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向地球深部進軍永遠在路上

——記自然資源部中國地質調查局北京探礦工程研究所能源地質調查鉆探室主任翁煒

2018-12-28 8:40:22 來源:中國礦業報 本報記者:姬長玉

2017年5月18日,這是一個意義非凡的日子。當天晚上,翁煒一反常態早早結束了工程上的事兒,迫不及待地坐在了電視機前。緊跟著中央電視臺現場切入的鏡頭:南海神狐海域碧波蕩漾,鉆井平臺火龍飛舞,蘊藏在深海之中的“能量冰塊”高高升騰在巍然矗立的“藍鯨一號”上!對海域天然氣水合物試采成功,中共中央國務院第一時間發來賀電!實現連續8天穩定產氣,試采取得圓滿成功,我國天然氣水合物開發取得重大歷史性突破!

這項工程的成功展示了我國深海探測、深海開發關鍵技術的重大成果,作為海域天然氣水合物資源勘查工程的成員之一,參與并負責海洋鉆探器具研制與創新的中國地質調查局北京探礦工程研究所(以下簡稱探礦工程所)能源地質調查鉆探室(大口徑巖土鉆掘技術研發中心)的研發團隊,都感到歡欣鼓舞。

帶著對我國地質鉆探技術的好奇,記者日前專程來到位于北京市海淀區學院路的探礦工程所。在一間空間略有些局促的辦公室里,該所鉆探技術專家——翁煒接受了記者的采訪。

渦輪鉆具拆裝現場(左一為翁煒)

沒有完美的工具,只有更完善的技術

黝黑的皮膚,剛毅的眼神,筆挺的身軀,矯健的步伐,這似乎是一個優質工科男的標配。不同的是,翁煒卻愛笑,接人待物總是笑瞇瞇的。

剛出差回來的他,還有些風塵仆仆,但一聊到專業,整個人瞬間高度集中、神采飛揚起來。

年輕卻老練,踏實而沉穩,不打官腔,更沒什么架子,看待問題總有一套獨到的見解。這是翁煒給記者的第一印象。

本科、碩士、博士在中國地質大學(北京)接受系統教育,他不斷積累、不懈深入;工作后一直奔走在技術研發第一線,他堅守如一。

“在學中做,在做中學,以學促做,知行合一。”無論是學習還是研究,好好讀書,認真做事,發現問題,解決問題,這是翁煒一直堅守的人生信條。

教授級高級工程師、項目負責人、科研帶頭人、研究所骨干、中國地質調查局優秀地質人才、原國土資源部首批杰出青年科技人才、國土資源十一五、十二五科技工作先進個人……無論收獲多少榮譽,翁煒始終認為他的主戰場在科研實驗室、在車間廠房、在勘探基地,這是他不變的初心。

近年來,圍繞國家戰略發展需求,從巖土鉆掘、陸域鉆探再到海域鉆探,翁煒都取得了諸多成果,而且這些成果被廣泛應用到了地質調查鉆探工程實踐中。當前,翁煒已成了探礦工程所技術研發和成果轉化的中堅力量。

從業19年來,已經成長為身兼兩大部門主任的翁煒,在業界也已小有名氣,照理說可以不用那么拼了。但至今,除了全面負責管理部門整體業務和協調工作外,他還一直堅持摸爬滾打在技術研發的第一線。

可以說,巖土鉆掘技術與我們的社會發展、日常生活息息相關,其應用范圍已由初期的單純為地質找礦服務,擴大到水文水井鉆探、工程地質勘察、地質災害監測與防治、礦山搶險、地熱開發、地震觀測、考古發掘等眾多領域,特別是改革開放以后,更是迅速擴展到建筑工程、市政工程、路橋工程、水電工程、地下工程、港口工程等多個基礎施工行業與領域。

以大口徑無循環鉆進技術為例,目前我國最常用的是旋挖鉆進技術和全套管鉆進技術。在城市建設、高鐵建設過程中,旋挖鉆進技術顯示出成孔速度快、施工現場環保干凈、對孔定位準確、搬遷方便、適應地層能力強等優點,適用于各種樁基工程;同時,全套管鉆進技術還解決了旋挖鉆機難以施工的較硬巖土層和卵礫石層,以及鉆孔泥漿難以護壁坍塌的軟弱淤泥質地層和松散砂層等問題。

