“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。

    2013年1月10-11日，中国地质科学院在北京召开了2012年度科技成果汇报交流暨十大科技进展评选会。来自国土资源部、教育部、中国科学院、国家自然科学基金委员会、中国地震局、中国石油化工集团公司等部门54位院士、专家组成的评选委员会，经过认真、严谨的评审和投票，评选出中国地质科学院2012年度十大科技进展和特别进展。 

　　特别进展：深部探测技术与实验研究专项（SinoProbe）与国际同步

　　中国地质科学院董树文研究员、李廷栋院士及深部探测专项团队在财政部、科技部支持，国土资源部组织实施下，成功实现了技术创新与重大科学发现的并举，完成了6000km深地震反射剖面，使我国进入国际深部探测大国的行列，建立了全国大地电磁参数网和地球化学基准网，实施的6口科学钻探获得重要发现，实现矿集区立体探测，关键地区地应力监测、岩石圈动力学模拟、大陆地壳结构与演化研究取得长足进展，探测仪器装备研制取得重要突破。专项被认为是我国由地质大国向地质强国转变的标志性重大地学计划，在世界地球科学领域具有很强的影响力，具有经济社会意义巨大创新价值，在大科学计划组织实施方面做了有益的探索，为实施“地壳探测工程”重大科技专项奠定了坚实基础。专项被两院院士评为 “2011年度中国科技十大进展新闻。 

大漠中的地震探测

　　2012年度十大科技进展：

　　1、世界首幅数字化1:500万国际亚洲地质图编制完成

　　我国地质学家主导编制数字化1:500万国际亚洲地质图，获得高度评价。地质研究所任纪舜院士研究团队在地质调查项目资助下，按照世界地质图委员会相关决议，联合欧亚20个国家130余位科学家，历时7年，共同编制完成1:500万国际亚洲地质图，在ArcGIS平台建立地质图空间数据库。图幅范围西起阿尔卑斯，东到马里亚那海沟，北至北冰洋，南到爪哇海沟，包括亚洲大陆、欧洲大部、非洲东部、澳大利亚西北部、菲律宾海、印度洋北部及西太平洋部分地区。国际评审委员会认为，1:500万国际亚洲地质图是当代地质编图杰作，具有里程碑意义。

1比500万国际亚洲地质图

　　2、Hf同位素填图揭示青藏高原南部地壳生长过程与成矿

　　应用锆石Hf同位素示踪新技术，揭示青藏高原南部岩石圈结构、地壳生长过程及控矿作用，取得重要创新研究成果。地质研究所侯增谦研究团队在国家重点基础研究发展计划（973）项目资助下，通过Hf同位素填图，发现拉萨地体中央为前寒武纪微陆块，两侧为幔源物质注入的新生地壳；特提斯俯冲造山和印度—亚洲大陆碰撞导致微陆块发生垂向增生和侧向增生，对成矿金属来源和矿床分布产生显著控制作用。斑岩铜矿床产于新生下地壳区，矽卡岩型铁铜矿床发育在陆块内部及再造边缘，铅锌矿床则发育在残存的微陆块内部及边缘，深化了对碰撞造山带区域成矿规律的认识。

青藏高原南部Hf同位素填图及成矿系统分布

　　3、柴达木盆地古环境重建与成矿作用研究卓有成效

　　柴达木盆地科学钻探工程揭示古环境变化与成矿过程。矿产资源研究所郑绵平院士研究团队在地质调查项目和国家自然科学基金联合资助下，在柴达木盆地东部获得1.17Ma以来高精度年代学数据和高分辨率古环境记录，揭示晚更新世晚期以前一百余万年处于凉温或偏暖湿的古气候环境；在柴达木盆地西部发现第四纪早期发育15期冬季风强盛的冷期沉积，在柴达木盆地中部发现冬/夏季风重要界线和柴中成盐突变带。合理厘定察尔汗含钾盐矿层，提出高山深盆多级盐盆地迁聚成钾模式，分析了三湖区第四纪生物气成因和控制因素，为柴达木盆地资源评价提供了重要依据。

柴达木察尔汗盐湖第一个全取芯深孔QC-1岩芯略图

　　4、青藏高原南部变质作用和构造演化取得创新性进展

    地质研究所大陆构造与动力学国家重点实验室张泽明研究员、董昕助理研究员团队在地质调查项目资助下，对拉萨地体的变质作用和构造演化取得了多项重要进展：在该地块北部发现约650 Ma的高压麻粒岩；在中部鉴别出曾被认为是前寒武纪基底实为三叠纪变质岩；发现地体东南部发育有高温、高压、高氧化度的埃达克质晚白垩纪紫苏花岗岩；确定了南部与冈底斯岩基共生的中、新生代高级变质岩与侵入体共同构成该岩浆弧的中、下地壳；厘定了地体北部安多地块自新元古代至侏罗纪的变质演化历史；揭示出南迦巴瓦变质岩系的古元古代和早古生代两期新岩浆变质事件。上述成果为全方位厘定拉萨地体的变质演化历史和成矿地质背景做出重要贡献，成果已在国际主流地学期刊发表，获得较高引用。

青藏高原拉萨地体变质地质图

　　5、发现一种新的金刚石富集类型——蛇绿岩型金刚石

    地质研究所大陆构造与动力学国家重点实验室杨经绥研究员为首的地幔岩研究团队在科技部、国家自然科学基金和地质调查项目联合资助下，在雅鲁藏布江的西段和缅甸的密支那地幔橄榄岩、丁青地幔橄榄岩和新疆萨尔托海铬铁矿中新发现金刚石等超高压矿物。项目组已在全球5条板块缝合带的10个蛇绿岩块中发现了金刚石等深部矿物，并在铬铁矿中发现原位产出的金刚石，其金刚石的C同位素值和矿物包裹体不同于金伯利岩型金刚石和超高压变质型金刚石。由此认为，确定了一种产在蛇绿岩地幔橄榄岩中新的金刚石产出类型，并命名为蛇绿岩型金刚石，从而开辟了金刚石勘查的新方向。

