中國古代鉆探技術(shù)始自鉆鑿(záo )井鹽。井鹽鉆探按照生產(chǎn)技術(shù)發(fā)展水平,大體經(jīng)歷了3個(gè)階段:
① 大口淺井階段(公元前 3~11世紀(jì))??趶酱蟮蕉桑ü砰L度單位),井身淺,每挖一井投入幾百人,鑿(záo )挖工具都是鏟鋤(chú )等農(nóng)用工具。自秦漢至南北朝,鑿(záo )挖的都是上土下石的裸眼井;南北朝至五代,始用木制井筒護(hù)壁。
?、?鉆探形成階段(1041~1368),亦稱卓筒井階段??趶叫。话闳缤氪螅?~9寸),深度自幾十丈到百余丈。到北宋仁宗慶歷、皇(1041~1054)年間已形成較完善的人力沖擊式鉆井技術(shù)。當(dāng)時(shí)共有鹽井728口,到南宋紹興二年(1132)達(dá)到4900余口。鉆頭為鐵質(zhì)圜(huán )刃銼(cuò) ,吸鹵(lǔ )筒和卓筒(即套管)為鑿?fù)ü?jié)隔的楠竹。這是中國古代鉆探技術(shù)的形成階段,也是中國古代深井沖擊式鉆井技術(shù)逐漸傳入西方的時(shí)期(約11世紀(jì))。
③ 深井發(fā)展階段(1369~1911)。明宋應(yīng)星著《天工開物》(1637)對(duì)鉆井工藝有詳細(xì)的敘述,鑿井、打撈、治井工具形式多樣。鉆井工序分為6道:選擇井位和初開井口;下石圈(下石制導(dǎo)管);銼(cuò) 大口;制木竹(制套管);下木竹(下木或竹套管);鉆小口)和見功。
挖煤圖1
挖煤圖2
挖煤圖3
鑿井
鹽礦井開采圖
【明清時(shí)期井鹽鉆探鉆小口圖】
古代主要鉆鑿工具
古代主要鉆鑿工具為魚尾銼(cuò) 、財(cái)神銼(cuò) 等;主要治井、打撈工具為提須子、柳穿魚、霸王鞭等;傳遞動(dòng)力和升降銼進(jìn)工具用斑竹所制的篾(miè )索,堵漏和補(bǔ)腔(井)主要材料為桐油、石灰。鉆進(jìn)一口三百丈左右的井一般要四、五年。
中國古代的沖擊鉆井技術(shù)
人工挖坑、鑿井,深度很有限。后來發(fā)明了用簡單的機(jī)械,用沖擊的原理來打井。這就是頓鉆的開始。這種沒有動(dòng)力機(jī),靠人力或畜力來帶動(dòng)的鉆井技術(shù),其發(fā)源地在中國。世界著名科技史學(xué)家李約瑟,在他所著的《中國科學(xué)技術(shù)史》中這樣寫道:“今天在勘探油田時(shí)所用的這種鉆探井或鑿井的技術(shù),肯定是中國人的發(fā)明”。
大約北宋中期開始(大約公元1041一1048年間),我國出現(xiàn)了人力沖擊鉆進(jìn)的簡單機(jī)械,用它來鉆“卓筒井”。著名文學(xué)家蘇東坡寫的《東坡志林》一書中記述:“自慶歷(公元1041--1048年)、皇佑(1049--1050年)以來蜀始創(chuàng)卓筒井,用圓刀鑿如碗大,深者數(shù)十丈。以巨竹去節(jié),牝牡相銜為井”。也就是說,這種沖擊鑿成的井里,下入了用竹子一節(jié)一節(jié)連接起來的套管。為了在鑿井過程中把井下的巖屑取上來,出鹵水后把鹵水提撈上來,發(fā)明了“削泥筒”,實(shí)際上是一種底部有單流閥的提撈筒。這種簡易的沖擊鉆井設(shè)備,用人力來推動(dòng)絞車,把鉆頭或削泥筒提上來?!对唤y(tǒng)志》記載,“五代以前,科丁充役,后以刑徒推車汲水,熏煎甚苦”。即五代以前,抓壯丁去服勞役,后來代之以服刑犯人去干這種重體力活。
大約在1253年左右出現(xiàn)了用畜力代替人力推動(dòng)絞車的“沖擊鉆機(jī)”,(《元一統(tǒng)志》說,皇佑五年(公元1253年)知州事桑愈改以牛具推車取水。
到了明代、清代,中國的頓鉆技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)完善和成熟。清代嘉慶、道光年間(公元1820年前后),我國四川的鉆井深度已經(jīng)達(dá)到三四百丈,即1000米左右。
明朝宋應(yīng)星所著《天工開物》一書,記載了那時(shí)鑿鹽井用的沖擊鉆頭,“冶鐵錐如碓,嘴形其尖,使極剛利,向石山舂鑿成孔”。懸掛鉆頭“鐵錐”的是“破竹纏繩夾懸此錐”,即用竹絲編成的竹繩來懸掛鐵錐。
清朝出版的《四川鹽法志》,是一部鉆井技術(shù)專著,詳盡地記述了18世紀(jì)四川沖擊鉆井的工藝和工具。
沖擊鉆井工藝分為7個(gè)步驟:
(1)開井口,在頓鉆開始鉆井眼之前,先在井位上挖一個(gè)坑??由峡谥睆郊s3尺(1米),“淺或丈許,深或數(shù)丈,見石底為止”。就是說,這個(gè)井口坑要挖到堅(jiān)硬地層為止。
