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    日前,自然资源部中国地质调查局青岛海洋地质研究所自主研发的“水合物生产井气-水-砂三相人工举升模拟实验系统”、“水合物开采过程中砂对离心泵磨损的测试系统”、“模拟井下真实环境进行离心泵气液分离效率的测试装置”3项实用新型专利技术获得国家知识产权局证书,专利号分别是ZL201721648774.0、ZL201721648630.5、ZL201721643372.1,标志着青岛海洋所在海域天然气水合物试采人工举升领域有了新的进展。

    泥质粉砂天然气水合物开采过程中,井筒离心泵举升系统是保障天然气水合物持续安全开采的“最后一公里”,通过人工实验井技术验证泥砂、气、水、水合物浆体综合作用下人工举升系统的稳定性,优选合适的人工举升装备、优化最佳举升参数,可以对水合物试采工程参数设计提供重要依据。上述三项专利技术针对泥质粉砂储层降压/流体抽取法开采过程中的井筒多相多组分复杂流动状态,通过设计合理的实验回路、测试方案,分别验证泥砂、甲烷气体含量对离心泵工作效率的影响,并提出最佳的井筒举升管柱组合。

    据悉,上述专利技术是自然资源部天然气水合物重点实验室目前已经建成并完善的海域天然气水合物实验井技术的关键组成部分。基于上述实验井技术,团队已经提报相关国家专利23项,其中发明专利12项,实用新型专利11项。截至目前,所有实用新型专利均已获批,发明专利均已进入实质审查阶段。

     

     

     
    青岛海洋所在水合物开采举升关键技术方面获3项专利

    (一)自主成功研发深海浅软地层大口径水平井技术

    深海浅软地层完成水平井建井

    该成果由中国地质调查局广州海洋地质调查局牵头,中国地质调查局勘探技术研究所、中国石油集团海洋工程有限公司等单位共同参与完成。牵头完成人为叶建良、秦绪文、谢文卫、刘春生。其主要进展及创新:

    1.创造了深海浅软未固结地层17-1/2″井眼造斜率>15°/30米的世界造斜新纪录。研发了专用大直径高造斜钻具,创新软弱未固结地层的水平井定向钻进工艺,经过4个试验场累积12824米试验,在水深大于1200米的试采井现场施工中实现连续8个靶点高精度中靶,确保了井身轨迹精准穿越储层地质甜点。

    2.首次采用开路钻完井技术钻开储层,大幅度拓宽了钻井液安全密度窗口,有效解决了未固结浅部地层易破裂等问题。综合优化利用施工平台双井架同时作业,实现浅软地层水平井安全高效建井。

    3.创新研发了动力导向下套管技术,攻克浅软地层中高造斜率大直径套管下入难题。利用动力导向工具引导套管下入,大幅度降低管柱下入摩阻,减少粘附卡钻风险,避免新井眼的产生,创造深水浅软地层套管下入纪录。

    4.研发全球领先的第四代“慧磁”高精度中靶系统,拓展了姿态测量模式,并提高了仪器的探测距离和测量精度,精准控制监测井与试采井间距,为实现储层精确监测提供了技术保障。

     

    (二)干热岩高效控缝控震压裂和高温硬岩多靶点精准定向钻井技术取得突破

    青海共和 GH-01 井压裂现场

    该成果由青海共和盆地干热岩勘查与试采科技攻坚战指挥部牵头,中国地质调查局水文地质环境地质调查中心等单位共同参与完成。牵头完成人为叶成明。其主要进展及创新:

    1.自主攻关形成干热岩裂缝定向控制压裂技术,以裂缝系统净压力控制为关键手段,调整工艺和参数,研发应用超高温、长效封堵暂堵转向剂促使裂缝向高应力方位延伸,达到有效控制裂缝走向和延展距离的目的。

    2.基本掌握干热岩压裂高效控震技术,建立多场耦合三维地质模型,评价诱发地震风险。采取填砂封堵敏感结构面、无级变速压裂缓停泵、中小排量连续泵注等工艺,减缓压裂诱发地震。实时获取诱发地震信息,动态评价诱发地震风险,指导压裂参数调整。