翁煒側重研究的,正是巖土鉆掘技術領域中的大口徑無循環鉆進技術裝備器具研究與開發。多年來,從事旋挖鉆進技術和全套管鉆進技術配套施工工藝、方法及器具的研制,正是他周而復始的日常。

短螺旋鉆頭、長螺旋鉆頭、多軸鉆、巖石筒鉆、牙輪筒鉆、旋挖鉆斗、體開鉆頭、全套管鉆具、擴底鉆頭……翁煒研制的多項器具先后成功應用于青藏鐵路、首都機場等大型施工工程中。

從理論計算、圖紙設計到切削具布置,每一種鉆具的問世,背后都凝聚著無數的挫折和艱辛。每當遭遇失敗時,翁煒都一直鼓舞自己,勝利就在眼前!

篳路藍縷,玉汝于成。其實,讓翁煒印象最深刻的是研制初期的旋挖用短螺旋鉆頭。“那是2003年,當時還沒有三維模擬仿真設計軟件,一個單位也僅有幾臺電腦。為了打破技術手段落后的局面,盡快打開產品市場,我和團隊幾經日夜奮戰,不停地調整、修改技術方案,不厭其煩地重新設計布置削具,直到連夜與工人一道完成產品試制工作。”翁煒說,“最令人記憶猶新的就是當時的那股沖勁和一心投入的感覺。”

因為涉及工程施工市場,用戶廣泛,同時滿足了國家無循環環保要求,目前從市場轉化角度來看,翁煒和團隊研制的旋挖硬巖鉆具的效果最好。在研制成功后,他們依然還在不停地改進,不斷從切削具、鉆具結構、施工工藝工法等方面進行優化。

惠熱1井鉆探現場(左二為翁煒)

“目前我們研發的重點是推進新型環保工法和工具,在保證符合國家節能環保要求的前提下,減少工藝步驟,提高擴孔鉆進效率,這是我們下一步的工作方向。”

翁煒說:“沒有完美的工具,只有更完善的技術。”或許,這就是他多年堅守、孜孜以求的最好解釋。

瞄準國家重大需求,發揮真正價值

“上天容易入地難!”人類可以借助天文望遠鏡觀測成百上千光年以外的浩瀚太空,可以登上月球,卻對地表深處的情況知之甚少。要想在地球“身上”打鉆,既要防止鉆井眼坍塌和崩裂,又要保證從深部取出的巖芯完好無缺,科學鉆探正是直擊地球深部當之無愧的利器!

作為國家科研院所,不僅要發揮技術先行和引領作用,更要做好公益性支撐服務。中國地質調查局確立了成果和人才的評價方式,一問是否解決能源、資源、環境、災害或基礎地質問題;二問是否實現轉化應用和有效服務;三問是否促進科學理論創新和技術方法進步;四問是否促進人才成長和團隊建設。圍繞國家重大需求,研究出實用成果是探礦工程所的職責定位,更是翁煒工作的方向引領。

近年來,為了積極響應國家“三深一土”戰略實施,緊密圍繞部局工作需要,進一步提高深部地熱、干熱巖勘查水平,更好地支撐和推動中國地質調查局地熱能源勘查開發工作,在探礦工程所領導的組織帶領下,翁煒和他的團隊把“深部地熱資源探測”作為向地球深部進軍的一個重要研究方面。

要想解決高溫、硬巖、鉆速慢、井底動力不足等技術問題,在深部地熱、干熱巖、深部油氣等能源勘探領域通常會選用渦輪鉆具,用鉆井液在井下直接驅動取芯。早在19世紀20年代,前蘇聯就研制了相應的渦輪鉆具,但當時主要采用橡膠軸承,耐溫能力和壽命都受到了限制。

工欲善其事,必先利其器。翁煒對記者說:“針對勘探需要的渦輪鉆具,我們主要在兩個方面進行了優化:一是渦輪葉片的結構優化,通過提高孔底動力機的發動機的效率和功率,實現在鉆進水力參數允許范圍內的最優化;二是采用金剛石材料作為軸承的摩擦副材料,鉆具壽命由原來的幾十小時提升到200小時。由于渦輪鉆具內部沒有橡膠件,采用了全金屬結構,耐溫能力可以達到250℃。”有關試驗數據表明,優化后的渦輪鉆具在花崗巖等硬巖地層的鉆進比普通回轉鉆進提升了1倍以上,比螺桿鉆具提升了近30%,匹配孕鑲金剛石鉆頭可大幅提高高溫地層鉆進效率。