(2)下石圈,石圈是中間鑿了圓洞的方石塊,圈洞直徑約8~9寸(約2.4~2.7厘米),比鉆頭直徑大。要在井口坑里疊放十幾塊或幾十塊這種石圈,如同現(xiàn)在的鉆井下表層套管,目的是防止松散地層井壁坍塌。
(3)銼大口,就是用大直徑的鉆頭沖擊鉆進(jìn)。“鉆機(jī)”包括“踩架”——建在井口的木架,前面兩根木柱構(gòu)成井架。井架頂上有“花滾子”,即天車滑輪。踩架上架設(shè)一長板叫碓板,有如蹺蹺板。它的前頭懸掛著“銼”,就是“鉆頭”;另一頭由人站在上面踩。踩下去時(shí),木板那一頭翹起,鉆頭提起來,人一放松,木板前頭靠鉆頭重量往下落,鉆頭沖擊井底。井淺時(shí)由兩人操作,井深時(shí)要三四人操作。有一個(gè)工匠站在井El,不斷地轉(zhuǎn)動(dòng)下落的“銼”,使井眼圓直。懸掛“銼”和扇泥筒都是竹篾編的索。
(4)下木竹,就是下套管。如果鉆遇出水地層,就要把木頭或竹子做成中空的“木竹”下到井底,保護(hù)井壁。木制的“木竹”,用的是柏木挖空的兩半,外面用布、麻等纏裹起來,用桐油拌石灰加以密封,兩根“木竹”用榫頭連接,也是用麻、布和桐油緊裹和密封。
(5)扇泥,就是把井筒里的巖屑撈取出來。這一工具稱為扇泥筒。這是一根l丈(3米)來長的中空竹筒,上頭懸掛在竹繩上,筒底系一塊皮錢,其作用有如單流閥。下人井底時(shí)皮錢往上頂起,泥水同巖屑進(jìn)入扇泥筒內(nèi)。往上提起時(shí),皮錢下落,正好堵住筒底,巖屑被提到地面上來。
(6)銼小口,就是下了套管(“木竹”)后,換一個(gè)比木竹內(nèi)徑小的鉆頭(“銼”)繼續(xù)鉆進(jìn)。此時(shí)鉆成的井眼比原來的小。
(7)見功,也就是完鉆。鉆井過程中,鉆開了目的層,出了油,出了天然氣或出了鹵水,都算“見功”。
這種鉆井,速度非常慢,有的一口井要鉆許多年。
為了鉆井,人們創(chuàng)造出了多種多樣的井下工具。
首先是“銼”——鉆頭?!端拇}法志》上介紹了5種鉆頭。一種叫魚尾銼,是鉆大井眼用的;一種叫銀錠銼,是鉆小井眼用的;一種叫財(cái)神銼,是遇到井下坍塌,處理復(fù)雜情況時(shí)用的;還有一種叫馬蹄銼,是井眼失圓,或井眼里有了卵石不易搗碎時(shí)用的。
有一種工具叫“梃子”,是對(duì)鉆頭起加重作用的,就如同現(xiàn)今鉆井用的鉆鋌。
有形形色色的打撈工具。井深了,而且以前沒有鋼絲繩,用的是竹篾繩,篾索斷落,鉆頭失落,井壁坍塌,使鉆頭被卡死等,事故是常常發(fā)生的。(《四川鹽法志》中載有20多種工具,都有圖畫。打撈篾索的“提須子”,連同“提須刀”、“穿魚刀”、“雙刀”、“夾簽子”等。井下有砂堵,要用“柳穿魚”、“霸王鞭”、“二水鑷子”等。井底有篾渣、麻筋等東西,就用“平頭提須”、“一皮革”、“松球子”、“五股須”等。打撈鉆頭或其他鐵件時(shí),用“筍殼瓦口”、“拐腳瓦口”、“偏尖”、“木龍”、“系子”,等等。
如果井眼不圓、不直,井壁坍塌等,需要修補(bǔ)井眼,((四川鹽法志》也介紹了一整套工藝方法和工具。井眼不圓要修井,可用“蛇皮”;修補(bǔ)井眼坍塌部分,形成了“大肚子”,要用“獨(dú)腳棒”。判斷出水層,要用“木孩兒”或“泥孩兒”。
正是這一整套工藝和工具,加上匠人的技藝,保證了四川自流井氣田鉆成了許多口幾百米乃至上千米的氣井。兩千多年來,四川用這種方法鉆了13萬多口鹽鹵井和天然氣井,其中僅自貢地區(qū)就有13000多口。1750年前后,自貢地區(qū)的井一般深300~400米。1815年的桂炶井,井深已達(dá)798米,逼近800米,而1835年鉆成的海井,井深1001.42米,這是世界上第一1:3千米深井。這El井現(xiàn)在還保存著供人參觀。
文獻(xiàn)記載
早在《天工開物》里,宋應(yīng)星把鹽分為六類:海鹽、池鹽、井鹽、土鹽、崖鹽和沙石鹽。鹽官鎮(zhèn)所產(chǎn)的鹽即為井鹽。
歐洲關(guān)于中國鉆井技術(shù)的最早的完整記述是一個(gè)名叫英伯特(Imbert)的法國外交人員于公元1828年寫的書信。英伯特說,他親眼看到中國人用巨大的輪子提取出一桶桶鹽水,輪子周長12米,轉(zhuǎn)動(dòng)50圈,這就是說確實(shí)達(dá)到了610米的深度。
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