蛇绿岩型金刚石的产地分布图

　　6、井间跨度500米的电磁波探测与层析成像系统研制成功

　　自主研发大透距地下电磁波探测与层析成像系统达到国际先进水平。地球物理地球化学勘查研究所高文利研究员团队在国家高技术研究发展计划（863）项目资助下，相继突破低频—大功率发射、高灵敏度接收、井中天线技术等关键技术，成功研制适用于钻孔间和坑道间工作的地下数据采集系统，同时研发科研样机及配套数据处理解释系统，形成了具有自主知识产权的大透距地下电磁波层析成像系统。测试检验表明，系统稳定可靠，井间探测距离可达500多米，能够精细探测盲矿及溶洞，为地质勘查提供了高分辨率技术设备。

地下电磁波数据采集系统

　　7、多元素形态分析技术突破展示出生态环境地球化学应用新前景

　　发展溴、碘、砷、镉等有益有害元素形态分析技术，开创了元素分析地球化学新领域。国家地质实验测试中心李冰研究员团队在国家自然科学基金、公益性行业专项、地质调查项目联合资助下，采用高效液相色谱—电感耦合等离子体质谱联用技术，建立了元素价态、金属有机化合物、生物有效形态分析技术方法体系，包括高品矿泉水溴酸盐检测技术、碘地球化学调查方法、生物样品砷形态分析技术、植物样品镉形态分析方法，灵敏度高、检出限低，为生态地球化学调查和环境评价提供了重要的实验检测技术支撑，具有重要应用前景。

镉胁迫对印度芥菜细胞超微结构的影响

　　8、西藏阿里铜金矿科技找矿重大突破 

    发挥科技优势精心部署找矿勘探，在西藏阿里尕尔穷探获大型铜金矿。矿产资源研究所唐菊兴研究员团队在公益性行业科研专项和商业性勘查项目联合资助下，查明西藏阿里尕尔穷铜金矿床地质特征，研究成矿规律，新发现含锇自然铋、硫硒铋化物、碲硒铋化物、自然铁、锌铜互化物、铁铬镍互化物等特殊金属矿物，确定了矿床类型，建立了矿床模型。探获332+333类别铜资源量8.7万吨、共生金资源量27吨、伴生银资源量52吨，成为班公—怒江缝合带西段第一个达到详查程度的大型铜金矿床，实现科技找矿重大突破。 

尕尔穷矿区照片

　　9、中国侏罗—白垩系界线及海陆相地层对比研究新进展

    地质研究所季强、柳永淸研究员团队在地质调查项目资助下，通过对藏南地区9条海相侏罗—白垩系界线和辽西地区7条陆相界线地层剖面的研究，在藏南地区桑秀组底部获得了142Ma的年龄，表明国际侏罗—白垩系界线年龄值不会小于142Ma ，支持了国际地层委员会提出的145Ma的界线年龄；在冀北—辽西地区土城子组底部获得154Ma的年龄，在其顶部获得137Ma的年龄，表明侏罗—白垩系界线应置于土城子组内部。首次提出藏南地区海相侏罗—白垩系界线应置于柔扎组与桑秀组或甲不拉组之间，辽西地区陆相侏罗—白垩系界线应置于土城子组二段与三段之间，即置于真叶肢介—三尾拟蜉蝣间隔带之底，基本解决我国几十年来争论不休的侏罗—白垩系界线问题和海陆相界线地层对比问题。

西藏浪卡子地区卡东桥侏罗—白垩系界线剖面

　　10、深地震探测揭示长江中下游深部过程及构造岩浆成因系统

　　矿产资源研究所吕庆田研究员团队在国家深部探测专项(Sinoprobe-3)和国家自然科学基金重点项目联合资助下，使用主动源和被动源地震探测技术，捕获到长江中下游成矿带深部动力学过程的关键信息。发现上地幔存在异常速度和各向异性结构；成矿带边界断裂附近地壳出现“鳄鱼嘴”构造，即上地壳逆冲，下地壳俯冲并穿过Moho直到上地幔顶部；发现下地壳反射同相轴密度与火山活动强度成正比，且在庐枞火山岩盆地之下发现反射各向异性和多级岩浆活动留下的地震学痕迹；发现地壳变形的不均匀性和地壳变形与岩浆活动相互作用的新证据。提出了陆内巨型成矿带形成的深部过程与构造岩浆系统新模型，即陆内俯冲增厚、岩石圈拆沉、基性岩浆底侵、新生地壳熔融并发生MASH过程，诠释了陆内巨型成矿带的成因。

穿过宁芜矿集区的反射地震偏移剖面

    中国地质科学院2012年十大科技进展是从1025项执行项目中，经过院属各单位筛选、推荐的22个优秀项目中评选产生，代表了院最新研究水平，受到院士专家的重视和好评。李廷栋院士认为，成果丰硕，创新良多，效益显著，贡献突出；具体表现包括：（1）涉及学科多，几乎覆盖院所有学科领域；（2）项目来源广，有国家科技专项、973和863项目、国家自然基金项目、公益性行业科研专项、地质调查项目及横向项目；（3）涉及地区广，包括国内不同地区、亚洲大陆及毗邻海域，立足国内，面向全球；（4）成果水平高，取得不少重要的新发现和新认识；（5）社会经济效益好，有助于建设美丽中国。