另外,翁煒帶領團隊創新性地將原有大口徑鉆探的成熟經驗應用在小口徑鉆具的研發中,充分發揮小口徑鉆探的技術經濟優勢,不斷完善鉆具系列。同時,為匹配深孔動力鉆具需求,他們首次將鉆井液固控設備引入地質行業,精進取芯工藝,為高溫硬巖鉆探提供了環保配套裝備。

——其研制的國內首臺套Φ89渦輪鉆具在吉林長春油氣探井中成功完成鉆井示范。

——改進優化的直徑127毫米渦輪鉆具在福建漳州干熱I井成功完成了國內首次渦輪取芯鉆進,取得了地質鉆探領域渦輪鉆進技術的突破。

——研制出鉆井液離心機及固控循環系統,改善了泥漿性能,大幅減少了廢漿排放,滿足了鉆探環保要求及渦輪等孔底動力鉆具應用需要,目前設備已在國內多項重大鉆探工程中成功應用。

鉆具設計、制造技術、鉆進工藝……以上種種無不標志著探礦工程所已經掌握了高溫硬巖地層實施綠色鉆進的能力,深部地熱、高溫干熱巖等清潔能源的勘查開發未來可期。

“不管是京津冀地熱還是青海干熱巖科技攻堅戰工作,都需要建立適用于深部高溫環境勘查開發的一套完整的技術體系和更完備的鉆掘工具。”翁煒說,“我們準備結合預期實施的雄安新區、東南沿海等地熱調查工程繼續開展應用。”

鉆探工藝無止境,靠創新實現領跑跨越

科學技術是第一生產力,創新是地質工作者工作的核心。

隨著巖土鉆掘工程技術服務領域的擴展,以及施工地區的不同、施工環境的差別等,巖土鉆掘技術逐漸向多元化的方向發展。新的鉆掘技術裝備具備的功能越來越多,而且呈現出向高度機械化、輕便化、自動化、國際通用化發展的趨勢。相應的,鉆掘技術工藝也應具有更加輕便、快捷、高效和環保的特點。

在破碎、松散、淤泥質等特殊地層鉆探取樣過程中,經常遇到樣品采取率低、樣品質量差、取樣類型單一等問題。翁煒和團隊在開展地質調查項目期間,對我國復雜地層取樣技術進行了細致深入的研究,針對不同地層特性及取樣要求,研究出了三層管超前取樣技術、密閉膠體取樣技術及液壓剪切式取樣技術等,填補了國內空白,并成功應用到了鈾礦、煤礦、油氣等的鉆探施工中。其中,液壓剪切式取樣鉆具通過后續項目支撐已經成功應用于我國深海鉆探領域。

科學鉆探是利用設備、工具、技術等手段,通過鉆井深孔獲取地表下巖芯資料的重要方法,但鉆進過程并非一帆風順,而是要面臨各種不可預知的問題和風險,在海上更是如此。海上作業由于受環境限制,相對于陸上鉆探情況更加復雜,對作業裝備、作業技術的性能和可靠性要求更高,成本更高昂,只有從作業船舶、鉆具組合、輔助設備等方面實現突破,才能獲取高質量樣品。“比如做孔內CPT試驗和淤泥層取樣,要求鉆柱要穩定夾持才能獲取精確數據。”針對這一問題,翁煒和團隊專門研發了海域取樣基盤,設計可在3000米水深條件下工作,在南海1800米水深下進行了連續作業,對海域資源勘探開發工作提供了有力支撐。

苦心人,天不負。一年多來,項目成果陸續開展了海試和示范應用,取樣基盤在海域勘查工作中不斷驗證了技術的可靠性和穩定性。內心無比激動的翁煒終于松了一口氣——終于不用再受國外壟斷技術的鉗制了!海上應用成功只是第一步,翁煒表示,下一步工作還任重道遠,要保持持續創新、形成體系突破才能實現由跟跑到領跑的飛躍。

搭建好平臺,研發團隊才能展翅飛翔

如果說中國地質大學(北京)是翁煒成長的搖籃,那么探礦工程所則是翁煒成才的沃土。中國地質調查局提出了人才強局戰略,為青年科技人員的成長提供了良好平臺。在探礦工程所,翁煒獨立思考問題、策劃試驗、主持課題,逐步成為團隊骨干、科研帶頭人。翁煒說:“我的進步離不開平臺環境,探礦工程所有著良好的科學傳承,正是沿著前人的足跡,我們新生代鉆探專家才可以迅速成長起來。”