    3.创新建立微地震-时频电磁高精度裂缝联合观测系统,实时获取微震响应和裂缝延展特征,形成了适合干热岩压裂微震监测的高精度微地震监测技术,支撑压裂工艺参数调整和诱发地震风险管控。

     

    (三)新发现和厘定鲜水河木格措南全新世活动断层与色拉哈挤压阶区并有效服务重大工程规划论证(略)

     

     (四)智能滑坡监测预警系统研发与地质灾害隐患遥感识别技术取得突破并成功应用

    滑坡仪-GNSS位移监测设备

    该成果由中国地质调查局地质环境监测院、中国地质调查局自然资源航空物探遥感中心、中国地质调查局地质力学研究所等单位共同参与完成。牵头完成人为邢丽霞、殷跃平。其主要进展及创新:

    1.第Ⅰ代滑坡仪定型试制。融合应用新型微机电传感、北斗高精定位、天-地窄带物联、人工智能等多学科技术,突破低耗采集、变频监测、组网定位与多模通信等关键技术瓶颈,可靠性不断提升,达到95%优秀级;集成度大幅提高,实现多测项按需集成。

    2.智能预警系统多级应用成效显著。系统实现“建设-运行-维护”全流程在线管理,并构建了“人机结合”决策模式与技术流程,初步实现人机综合研判。

    3.“1+4”监测预警技术标准体系初步形成。构建1总4分技术标准体系,其中《地质灾害专群结合监测预警技术指南》《地质灾害监测数据通讯技术要求》已印发执行。

    4.隐患识别方法体系初步建成。提出融合多源、遥感观测,涵盖形态、形变、形势的隐患识别技术方法,形成专题信息提取、隐患特征识别、野外核查验证的业务流程。

     

    (五)深部地热系统成因理论及模式支撑找热取得新成效

    “同源共生-壳幔生热-构造控热”成因模式示意图

    该成果由中国地质调查局水文地质环境地质研究所、中国地质调查局地质科学院、中国地质调查局水文地质环境地质调查中心、中国地质调查局北京探矿工程研究所等单位共同参与完成。牵头完成人为王贵玲。其主要进展及创新:

    1.建立了深部水热型和干热岩型地热资源系统的成因理论,从地热系统的角度阐释了两种类型地热资源的关联和差异,统一了地热找矿新思路。提出不同构造区水热与岩热相伴生的“同源共生-壳幔生热-构造聚热”的成因理论,进一步完善了地热资源研究的基础理论。

    2.将深部地热系统划分为沉积盆地古潜山复合型、沉积盆地深坳陷层控型、断陷盆地地压型、陆陆碰撞板缘型、板缘俯冲带热控构造型、隆起山地深循环型以及近代火山型七种类型,为区域地热资源勘查开发提供了理论依据。

    3.基于此理论,相继在雄安新区、东南沿海、江西宁都等地区实现找热突破。在雄安新区钻获华北迄今温度最高的地热井,在广东惠州钻获东南沿海迄今温度最高、流量最大的地热井,在江西宁都小布镇钻获了当地第一口可供商业开发的地热井。

     

    (六)航磁超导全张量梯度测量系统研发成功

    低温超导(左)和高温超导(右)航磁全张量梯度测量系统试飞团队

    该成果由中国地质调查局自然资源航空物探遥感中心、中国科学院空天信息创新研究院、吉林大学等单位共同参与完成。牵头完成人为刘浩军、郭华、郭子祺。其主要进展及创新:

    1.对无磁杜瓦进行小型化、轻量化设计,并通过电磁屏蔽技术保证杜瓦低涡流噪声性能,提高系统稳定性。设计高、低温超导系统通用的读出电路和惯导系统匹配的主测控装置,实现了多通道SQUID测控系统工作点自动调节技术,以及八通道磁测数据和姿态数据的同步采集、存储和上传;设计并研制水滴形吊舱及配套吊缆,通过空气动力学、电磁兼容性等分析测试,解决水滴形吊舱研制和飞行姿态控制等关键技术问题。

