研提供条件,达到两者相得益彰的目的。在“十三五”的五年时间内,中国地质科学院勘探技术研究所将利用定向钻井技术优势,重点跟踪加拿大钾盐、巴基斯坦盐制碱和国内的煤层气施工等领域,积极推广“慧磁”技术应用,为全球资源勘探与开发提供优良的技术服务。