中国钻探技术发展综述

摘要:钻探技术在我国有悠久的历史。早在秦代就有钻凿盐井、汲取卤水、熬煮成盐以供民食的记载。到了唐代,四川一地就有盐井六百多口。明清时期更是得到了极大的发展,当时多采用简便易行的冲击钻进方法。而近代岩心钻探则是由欧美传入的,就中国没有自己的钻机制造业。新中国成立后,随着国民经济和地质工作的发展,我国的钻探技术得到了迅速发展,并形成了以探矿工程为行业及其专业技术学科。

关键词:盐井;卓筒井;钻探西化;岩土钻掘工程;探矿工程;科学钻探

1 古代钻探技术的演变

在新石器时代早期的遗址中,发现了一些一米左右的竖坑,主要是储藏东西用的窖穴,此时还远远不能称为钻探技术。

夏商周时代继承了夏以前的开拓方法,并给予开拓,发展起了古代采矿业,此时的采矿井已由竖井、斜井与平巷结合而成,而且有支护结构,以防止碎石塌落,在采掘工具和矿井的规格上也是有很大的进步。

秦灭巴蜀,李冰入蜀,不仅开发了都江堰水利,更掘凿了广都的盐井,开启了巴蜀盐井的新篇章。当时盐井的掘凿技术主要依赖当时的铁器工具,并推广了北方中原的掘井技术。

时至汉代,小口井浅井的掘凿非常流行,并提升装置已属单辘轳型,同时,大口径盐井的开发也很具特色,具代表性的有东汉仁寿的陵井和晋以后的毒狼井,以及南陵井。

到了唐代,盐井的规模和深度猛增,工艺技术也有改进和进步。(1)应用工具在品种和热处理技术方面的提高;(2)采用了“大绞车提升运输”;(3)大口井的支护技术和井的结构有所创新;(4)发明了“鱼盘”,解决了井底有害气体的问题。这种改进使得当时已经能够在坚硬的砂岩层中开井。

至北宋庆历年间,在继承汉唐以来大口径浅井成功经验的基础上,发明了竹篦绳索冲击式钻探法,出现了一宗全新型式的钻井方法——卓筒井。这时的探井技术才能真正被称为钻探技术。

明朝初期由于社会不稳定,钻进技术没什么发展,到了明朝中后叶,钻井技术及规模得到了发展。(1)马骥的《盐井图流》中把钻井工程划分了六道工序;(2)在钻井深度最深可达百丈;(3)钻井结构有宋卓筒井单一的“二径结构”发展为“三径”或“多径”结构;(4)开始用铁锥钻头和“铁钎”钻头,同时还发明了诸如撞子钎、铁五爪、搅镰、搜子等的处理井内事故工具;(5)在扬和动力系统方面开始出现牛为动力,极大地提高了工作效率。

伴随着盐井的钻探,气、油井的开发受到了重视,当时也掌握了使用一些采气装置和导线,用于烧锅煮盐。并且在四川自流井开发了历史上第一个工业开采的气水田。

明末清初,战乱不断,钻井技术和社会经济收到了严重的影响,清朝建立后,采取了一系列利民政策,自贡市的井盐达到了全盛时期。在道光十五年,在自贡市大安区钻成了深达1001.42m的世界上第一口超1000m深井—— 海井。并在光绪十八年钻成了第一口岩盐水溶开采的广元井。

我国古代钻井技术在此时相当成熟,逐渐形成了一整套具有中国特色的深钻井工艺技术。除了盐井之外,天然气开采技术也得到了极大的发展,1855年,钻成了一口最大的天然气井——磨子井。

2 近代钻探技术的西化

鸦片战争和甲午战争失败后,帝国主义的大举入侵,政治受压迫,经济受剥夺,民生凋敝。民国以后,中国人民受三座大山的重重压迫,人民的创造收到空前压抑,以至于自先民遗留下来的钻探技术创造发明,不仅没有继续开发进步,反而被资本主义国家作为铺垫,予以引用、改造、开发。

1897年,“福公司”取得了河南焦作优质煤田的开采权,为了勘探地下煤炭资源,20世纪从英国运来了几台蒸汽钻机,并训练了中国第一批机械岩心钻探工人,开启了中国机械岩心钻探的序幕。同时,钢绳冲击钻探技术和旋转钻探技术也引进了中国。