俗話說:“一個好漢三個幫。”任何一個人、一家單位都不可能擁有所有技術。開展廣泛的合作,是翁煒和團隊成員在技術研發和示范應用過程中的共識。

“開個玩笑說,我們在理論界應用好,在應用圈理論做得多。”翁煒“驕傲”地向記者介紹,在長期的無縫銜接中,他們形成了這樣的默契:科研院校重點做理論,公司企業提出需求和配套設備,翁煒的團隊就負責將理論與需求良好結合,推動技術創新應用。

渦輪鉆具、可膨脹波紋管和永磁鉆機控制……通過科技部國家合作平臺,他們的技術特長在國際合作方面也得以充分發揮,為技術成果創新提供了有力保障。

在擔任項目負責人期間,翁煒通過國際合作項目支撐,已經建成了孔底動力鉆具及井下工具、巖土鉆掘工具的研發團隊。自2010年至今,團隊已成功申報國際合作項目2項,科技部科研院所技術開發專項2項,自然科學青年基金項目1項,地質調查項目8項,團隊中部分人員已經擔任了項目負責人。

很多人放棄外部企業公司的高薪,幾十年如一日埋頭苦干、兢兢業業,扎根在探礦一線,“一是對探礦工程所的高度認同,二是為了實現人生價值,為國家能源資源安全做點實事。”當談起“每天有那么多客戶在使用我們的鉆具,我們的工藝技術一點點服務支撐起國家公益建設和鉆探工程”時,翁煒的臉上露出了一絲“得意”。所里的同事悄悄說:“這種笑容即使是在他獲得了各種重要獎項時都沒有看到過。”

目前,翁煒所管理的部門逐步形成了技術研發力量雄厚、設備品種齊全、技術水平不斷提高、施工能力強大的比較完善的科研、生產、銷售體系。談到管理的成功秘訣,翁煒會心一笑:“單位在嚴格管理的同時給予我們充分的授權和支持,我們這個團隊相對年輕,便于溝通協調,只要定好目標、做好分工、緊密協調、并嚴格管理,每個年輕人都有足夠施展的平臺和機會。”

鉆探工作異常艱苦,不是在出差,就是在出差的路上,與家人聚少離多是每一個地質人的生活常態。翁煒表示,他們部門80%以上的人是黨員,大家時刻以“責任、創新、合作、奉獻、清廉”的新時代地質工作者核心價值觀嚴格要求自己,充分發揮了先鋒模范作用。

面對新形勢,爭創一流永不停

隨著我國工業化進程的不斷加快,礦產資源和能源的需求不斷增大,同時地表以及淺部礦產大多已勘探清楚并且得到開發,探礦和采礦越來越“向地球深部進軍”。

“如果把地球比作一個雞蛋,我們現在也僅僅是鉆進到雞蛋外層的部分蛋殼,因此必須清醒地認識到,相對于龐大的地球來說,哪怕當前最深12千米的鉆井深度也只是地球的表皮……”翁煒說,“我們對腳下的地球了解還存在很多空白,特別是深部空間。”

采深越大,難度越大。面對深部開采最迫切的問題,翁煒表示,這需要一個從基礎材料到設備工具的系統進步,未來將重點針對深孔高溫高壓等特殊需求,研究耐高溫動力鉆具等關鍵器具,以求從瓶頸技術點出發帶動整體突破。

相較于深部開采發展的需求,現有的采礦模式、采掘裝備、采礦工藝技術還遠遠不夠。“以鉆探設備為例,我們目前采用了世界領先的永磁直驅、精準控制技術,可以將鉆機自動送鉆的精度控制在1毫米/秒,但這只是一個基礎,鉆探的智能化、數字化、智慧化進程還應不斷深入。”任何時候,創新都是引領發展的第一動力。在成績面前,翁煒和他的團隊異常清醒,只有不斷銳意進取,加快推進地質工作從淺度向深度轉變,才能逐步實現從解決資源問題為主到解決資源和環境問題并重的轉型升級。

偉人說,在科學的道路上,從來沒有平坦的大道可走,只有不畏艱險沿著陡峭山路向上攀登的人,才有希望達到光輝的頂點。技術探索永無止境,相信未來翁煒和他的團隊一定會在已有技術成果之上,開展進一步創新和應用,走出一條中國式的“深地開采”的道路來,為我國的地質事業做出新的更大貢獻!□

網站編輯:宮莉

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