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© 180吧   /  2022-6-11 00:00  /   0 人收藏

鉆探是地質調查中最直接且不可或缺的手段,也是直接獲取地下實物信息的唯一手段。鉆探通過取心(屑)、錄井和測井等手段可以獲取眾多地質資料和信息,在推動地質調查新發現,形成新認知和新理論以及資源與環境安全保障等方面起到至關重要的作用,而且可以為油、氣、水、熱等資源開采提供通道,是打開地下資源寶藏的鑰匙。那鉆探是怎么發明出來的?鉆探工程是如何實施的?當前最深的鉆探工程有多深?可以應用到哪些領域?帶著這幾個問題我們來了解和認識鉆探。鉆探是中國古代的第五大發明鉆探在中國源遠流長,已經有數千年的歷史,堯舜禹時代的《擊壤歌》中便有“鑿井而飲,耕田而食”的記載。在2018年央視《國家寶藏》第二季第四期節目中鋪展了一軸國人引以為傲的中國鉆井史畫卷。我國鉆探史歷經人工鑿井、人力沖擊鉆、機械頓鉆、機械回轉鉆進、自動化鉆井等階段,鉆井深度也由幾米發展至近萬米。我國古代的卓筒井和燊海井在中國乃至世界鉆探史上都有濃重的一筆。卓筒井——“世界近代石油鉆探之父”和“中國古代第五大發明”。四川地區打鹵熬鹽有著2000多年悠久的歷史,宋代時期淺層鹽鹵資源已經枯竭,必須開采更深的三疊系鹽鹵,為此發明了“卓筒井”,井口只有碗口大小,深達數十丈,井壁使用大竹套首尾相連保護套管,防止井壁坍塌或周圍淡水侵入,通過鉆頭上下運動沖擊鉆進。卓筒井是古代勞動人民智慧的結晶,比西方國家早了800多年。燊海井——世界上第一口超過1000米的井。燊海井位于四川省自貢市,于1835年建成,歷時13年,深1001.42米,日產鹽14噸,日產天然氣8500立方米,是一口鹽氣同采的高產井,至今保存完好。燊海井的鉆探工藝是隨卓筒井興起的“沖擊式頓鉆鑿井法”,鉆井設備是由木制碓架、井架(天車)、天地輥(滑輪)、大地車(絞車)組成的完整裝備體系。鉆進時,工人站在碾架上腳踏碓板,翹起碓頭將連接著的銼頭提起,工人跳開后銼頭隨著落下的碓頭在重力作用下沖擊井底,鑿碎巖石,然后通過滑輪天車將扇泥筒下到井底,將碎石取出來。燊海井凝結了鉆探人的智慧和汗水,標志著中國古代已有較為成熟的鉆井技術。


圖1 燊海井
鉆探工程的實施鉆探工程是一種涉及人員、設備、材料、工藝方法等諸多因素的系統工程,工程質量也與這些因素息息相關。主要工作內容有鉆井、錄井、測井、固井和地層測試等,鉆探工程的實施過程通常經過設計、鉆前準備、鉆進(同步錄井)、測井、固井、鉆后工程等階段。其中,設計包括三個方面:鉆井地質設計明確為什么鉆井,鉆井工程設計明確鉆什么樣的井,鉆井施工組織設計確定如何施工。鉆前準備主要開展通路、通電、通水、平整場地、基礎施工和設備安裝調試。鉆進即利用鉆機及配套設備進行各開次鉆進,一般鉆進時同步開展錄井進行地質編錄、獲取地質工程參數。測井是通過下入井內的測井探管探測巖石的物理性質和油氣水等情況。固井是下入套管,用水泥封固井壁和套管的環空,以加固井壁和封隔不利鉆進的地層等。鉆后工程主要是封孔、**、場地恢復和資料整理。