    2.高温超导测量系统采用全新探头结构设计,通过增加芯片基线距离,提高磁梯度灵敏度。

    3.低温超导测量系统采用六棱台绝对对称结构设计,通过多芯片设计增加磁测数据冗余度,结合磁通变换器,提高磁测数据质量和稳定性。

     

    七)中国东部克拉通古陆核形成与大陆演化研究取得重大进展

    该成果由中国地质调查局武汉地质调查中心、中国地质调查局成都地质调查中心、中国地质调查局南京地质调查中心、中国地质调查局天津地质调查中心、中国地质调查局地质研究所共同参与完成。牵头完成人为邓新。其主要进展及创新:

    1.在黄陵古陆核发现扬子克拉通已知最古老的(29.5亿年)表壳岩系、华南最古老的(33亿年)TTG岩系,发现迄今扬子克拉通最古老的冥古宙(40亿年)继承锆石,在云南元江地区查明存在扬子克拉通南部最古老的(31~28亿年)结晶基底。

    2.在胶北发现27亿年富钾花岗岩,指示该区太古宙地壳在27亿年时已完成由不成熟的TTG片麻岩向成熟的壳熔花岗岩转变,限定华北克拉通吕梁群的时代为新太古代(25亿年),改写了华北古元古代BIF成矿历史。

    3.重塑了华南元古宙弧盆系演化格局,为深化认识显生宙战略性矿产区域成矿规律提供了基底构造信息。

    4.深化了中国东部克拉通古陆核地壳演化的认识,为探索全球早期陆壳形成及其与板块构造体制的关系提供了新资料,相关成果发布后引起了地学界广泛关注,实现了基础地质理论创新。

     

     

    (八)大陆碰撞成矿理论指导成功实施青藏高原首个3000米固体矿产科学深钻并揭露巨厚铜金矿体

    甲玛矿区推-滑覆构造控矿体系

    该成果由以中国地质调查局矿产资源研究所唐菊兴为首的科研团队牵头完成。其主要进展及创新:

    1.在青藏高原甲玛矿区成功实施了固体矿产首个3000米科学深钻,精细揭示斑岩成矿系统结构,实现地质信息“透明化”,累计揭示584.36米铜钼(金、银)矿体,建立了完备的高原科学深钻施工工艺,也为构建3000米以浅的资源勘查和预测技术方法奠定了坚实基础。

    2.创建了斑岩成矿系统“多中心复合”成矿作用模型,丰富和完善了碰撞造山成矿理论,并依此新发现则古朗北矿段的巨厚斑岩和矽卡岩矿体。在矿区深部及外围取得重大找矿突破,据最新估算成果,甲玛矿区累计探获资源量铜882.5万吨(Cu 0.7%以上 392.8万吨),钼85.6万吨,铅111万吨,锌63.8万吨,伴生金244吨,伴生银13000吨,当量铜1814.8万吨。

    3.通过“产、学、研、用”技术理念以及科技成果转化,项目成果直接应用于矿山深部和外围找矿,并取得重大找矿突破。

     

    (九)望谟生物群首次发现并揭示三叠纪早期海洋生命复苏与演化

     

    望谟生物群化石类型

    该成果由以中国地质调查局成都地质调查中心的周长勇、张启跃为首的科研团队牵头完成。其主要进展及创新:

    1.在南盘江盆地首次发现早三叠世海洋生物化石群落,初步鉴定包括6门14纲,命名为“望谟生物群”。其丰富的化石门类展示出从初级消费者到顶级捕食者的复杂食物链,表明在早三叠世一个复杂的海洋生态系统已经形成,海洋生态系统恢复时间小于5百万年,是研究早三叠世海洋生态快速复苏机制的窗口。

