“慧磁”钻井中靶导向系统
在土耳其三期实施的双通道四靶点平行对接井H007U
“U”形冶井对接作业原理
自古以来就有种说法叫“上天容易入地难”。人类可以借助天文望远镜观测成百上千光年远的浩瀚太空，但对地表以下——我们脚踏的这片土地深处却是一头雾水，想要探索地下深处的奥秘几乎是不可能完成的任务。
如今，一种新的技术可以让我们实现在地下“穿针引线”，这便是高精度对接连通井技术——“慧磁”。这一技术也成为了钻孔的地下“导航”，可以将相距数百米或上千米的井组在地下矿层连通。据了解，该技术的核心是“慧磁”高精度中靶导向系统，源于中国地质调查局勘探所承担的“高精度定向钻进中靶系统研究”项目。该项目由中国地质调查局2008年立项，旨在通过试验研究建立起定向钻进中靶模型，引导钻进进入靶区，实现精确中靶。
近年来，中国地质调查局一直全力支持、支撑该技术的研发与突破。据了解，“慧磁”高精度中靶导向系统目前所取得的成果具有完全自主的知识产权，打破了国外公司的技术垄断，也使中国地调局勘探所成为国内首家、全球继美国之后第二家拥有该项技术的单位，达到国际领先水平。而该项技术比一些国外技术更加先进的地方在于：首创低电压可充电电池供电，可用于煤矿井下等高危作业环境（美国仪器采用的是220V电源供电，不适应煤矿等使用）；入井探管直径和长度分别为42毫米和1.4米，可用于穿过60毫米直径的中心管下入探管至井底（美国仪器为45毫米、1.9米，最小用于73毫米直径中心管），可完成更小曲率半径的定向井导向。
讲到“慧磁”技术，也不得不说说它的发明团队——勘探所定向钻探室主任胡汉月教授的科研团队。该团队在胡汉月的带领下，多年来一直从事着定向钻探技术的研发工作，凭借着地质人的一股子不服输精神和坚定执着的热情，将实践和科研相结合，终于研制成功“慧磁”技术。该技术研发成功的消息一传出，就在圈内引起的不小的震动，原来占尽技术优势的美国的同类产品只能大幅降低产品和服务价格，奈何也只是挣扎。
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重要节点，地理位置和战略地位极其显著。
2009年，“慧磁”高精度中靶导向系统第一次应用于实井测量就是在土耳其首都安卡拉西北的BEYPAZARI天然碱采集卤工程。在当地一个20平方千米的丘陵地带下储藏着近2亿吨的天然碱，2009年~2010年，勘探所与当地碱矿合作，成功完成了在该区域内23对对接井的施工任务。井组类型包括三井井组、四井井组和双通道井组等多种类型。
随着第一次应用的成功，“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，施工也全部取得了预期的效果。
特别值得一提的是，此次施工还完成了当时世界上规模最大的采用对接井水溶开采方法的钻井工程。2015年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工程正式拉开序幕。而该工程采用的核心技术就是“慧磁”技术，该项目旨在为卡赞天然碱矿年产250万吨的纯碱厂提供卤水，计划将在2015年~2018年共施工74个采卤水平井组，单井总数达222口。
“慧磁”技术在土耳其成功应用的过程中，勘探所创造性地设计并实现了多井组的连通，真正使得地下“穿针”技术成为了现实。同时，勘探所在施工中大胆创新，克服地层结构复杂、地磁场异常、地层破碎严重等困难，积累了处理复杂问题的丰富经验，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。
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的定向对接井的施工技术取得了重大突破。但是，大多数应用仍局限于传统的U形井组（由一个垂直井和一个水平井组成的井组）。
在勘探所实施的华晋焦煤柳林煤层气项目中，施工的DS井组是由2个水平井组成的煤层气井组，要实现两井的对接实为不易。由于“慧磁”钻井中靶导向系统具有无需外供电、体积小、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，因此该煤层气井组采用“慧磁”技术使2井实现“点对点”对接。这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”技术的高精度性能，山西柳林沙曲煤矿通过使用该系统，使地表钻进1500米深的定向水平孔与煤矿巷道内钻出的顶角为106度的水平孔成功实现对接，取得了“点对点”的精准连通效果。
该井的联通，既保证该矿地下采煤时的安全，又提高了能源的开采与利用率。据了解，该工程共有两个主分支，四个侧分支，将两个主分支分别与井下瓦斯抽放钻孔实现对接，对接成功后进行井下瓦斯预抽采。目前，其中一分支已进入试抽采期，经抽采数据表明，该分支日产气量1万立方米以上，抽采瓦斯浓度达90%以上，瓦斯流量最高达10立方米/分钟以上。该水平井的产气量目前已超出了预期效果，据以往同类井型抽采效果表明，该井产量将会继续攀升，有望创造新的产气纪录。
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。特别是在盐、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，开采深度可达3000米，这无疑是一种绿色环保的矿山开采方法。
2014年11月，勘探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2850米，创全球薄层碱矿对接井水溶开采垂深最深纪录。该井组连通后，在注水流量达60立方米/小时的条件下，出卤浓度高达120克/升，成功实现了稳产和高产的目的。该成果也是勘探所在湖北沙隆达盐矿连通2800米深井后又一新突破，创下了水平对接井深新纪录。
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2800米以上，该矿层是由厚度从0.1米至1米不等的矿互层及夹层组成，矿层顶、底板及夹层主要为白云岩。而且，区域内矿层极不稳定，起伏比较大，电测井时经过3次对比才最终确定矿层。勘探所实施的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，包括采用无线随钻测斜仪、引入了地质导向仪引导钻头和采用该所自主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。
据了解，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，正在发挥着越来越重要的作用。据不完全统计，自2009年“慧磁”系统首试成功以来，截至目前已成功完成了百余次对接连通指导作业，且实现了100%连通。目前，在国内的盐碱采卤井对接领域，“慧磁”的市场占有率已经以较大优势超过了美国的RMRS仪器。
开辟服务新领域：
避障防碰、引导巷道掘进
在钻探区域，有时存在一些废弃井或其它地下管道，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4月，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1394米的事故头位置。由于事故地层为千枚岩，硬度达7~8级，常规钻进钻速仅为20~30厘米/小时，施工难度极大。该绕障工程的成功实施，充分展现了勘探所雄厚的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，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。该矿山按勘探所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。
服务矿山救援：
“慧磁“的首次尝试
在智利矿难采用钻井救援成功后，勘探所创新提出了一套利用“慧磁”系统进行井下被困人员的定位和救援孔定向引导技术方案：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30天以上向外发射磁信号，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，提高援救效果和效率。
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，作为备选方案完成了现场实施的技术准备和地面验证，得到了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。最后由于救生井的成功贯通，勘探所的救援方案未能实施，但也完成了我国“慧磁“系统在矿山救援的首次尝试，为矿山抢险救援提供了一种备选的高科技手段。
“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、在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。
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