圖2 水平井壓裂
鉆探過程中要解決的最基本的技術問題有破碎巖石、巖屑清理、井壁穩定、采取巖心、壓力平衡、軌跡控制、獲取地質資料等,鉆探技術追求的目標是安全、高效、經濟和環保等。目前較為先進的鉆探技術有多分支井技術、大位移井技術、水平井技術、水力壓裂技術、連續管鉆井技術、精細控壓鉆進技術、地質旋轉導向鉆進技術、MWD/LWD隨鉆測量技術、保溫保壓取心技術等。盡管我國古代的卓筒井比西方國家要早了800多年,但是目前我國鉆探技術卻落后于國外,這從我國與國外在多個領域實施的“鉆探工程之最”的對比中可見一斑。國內外“鉆探工程之最”科學鉆探:世界上最深的大陸科學鉆孔是前蘇聯科拉SG-3井,井深達到12263米,井底溫度215℃左右。世界上第二深的大陸科學鉆孔是聯邦德國大陸深鉆計劃主孔,鉆深達9101米,井底溫度260℃左右。自然資源部中國地質調查局牽頭實施的松科2井,鉆深達7018米,井底溫度241℃,是亞洲國家實施的最深大陸科學鉆井。松科二井施工歷時4年多時間,創造了311毫米大口徑連續取心最長、三種不同口徑單回次取心最長等四項世界紀錄。鉆探設備采用“地殼一號”萬米鉆機,該鉆機采用國際先進的機電數字一體化設計,井架高60米,全套重量約1500噸,大鉤載荷700噸,功率高達4610千瓦,具有10000米鉆進能力,占地面積10000平米。


圖3前蘇聯科拉SG-3井



圖4 松科二井
地質鉆探:世界上最深的繩索取心鉆孔深5424米,是1988年由加拿大Heath and Sherwood鉆探公司與Univctsal Drillers Co.合作在南非金礦區鉆成的探金鉆孔,用時僅10個月。我國最深的繩索取心鉆孔——西嶺金礦ZK96-5鉆孔深度4006米,施工采用HXY-9B巖心鉆機,配置雙泥漿泵,施工周期約2年8個月。油氣鉆探:世界最深油氣井是俄羅斯薩哈林Z-44井,井深12376米。美國勃爾茲?羅杰斯1號井深9583米,我國油氣最深垂直井完鉆井深8882米(中石油輪探1井)。世界上水平井最大單井進尺12289米,最長水平段長10805米(卡塔爾BD-04A)。我國長慶油田華H90-3井進尺7339米,水平段5060米,是亞洲陸上水平井最長水平段。世界上井數最多的叢式井組是美國在0.03平方千米的面積上打下了284口井。我國井數最多的叢式井組是勝利油田的河50叢式井組在0.042平方千米的面積上打了88口井,88口井占地65畝,比分散直井占地減少了439畝。


圖5長慶油田華H90-3井
地熱鉆探:冰島地熱井最高溫達500℃,法國蘇爾茲干熱巖項目最深井深5105米、溫度超過200℃。我國青海共和盆地干熱巖鉆井井深4000余米、井底溫度超過200℃,已成功實現我國首次干熱巖試驗性發電并網。常言道“上天不易,入地亦難”。地球的直徑是12756千米,而人類最深的科拉SG-3井深度為12262米,不及地球直徑的1‰,僅僅處于地殼的表層。為什么入地亦難呢?這是因為隨著向地球深入,地層中的“高溫、高壓、高地應力”等問題越來越凸顯,井下儀器和工具難以承受這樣的環境,井壁穩定也越來越難以保障,設備性能、鉆柱強度以及人員經費等也面臨巨大挑戰。鉆探的應用領域鉆探的應用領域十分廣泛,包括地球科學研究工程、地質資源勘探開發、礦山井下工程、工程地質勘察、巖土與地基工程、地質災害治理工程、地下管線鋪設工程、國防工程以及星球極地探測等,可見上天、入地、下海、登極均有鉆探的參與。其中,鉆探最高深的應用領域是地球科學研究工程,如大陸科鉆一井、松科二井、汶川科鉆等,可以研究盆地演化、成礦理論、地震成因、地球氣候演變和環境變化等,對認識地球有重要意義。鉆探最常用的應用領域是陸域和海洋地質資源勘探開發,包括固體礦產地質鉆探、油氣鉆探、地熱(干熱巖)鉆探等,可查明區域地質概況、資源埋深、厚度、儲量等。鉆探最貼近我們生活的應用領域是工程地質勘察、巖土與地基工程等,例如樓宇道橋的勘察孔和樁基孔,通過鉆探取樣、孔內原位測試、巖樣測試查明影響工程建筑物的地質構造、巖性、物理力學性質及穩定性等地質條件,為樓宇道橋設計提供依據,也可以通過各種樁基施工改造地基承載力。2020年,我國嫦娥五號從月球成功取回1731克月壤,這里也有鉆探的功勞。


圖6鉆探船

鉆探以技術為刃,鉆探人正在“承古人之創造,開時代之生面”,不斷加強鉆探理論研究和技術創新,為地球扎針把脈,開啟地下寶藏,勇擔“向地球深部進軍”的歷史使命。
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