    2.填补了南盘江盆地早三叠世海生爬行动物演化空白,与之后的罗平生物群、兴义动物群、关岭生物群形成了华南三叠纪海洋生态演化的完整系列,对深入研究二叠纪末生物大灭绝后海洋生态系统复苏、辐射具有重大意义。

    3.地方政府和相关部门高度重视望谟生物群化石保护和研究,已协调黄百铁路等基础建设改线避让以促进妥善保护化石产地。

     

    (十)水平衡理论与北方生态水文演变研究取得新认识

    坝上高原及察汗淖尔流域盐尘空间分布

    该成果由中国地质调查局水文地质环境地质研究所、中国地质调查局自然资源航空物探遥感中心、中国地质调查局地质环境监测院、中国地质调查局水文地质环境地质调查中心等单位共同参与完成。牵头完成人为石建省、吴爱民、聂振龙、张光辉。其主要进展及创新:

    1.构建水平衡理论体系,提出水平衡区域控制、水平衡问题响应、水平衡危机预警等水平衡“红线”指标。从技术逻辑出发,对多尺度自然单元进行水平衡分析研究,提出水平衡关键要素发生重大变化的指标界限,再以行政逻辑为着眼点,按多级行政单元对技术型结论进行管控分配,形成在生态系统合理维持前提下,水平衡状态满足经济社会发展需求的可调节指标、范围和途径。

    2. 提出了内蒙古高原萎缩型湖泊与青藏高原扩张型湖泊的水平衡模式,揭示内蒙古高原察汗淖尔、达里诺尔、岱海等湖泊萎缩的主要原因是干旱气候背景下地表水过度开发和地下水超采;查明了盐湖流域四湖水源构成,定量识别了冰川冻土融水及地下水补给量,精准预测了盐湖水位的溢出时间,实现了高寒湖泊水平衡分析理论方法创新。

    3. 创建了西北干旱区地下水生态功能渐变-质变-灾变识别理论方法,揭示了西北干旱区地下水生态危机形成机制。

     
    2020年度地质科技十大进展公布

    近日,由北京探矿工程研究所研发的“用于深海的重力压入式锚固装置及其跨接软管布放方法”(专利号ZL202211145045.9)获国家发明专利授权。

    本发明研制的锚固装置主要用于在海底对钻井液上返管柱进行锚固定位,具有锚固稳定、操作简单可靠的优点,可有效提高深海钻井系统的安全性。

     

     

    探矿工程所“用于深海的重力压入式锚固装置及其跨接...

    近日,中国地质调查局北京探矿工程研究所自主研发的“一种弹射式动力猫道装置”(ZL202310807050.X)获国家发明专利授权。

    动力猫道是钻机自动化管柱处理系统的重要组成部分,常规的动力猫道主要采用液压装置输送钻杆。该技术采用电机高速弹射的方法,驱动钻柱进行上下钻台面作业,可降低钻井人工劳动强度,减少安全生产风险,实现钻杆作业自动化,进一步提高钻探装备自动化水平。

     

     
    探矿工程所自主研发的“一种弹射式动力猫道装置”获...

    近期,由自然资源部中国地质调查局青岛海洋地质研究所自主研制的水合物试采仿真实验井装置与技术体系研究成果得到国家知识产权局批复,本次获批的5项国家实用新型专利分别为“天然气水合物试采模拟装置(专利号:ZL 2017 2 1648771.7)”、“水合物开采过程中气体对离心泵性能影响的测试系统(专利号:ZL 2017 2 1647463.2)”、“水合物开采人工举升离心泵特性曲线测试系统(专利号:ZL 2017 2 1647472.1)”、“模拟水合物仿真开采的气-水-砂三相配注系统(专利号:ZL 2017 2 1642612.6)”和“水合物开采井机械筛管冲蚀评价仿真系统(专利号:ZL 2017 2 1643375.5)”。

    水合物试采井井筒流动规律、井下装备工况分析及工程风险预测与防控措施是天然气水合物试采实施过程中面临的几个主要难题。上述专利作为天然气水合物试采仿真模拟技术体系的部分成果,主要以全尺寸天然气水合物试采模拟实验井为依托,研制建立了水合物试采人工举升、井筒携砂、气液分离测试回路,能控制水、气、砂三相流体的流量,实现模拟电潜泵举升、电潜泵气体分离、地面三相流体分离的过程,并对电潜泵的工作工况进行检测和实时读取检测数据。同时,还可开展水合物试采完井防砂工具适应性检测、井筒管柱工况监测及流动型态监测与模拟试验等功能。

     

     

     
    天然气水合物试采仿真模拟技术体系获得系列国家实用...

