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钻探技术——中国古代的第五大发明

2020-10-29 8:21:04 来源:中国矿业报 作者:张金虎 高永进 杨有星 孙智超 苗苗青

钻探技术发源于古代中国的四川,首要用途是找水喝,其次作用是找盐吃。公元前255~251年,蜀郡太守李冰拉开了人类凿井采卤熬盐、发掘地下资源的历史序幕。公元618~907年间,四川成为大口浅井采卤的集中地区,井深最深可达178米,每掘一井,成百上千人劳作,场面壮观。北宋庆历年间(1041~1048年)的四川大英县卓筒井钻探取盐技术,使地下深处的卤水第一次得到科学开采,在开采卤水的过程中,人们发现了埋藏在地下的油气资源。卓筒井开创了人类机械钻井的先河,是“世界石油钻井之父”,是继火药、造纸、印刷术、指南针之后,堪称是中国古代的第五大发明。

随着科学技术的迅猛发展,人类社会的文明与进步被不断推进,钻探技术由早期的机械传动手把给进钻机到机械传动液压给进立轴钻机,发展到今天的全液压动力头钻机以及自动化、智能化地质岩心钻机,不断开辟着钻探的新天地。

时至今日,人类既可以上天登陆月球,又可以向下钻地万米。1990年,前苏联在摩尔曼斯克地区北极圈以北250公里外的科拉半岛上,打了一口世界上最深的钻井,完钻井深12262米,为现今世界上最深的钻井。2020年1月,由中石油钻探的轮探1井在塔里木古老克拉通超深层油气勘探获得重大突破,完钻垂深8882米刷新了亚洲井深纪录。经过100多年的快速发展,钻探技术不仅在传统工程领域起到不可估量的作用,还应用于新能源开发中,比如地热能、天然气水合物、干热岩、页岩油、核能、油页岩等非常规能源领域的勘探,并不断取得新的突破。

现代科学技术对于钻探的定义是利用钻机、钻具和一整套工艺措施,在地层内钻凿出圆柱形井筒,取出岩矿样品,探明矿产的赋存状态和分布规律,或者实现其他地质和技术的目的。在众多矿产资源勘探技术方法中,钻探技术仍然是唯一能从地下取出实物岩矿样品的勘查技术方法,通过拿到实物样品才能验证矿藏的存在,只有通过大量的钻探工作量才能获得可信的储量。值得一提的是,传统钻探也是石油勘探开发最直接的技术手段。

石油钻探是利用石油钻井设备从地面开始沿设计轨道钻穿多套地层到达预定目的层(油气层),形成油气采出或注入所需流体(水、气、汽)的稳定通道,并在钻进过程中和完钻后,完成取心、录井、测井和测试工作,取得勘探、开发和钻井所需各种信息的系统工程。

一口油井从开钻到完成,破碎岩石是钻探生产过程的主要工序,可分为钻前、钻进和完井3个不同阶段。钻前阶段指的是开钻前的工作,包括定井位、修路、修井场、打基础、安装设备;钻进阶段指的是从第一次开钻起到钻完全部井深的工作,包括接单根、起下钻、固井,处理事故;完井阶段指的是从钻完全部井深起到交井或弃井的工作,包括测井、确定完井方式、下生产套管固井、下油管、射孔、装油管头和采油树。

钻探技术在服务常规的找矿勘查的同时,也关注着新的服务领域,如深部科学钻探、地热能及非常规清洁能源勘查、海洋钻探、地质灾害防治、生态环境钻探、地外天体和极地钻探等。

地外天体取样技术研究方兴未艾,钻探技术已成为人类探索宇宙的首批技术之一,助力深空探测。了解其它行星内部的物质成分,行星的演化规律,解开生命起源的秘密已不仅是科学家们感兴趣的问题,也是与人类文明前途息息相关的重大课题。随着技术的进步,宇宙探索过程本身已表现出越来越明显的工程性质,第一步就是通过钻探取回天体的岩样。其实早在1969年~1976年,美国的阿波罗计划、前苏联的Luna计划就先后在月球上完成了钻探取样并返回的壮举。也就是说,从1969年开始的月球钻探是钻探技术实质性用于深空探索的里程碑。2005年,美国的的“火星计划”利用“勇气”号和“机遇”号火星车登上了火星,通过一个名叫Bit Carousel的采集器,自动钻成了人类火星第一钻,进一步打开了地外天体取样钻探技术的大门。

钻探这门古老的技术会在未来各领域发挥其功能,比如探深部干热岩钻探面临安全、质量、经济、工期等方面的挑战,需要先进钻探技术装备应对;以受控定向钻进技术为依托的对接井、水平井技术需求越来越广泛;海洋地质钻探、极地钻探、地外天体取样以及深部高地应力岩石取样、海洋水合物保压取样等方向的科技创新都还需要进一步发展。

(作者单位:中国地质调查局油气资源调查中心)

网站编辑:宫莉

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