中国古代钻探技术始自钻凿(záo )井盐。井盐钻探按照生产技术发展水平,大体经历了3个阶段:
① 大口浅井阶段(公元前 3~11世纪)。口径大到二三十丈(古长度单位),井身浅,每挖一井投入几百人,凿(záo )挖工具都是铲锄(chú )等农用工具。自秦汉至南北朝,凿(záo )挖的都是上土下石的裸眼井;南北朝至五代,始用木制井筒护壁。
② 钻探形成阶段(1041~1368),亦称卓筒井阶段。口径小,一般如碗大(5~9寸),深度自几十丈到百余丈。到北宋仁宗庆历、皇(1041~1054)年间已形成较完善的人力冲击式钻井技术。当时共有盐井728口,到南宋绍兴二年(1132)达到4900余口。钻头为铁质圜(huán )刃锉(cuò) ,吸卤(lǔ )筒和卓筒(即套管)为凿通节隔的楠竹。这是中国古代钻探技术的形成阶段,也是中国古代深井冲击式钻井技术逐渐传入西方的时期(约11世纪)。
③ 深井发展阶段(1369~1911)。明宋应星著《天工开物》(1637)对钻井工艺有详细的叙述,凿井、打捞、治井工具形式多样。钻井工序分为6道:选择井位和初开井口;下石圈(下石制导管);锉(cuò) 大口;制木竹(制套管);下木竹(下木或竹套管);钻小口)和见功。
挖煤图1
挖煤图2
挖煤图3
凿井
盐矿井开采图
【明清时期井盐钻探钻小口图】
古代主要钻凿工具
古代主要钻凿工具为鱼尾锉(cuò) 、财神锉(cuò) 等;主要治井、打捞工具为提须子、柳穿鱼、霸王鞭等;传递动力和升降锉进工具用斑竹所制的篾(miè )索,堵漏和补腔(井)主要材料为桐油、石灰。钻进一口三百丈左右的井一般要四、五年。
中国古代的冲击钻井技术
人工挖坑、凿井,深度很有限。后来发明了用简单的机械,用冲击的原理来打井。这就是顿钻的开始。这种没有动力机,靠人力或畜力来带动的钻井技术,其发源地在中国。世界著名科技史学家李约瑟,在他所著的《中国科学技术史》中这样写道:“今天在勘探油田时所用的这种钻探井或凿井的技术,肯定是中国人的发明”。
大约北宋中期开始(大约公元1041一1048年间),我国出现了人力冲击钻进的简单机械,用它来钻“卓筒井”。著名文学家苏东坡写的《东坡志林》一书中记述:“自庆历(公元1041--1048年)、皇佑(1049--1050年)以来蜀始创卓筒井,用圆刀凿如碗大,深者数十丈。以巨竹去节,牝牡相衔为井”。也就是说,这种冲击凿成的井里,下入了用竹子一节一节连接起来的套管。为了在凿井过程中把井下的岩屑取上来,出卤水后把卤水提捞上来,发明了“削泥筒”,实际上是一种底部有单流阀的提捞筒。这种简易的冲击钻井设备,用人力来推动绞车,把钻头或削泥筒提上来。《元一统志》记载,“五代以前,科丁充役,后以刑徒推车汲水,熏煎甚苦”。即五代以前,抓壮丁去服劳役,后来代之以服刑犯人去干这种重体力活。
大约在1253年左右出现了用畜力代替人力推动绞车的“冲击钻机”,(《元一统志》说,皇佑五年(公元1253年)知州事桑愈改以牛具推车取水。
到了明代、清代,中国的顿钻技术已经相当完善和成熟。清代嘉庆、道光年间(公元1820年前后),我国四川的钻井深度已经达到三四百丈,即1000米左右。
明朝宋应星所著《天工开物》一书,记载了那时凿盐井用的冲击钻头,“冶铁锥如碓,嘴形其尖,使极刚利,向石山舂凿成孔”。悬挂钻头“铁锥”的是“破竹缠绳夹悬此锥”,即用竹丝编成的竹绳来悬挂铁锥。
清朝出版的《四川盐法志》,是一部钻井技术专著,详尽地记述了18世纪四川冲击钻井的工艺和工具。
冲击钻井工艺分为7个步骤:
(1)开井口,在顿钻开始钻井眼之前,先在井位上挖一个坑。坑上口直径约3尺(1米),“浅或丈许,深或数丈,见石底为止”。就是说,这个井口坑要挖到坚硬地层为止。