20世纪初,长年公司开发了立轴式给进“UG”型金刚石钻机,此钻机以具有现代钻机的雏形,并在1947年开始引进中国。

二战后,工业发达国家钻探工业得到了极大发展,已经用新型水压给进钻进代替了蒸汽驱动钻机,并发明了用粉末冶重技术烧结制成的“铸镶”天然金刚石表镶、孕镶钻头,并在1947年引入,开始了中国的钻探历史。

3 当代钻探技术的飞越

建国初期,全国地质力量弱,底子薄,更没有钻探、掘进工程和地球物理探矿人员,无法进行多学科多工种综合勘探。中国和苏联的合作,对我国钻探起了很大作用。当时主要是引进和仿制手把钻机,比如前苏联的XB-300、XB-500及瑞典的XB-1000型手把钻机,后期引进了BW100/30、BW200/400型泥浆泵和四脚金属钻塔,钻探技术得到了不断提高。

1953年开始了第一个五年计划,重点勘探项目多是国家工业建设的命脉,成果非常显著,过程中对74种矿产进行了勘探,有63种取得了可供工业设计使用的储量。

1954年12月,国务院责成地质部(1952年成立)从1955年起承担石油普查任务。1956年3月3日至6月22日,我国第一口定向双筒井钻成。

1958年的“大跃进”运动,忽视地质效果,盲目追求进尺,一度造成很大浪费。60年代初,苏联停止供应中国钻探设备和器材。

1970年初在上海城里“六二七工程筹备组”,经过四年努力,建成了我国第一条钻井船——“勘探一号”。1974年6月,在黄海试钻成功,谱写了海上油气钻探的新篇章。1978年我国第一条坐地式钻井船——“胜利一号”开始作业。

1963年研制成功的第一颗人造金刚石,开启了中国人造金刚石钻进的篇章,并在1998年生产量达到4-5亿克拉,居世界首位,成为人造金刚石大国。

“六五”期间探矿工程立足于“打基础”、“上水平”,五年来,完成了“五大改变”、“五大配套”,形成了“六大系列”,其得了七项接近或达到国际先进水平的成果。

“七五”期间,金刚石钻探技术、冲击回转钻探、受控定向钻探、气举、泵吸、潜空锤等各种反循环钻探和多工艺空气钻探、反循环中心连续取样、绳索取芯及绳索取芯冲击回转技术、电镀金刚石钻头制造工艺、小口径螺杆钻、射流式冲击回转钻具、不提钻钻头装置、改进膨胀润土等技术都取得了巨大成效。

“八五”期间,地矿部强调“科学兴地(质)”的号召,将地质找矿和开采矿业和工程钻探掘进工程列为部的支柱产业,在探矿工程完成任务情况、科研等方面取得佳绩。如定向对接采卤井、压电陀螺测斜仪、微机自控金刚石攒头烧结技术、贯通式潜孔锤技术等,已走在世界前列;“新奥法”掘进即使和“多工艺重点钻进技术”得到推广并产生巨大经济效益和社会效益;瞄杆钻机、新型泥浆材料、新型超硬材料及其钻头、非开挖铺管技术、浅层石油天然气开发技术和对接井等已形成商品技术,赢得了国内外市场。

“九五”期间我国面临的资源和环境形势是严峻的,找矿难度日益增大,地质环境保护、地质灾害的防治任务叶日益加重,科学技术称为振兴地堪工作的关键。《90年代发展地质勘查工作的关键技术》中,明确90年代地勘行业技术发展方向、科研和开发工作的重点,为行业技术的发展起到了导向作用。

2000年以后,钻探技术在原有基础上,积极思考科学钻探的发展和未来,并将地球科学的研究领域延伸到了地球深部、海洋底部、冰川、冰层冻土层等,同时扩大了地质学的范畴,形成了全新的、多学科多工种东层次的地球科学。

参考文献

[1]刘广志.《中国钻探科学技术史》ISBN7-116-02611-8.

[2]励美恒.《探矿工程学概论》IBSN7-116-00948-5/P.811.

[3]刘广志.《刘广志钻探工程文集》IBSN7-116-00990-6/P.849.

[4]李巨龙,于宗仁.《钻探设备与工艺讲义》.

[5]李巨龙,杨伟峰,于宗仁.《岩土钻掘工程学》IBSN7-81107-064-2.

[6]周圆荣.《中国钻探发展简史》

[7]林元雄.《中国井盐科技史》

作者简介:李远龙(1989-),四川自贡人,共青团员,现就读于中国矿业大学资源与地球科学学院地质工程专业。