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中国古代的深井钻探技术是怎样的?在没有现代技术的情况下,古人是如何打出百米甚至千米的深井的?

中国古代钻探技术始自钻凿井盐。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)。

四川境内地层深处有食盐水.为了把地下食盐水取出来,古人发明了竹筒井.竹筒井被誉为中国古代第五大发明,如图甲所示.竹筒井的钻探原理是通过如下图乙所示的装置,使钻头一起一落上下运动,连续不断,即可将井中岩石击碎,然后再用专用工具将井中泥沙、碎石取出,直至打到食盐水层.竹筒井一般深约100m,井口直径10~12cm,为了防止井壁坍塌,古人用一种粗如碗口大小的竹子,将竹节淘空,筒筒相连,插入井中,起到了固定井壁的作用.取食盐水时,将钻头换成取水桶,放入井底,将食盐水装满,再扳起花车,食盐水便取出来.

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。

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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。

深井钻凿工艺发展到明清时期已日趋完善,清道光年间(1835), 四川自贡著名的海井钻凿成功 (见彩图[自贡盐场的海井,1835年用人力冲击式顿钻法凿深达1001.42米,是中国也是世界上第一口超过千米的深井]),井深1001.4米,创造了当时中国以及世界盐井井深的最高纪录。

石油天然气钻探

中国古代劳动人民远在汉末、晋初(200~300)年间,在四川邛州一带钻成了天然气井,左思(约250~305)在《蜀都赋》中描述其景象为“火井沉荧于幽泉,高焰飞煽于天垂”。西晋张华著《博物志》中记述“临邛火井一所,从(纵)广五尺,深二、三丈”。即现今四川邛徕地方有一口气井,是人工挖成的,上口宽约1.6米,深约10米。而《太平广记》记述的“陵州盐井”,“周围四丈,深五百四十尺”,按三尺为一米计算,已经深达180米左右了。而且说,坑壁用木材作井栏框架,以支撑保护井壁,防止坍塌。隋朝(589)在邛州设立大井县,发现了石油。据明代《蜀中广记》记载,1521年(明正德年间),中国第一口油井在四川嘉州用钻凿盐井器具钻成;1840年,四川自流井地区钻成深达1200米的天然气井磨子井。近代使用动力机械钻探石油始于1907年(清光绪三十三年)。

中国古代钻探技术发展历程

公元前1世纪,中国人为了找盐发明了深井钻探技术,并能够用这种方法打出1643米深的井。今天用于开采石油与天然气的深井钻探技术就是从中国人这些技术中发展起来的。从公元1世纪中国古墓中出土物的拓本,可以看到钻井取盐水的场景。

我国古代通过顿钻的方式钻井,大约处于春秋战国到唐朝这一时期。随着冶铁业的发展,劳动工具的不断改进,特别是机械生产工具,如滑轮、杠杆(秸槔)、水碓等的发明与应用,大大促进了钻井工具与技术的发展,出现了顿钻钻井技术,地下盐卤资源的发现和利用又刺激了凿井技术的发展。

历史上组织大规模凿井的元勋是李冰,距今2200多年前的四川行政长官李冰是一个上知天文、下晓地理、精通水利、长于钻井的蜀守。他不但组织人民修建了举世闻名的都江堰水利工程,还在今天成都附近的双流一带成功地使用顿钻钻井技术广开盐井,促进了四川经济的发展,为四川成为天府之国起了推动作用。

最初的顿钻设备主要由踩架和井架组成。踩架上有碓板。碓板一端悬挂着钻头,钻头是直接钻凿岩石的工具,碓板另一端供人踩踏,使钻头反复上提、下顿,产生冲击运动。井架是用来提、捞、吊、升的支架,有两种形式:一种是四腿塔式的,一种和“A”式很相似。井架的顶部横梁上装有滑轮,也就是天车。

清除井下凿碎的岩石(即岩屑)的捞砂筒或汲取井中液体的提捞筒,就是由穿过天车滑轮的绳索提升、下降的。顿钻钻井技术由于采用了机械,与挖掘井相比,具有省力、钻进速度快以及能够钻凿较深的井等优点,可以称为钻井史上的一次重大转折。

到了唐代,钻井中开始使用立轴式的大绞盘车,也就是立轴滚筒。绞盘车上的滚筒上可供缠绕较长的绳索。这种供提捞用的绳索,一端固定在滚筒上,另一端穿过井架顶部的天车滑轮而将悬挂的打捞筒或捞砂筒下入井内。因此,清除岩屑和汲取卤水的深度都大大增加。

顿钻大口井的代表是陵井,陵井是后汉张道陵即张天师组织人民开凿的,一直使用了数百年。宋人沈括在《梦溪笔谈》中写道:“陵州盐井深五百余尺,皆石也,上下甚宽广,独中间稍狭,谓之杖鼓腰,旧自井底用柏木为干,上出井口,自木干垂绠而下,方能至水,井侧设大车绞之。”

据记载,陵井“周回四丈”,可见当时的盐井是比较大的,井的深度也比较深。陵州的盐井当时已用楠木、柏木做井栏框架,以支撑保护井壁,防止坍塌,而这也就是比较原始的固井技术。

其中最有代表性的还是燊海井。最令人引以自豪的,是这口被称作世界上第一口最早由人工钻凿的超千米深井。它在钻井技术之上,堪称世界之最。

这口井坐落在大安区阮家坝山下,占地面积3亩,井位海拔341.4米,处在一口叫做长堰塘的堰塘旁边。该井开钻于清代道光十五年(公元1835年),历时3年,方始凿成。井深1001.42米,既产卤,又产气。当时,卤水自喷量每日约14立方米,并且能日产4800-8000立方米天然气,可供14吨盐的燃烧。据有关资料记载,当 海井钻成11年后,俄国的谢苗诺夫都于1846年钻成了口浅井,采出少量井油。再过13年之后,美国的狄拉克才于1859年8月,钻成一口21.69米深的井,而且只从井里采出1.8吨多的井油。由此看来,中华民族不仅是一个勤劳勇敢的民族,而且具有昭著于世界的聪明才智。

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