(2)下石圈,石圈是中间凿了圆洞的方石块,圈洞直径约8~9寸(约2.4~2.7厘米),比钻头直径大。要在井口坑里叠放十几块或几十块这种石圈,如同现在的钻井下表层套管,目的是防止松散地层井壁坍塌。
(3)锉大口,就是用大直径的钻头冲击钻进。“钻机”包括“踩架”——建在井口的木架,前面两根木柱构成井架。井架顶上有“花滚子”,即天车滑轮。踩架上架设一长板叫碓板,有如跷跷板。它的前头悬挂着“锉”,就是“钻头”;另一头由人站在上面踩。踩下去时,木板那一头翘起,钻头提起来,人一放松,木板前头靠钻头重量往下落,钻头冲击井底。井浅时由两人操作,井深时要三四人操作。有一个工匠站在井El,不断地转动下落的“锉”,使井眼圆直。悬挂“锉”和扇泥筒都是竹篾编的索。
(4)下木竹,就是下套管。如果钻遇出水地层,就要把木头或竹子做成中空的“木竹”下到井底,保护井壁。木制的“木竹”,用的是柏木挖空的两半,外面用布、麻等缠裹起来,用桐油拌石灰加以密封,两根“木竹”用榫头连接,也是用麻、布和桐油紧裹和密封。
(5)扇泥,就是把井筒里的岩屑捞取出来。这一工具称为扇泥筒。这是一根l丈(3米)来长的中空竹筒,上头悬挂在竹绳上,筒底系一块皮钱,其作用有如单流阀。下人井底时皮钱往上顶起,泥水同岩屑进入扇泥筒内。往上提起时,皮钱下落,正好堵住筒底,岩屑被提到地面上来。
(6)锉小口,就是下了套管(“木竹”)后,换一个比木竹内径小的钻头(“锉”)继续钻进。此时钻成的井眼比原来的小。
(7)见功,也就是完钻。钻井过程中,钻开了目的层,出了油,出了天然气或出了卤水,都算“见功”。
这种钻井,速度非常慢,有的一口井要钻许多年。
为了钻井,人们创造出了多种多样的井下工具。
首先是“锉”——钻头。《四川盐法志》上介绍了5种钻头。一种叫鱼尾锉,是钻大井眼用的;一种叫银锭锉,是钻小井眼用的;一种叫财神锉,是遇到井下坍塌,处理复杂情况时用的;还有一种叫马蹄锉,是井眼失圆,或井眼里有了卵石不易捣碎时用的。
有一种工具叫“梃子”,是对钻头起加重作用的,就如同现今钻井用的钻铤。
有形形色色的打捞工具。井深了,而且以前没有钢丝绳,用的是竹篾绳,篾索断落,钻头失落,井壁坍塌,使钻头被卡死等,事故是常常发生的。(《四川盐法志》中载有20多种工具,都有图画。打捞篾索的“提须子”,连同“提须刀”、“穿鱼刀”、“双刀”、“夹签子”等。井下有砂堵,要用“柳穿鱼”、“霸王鞭”、“二水镊子”等。井底有篾渣、麻筋等东西,就用“平头提须”、“一皮革”、“松球子”、“五股须”等。打捞钻头或其他铁件时,用“笋壳瓦口”、“拐脚瓦口”、“偏尖”、“木龙”、“系子”,等等。
如果井眼不圆、不直,井壁坍塌等,需要修补井眼,((四川盐法志》也介绍了一整套工艺方法和工具。井眼不圆要修井,可用“蛇皮”;修补井眼坍塌部分,形成了“大肚子”,要用“独脚棒”。判断出水层,要用“木孩儿”或“泥孩儿”。
正是这一整套工艺和工具,加上匠人的技艺,保证了四川自流井气田钻成了许多口几百米乃至上千米的气井。两千多年来,四川用这种方法钻了13万多口盐卤井和天然气井,其中仅自贡地区就有13000多口。1750年前后,自贡地区的井一般深300~400米。1815年的桂炶井,井深已达798米,逼近800米,而1835年钻成的海井,井深1001.42米,这是世界上第一1:3千米深井。这El井现在还保存着供人参观。
文献记载
早在《天工开物》里,宋应星把盐分为六类:海盐、池盐、井盐、土盐、崖盐和沙石盐。盐官镇所产的盐即为井盐。
欧洲关于中国钻井技术的最早的完整记述是一个名叫英伯特(Imbert)的法国外交人员于公元1828年写的书信。英伯特说,他亲眼看到中国人用巨大的轮子提取出一桶桶盐水,轮子周长12米,转动50圈,这就是说确实达到了610米的深度。
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