     

    寇贝贝,男,34岁,大学本科,专业技术九级,广州海洋局天然气水合物工程技术中心开发工程室副主任。专业方向:水合物开发工程技术和设备研究

    解决资源环境问题或基础地质问题情况:

    担任南海天然气水合物试采工程实施二级项目副负责人、水合物试采指挥部办公室工程组负责人,负责试采工程技术方案设计、试采技术流程编制、工程预算优化等,为试采工程成功实施奠定了坚实基础;创新设计适合南海海域水合物特点的井身结构和钻井、完井、测试方案,试采实施期间,确保井口、地层和井壁稳定,未发生地质灾害和气体泄漏现象,为环境保护提供强有力的技术保障;独创深水超浅储层钻井、储层改造、双层套管完井、井下气液分离、实时监测系统等工程措施,成功克服深水浅层未固结储层成井难、地层渗透率差、砂粒径小防砂难度大、水合物二次生成等一系列世界性难题,为安全、可控开采水合物资源提供工程措施。

    实现转化应用和有效服务情况:

    作为试采项目深水工程技术负责人,在技术方法上取得重大突破,为连续稳定试采60天、总产气量30.9万方提供技术支持。作为报告第一编写人编写海域天然气水合物试采阶段成果报告,提交了发明专利四项(评审中),即双层套管防砂完井工艺及双层防砂完井管柱、半潜式钻井平台或钻井船的水力割缝方法、用于天然气水合物开采的管路结构,该技术成功实现井下气液分离,防止水合物二次生成堵塞生产管道、用于天然气水合物开采的管路监控系统。

    促进科学理论创新和技术方法进步情况:

    研发了未固结储层钻完井技术,攻克了水深大于1000米、埋深小于300米储层难以成井的世界性难题,为我国乃至世界范围内深水超浅未固结储层开采提供成功案例;首创双层管完井技术,在14兆帕生产压差下保证了防砂筛管的安全;研制了高精度防砂筛管,有效解决南海泥质粉砂储层类型泥质含量高易堵塞筛管、防砂粒径小等困难,成果处于国际先进水平;独创储层改造技术,极大改善了储层渗透性,实现了泥质粉砂低渗储层的产能突破;集成创新综合测试和实时调控系统,现试世界首次开采过程精准控制,有效支撑了60天连续稳定生产。

    促进人才成长和团队建设情况:

    大力培养非深水工程人员和新人,工程组从4人发展到15人,组建了专业较齐全的水合物试采团队,团队研究方向涉及石油工程、钻探工程、机械工程、地质工程、海洋环境工程等多个专业,包含钻井、完井防砂、人工举升、流动保障、试采测试等专业领域。此外,与多家国内知名企业和院校开展合作研究,多次组织钻井、完井、测试专业领域专家到我局进行学术交流,广泛凝聚国内优势力量,构建研究平台,采取产、学、研相结合,多学科、跨部门进行联合攻关和人才培养,为今后水合物商业性开采奠定人才队伍基础。

    寇贝贝

    2021年7月15日,中国地质调查局勘探技术研究所“十三五”国家重点研发计划“5000米智能地质钻探技术装备研发及应用示范”项目组在保定博野野外试验现场对中国地质大学(北京)工程技术学院2019级本科生地质工程专业学生进行了教学实习。

    项目负责人向同学们介绍了国家“十三五”重点研发计划“5000米智能地质钻探技术装备研发及应用示范”项目的立项背景、研究目标、研究内容、执行期限、课题设置、牵头单位与参与单位等基本情况。课题负责人向同学们介绍了试验现场区域布置规划和安全注意事项,对5000米智能地质钻探装备的组成、各部分功能、主要技术参数、动力要求、安全配置等作了详细说明。现场的项目研发人员、试验人员与同学们进行了互动,对同学们提出的问题进行了解答。

    据悉,经过3年时间项目组已完成了5000米智能地质钻探技术与装备的研制工作。其中,井口自动化作业系统自动化程度达90%以上;钻机智能化控制系统可实现小口径地质钻探绳索取心孔底信息的采集与遥传及MWD系统与绳索取心工艺的对接;构建了地质小口径特深孔绳索取心钻探工艺用管柱口径优化理论,形成了适应国内生产需求的5000米特深孔岩心钻探用口径系列与钻(套)管柱规格;研制了大颗粒表孕镶高胎块金刚石钻头及偏心斜齿轮金刚石取心钻头及耐温150℃环保冲洗液体系等。下一步,将结合中国地质调查局地调项目“冀中坳陷深部碳酸盐岩热储调查评价(井号:JZ-04,井深4016米,井径φ216mm)”进行实际验证。 

    中国地质大学(北京)学生到5000米钻探装备集成应用...

    深部钻探是深部探测必要的技术手段之一,目前我国尚缺失5000米以深地质岩心钻探技术与装备,而油气钻井与岩心钻探差异大无法直接应用。“高性能薄壁绳索取心钻杆研制”是中国地质调查局勘探技术研究所牵头承担的国家重点研发计划项目“5000米智能地质钻探技术装备研发及应用示范”下属课题之一,课题通过理论攻关、材质优选、工艺探索等,提出了特深孔绳索取心钻探工艺用管柱口径优化理论,形成了新钻探口径系列与钻(套)管柱规格,成功研制出适用于5000米地质岩心钻探的高性能薄壁绳索取心钻杆。

    自立项以来,课题组针对钻孔口径与管柱规格优化、钻杆的材质优选、涂层制备、钻杆结构设计、加工制造技术等关键问题,多次召开学术研讨,完成了基于环空压耗的口径优化分析、管材性能测试试验、涂层制备与性能分析、接头结构设计及仿真优化及多轮小样试制与台架试验。目前,发表相关论文14篇(其中SCI8篇),受理相关国家专利9项(已授权4项),取得相关软件著作权4项。

    2020年底,基于上述研究工作有序推进,完成了P-5000高性能薄壁绳索取心钻杆研制工作,并通过第三方专业检测机构的检测。主要参数包括:钻杆定尺长度>9.5m、接头螺纹副密封耐压值>20MPa、抗扭屈服能力>45kN•m、抗拉屈服强度>1045MPa(优于V150钢级),达到了项目考核指标和后续工程示范要求,继常规绳索取心钻杆与石油钻杆之后,为高效开展深地勘探提供了又一利器。

    勘探技术所成功研制地质钻探特深孔用高性能薄壁绳索...

    近日,自然资源部中国地调局水环中心获得“用于地热生产井监测的井口装置”专利号为ZL2017 2 1509214.7和“分布式地温测量装置”专利号为ZL2017 2 0924478.2两项实用新型专利。

    “用于地热生产井监测的井口装置”具有一次入井完成井下测温、地层压力永久监测和抽水功能。使用该装置可减少作业工序,降低施工成本,不用更换完井管柱,一次完成抽水、井下温度和地层压力动态监测,使用效果显著,经济效益相当可观。

    “分布式地温测量装置”以铂电阻感温为基础,测温精度达到0.1℃,可同时多点测量,监测效率非常高。该装置使用范围广,能够满足浅层地温能的测量,也能够适用于深部地热温度测量,同时能够有效解决气、液、固三态环境温度测量问题。同时,该装置实现了智能化控制,具有操作简单、安装方便、精度高、数据可视化的特点。

    水环中心地热监测领域新增二项专利