打开地下宝藏的钥匙——钻探

钻探是地质调查中最直接且不可或缺的手段，也是直接获取地下实物信息的唯一手段。钻探通过取心（屑）、录井和测井等手段可以获取众多地质资料和信息，在推动地质调查新发现，形成新认知和新理论以及资源与环境安全保障等方面起到至关重要的作用，而且可以为油、气、水、热等资源开采提供通道，是打开地下资源宝藏的钥匙。那钻探是怎么发明出来的？钻探工程是如何实施的？当前最深的钻探工程有多深？可以应用到哪些领域？带着这几个问题我们来了解和认识钻探。钻探是中国古代的第五大发明钻探在中国源远流长，已经有数千年的历史，尧舜禹时代的《击壤歌》中便有“凿井而饮，耕田而食”的记载。在2018年央视《国家宝藏》第二季第四期节目中铺展了一轴国人引以为傲的中国钻井史画卷。我国钻探史历经人工凿井、人力冲击钻、机械顿钻、机械回转钻进、自动化钻井等阶段，钻井深度也由几米发展至近万米。我国古代的卓筒井和燊海井在中国乃至世界钻探史上都有浓重的一笔。卓筒井——“世界近代石油钻探之父”和“中国古代第五大发明”。四川地区打卤熬盐有着2000多年悠久的历史，宋代时期浅层盐卤资源已经枯竭，必须开采更深的三叠系盐卤，为此发明了“卓筒井”，井口只有碗口大小，深达数十丈，井壁使用大竹套首尾相连保护套管，防止井壁坍塌或周围淡水侵入，通过钻头上下运动冲击钻进。卓筒井是古代劳动人民智慧的结晶，比西方国家早了800多年。燊海井——世界上第一口超过1000米的井。燊海井位于四川省自贡市，于1835年建成，历时13年，深1001.42米，日产盐14吨，日产天然气8500立方米，是一口盐气同采的高产井，至今保存完好。燊海井的钻探工艺是随卓筒井兴起的“冲击式顿钻凿井法”，钻井设备是由木制碓架、井架（天车)、天地辊(滑轮)、大地车(绞车)组成的完整装备体系。钻进时，工人站在碾架上脚踏碓板，翘起碓头将连接着的锉头提起，工人跳开后锉头随着落下的碓头在重力作用下冲击井底，凿碎岩石，然后通过滑轮天车将扇泥筒下到井底，将碎石取出来。燊海井凝结了钻探人的智慧和汗水，标志着中国古代已有较为成熟的钻井技术。

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图1 燊海井

钻探工程的实施钻探工程是一种涉及人员、设备、材料、工艺方法等诸多因素的系统工程，工程质量也与这些因素息息相关。主要工作内容有钻井、录井、测井、固井和地层测试等，钻探工程的实施过程通常经过设计、钻前准备、钻进（同步录井）、测井、固井、钻后工程等阶段。其中，设计包括三个方面：钻井地质设计明确为什么钻井，钻井工程设计明确钻什么样的井，钻井施工组织设计确定如何施工。钻前准备主要开展通路、通电、通水、平整场地、基础施工和设备安装调试。钻进即利用钻机及配套设备进行各开次钻进，一般钻进时同步开展录井进行地质编录、获取地质工程参数。测井是通过下入井内的测井探管探测岩石的物理性质和油气水等情况。固井是下入套管，用水泥封固井壁和套管的环空，以加固井壁和封隔不利钻进的地层等。钻后工程主要是封孔、**、场地恢复和资料整理。

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图2 水平井压裂

钻探过程中要解决的最基本的技术问题有破碎岩石、岩屑清理、井壁稳定、采取岩心、压力平衡、轨迹控制、获取地质资料等，钻探技术追求的目标是安全、高效、经济和环保等。目前较为先进的钻探技术有多分支井技术、大位移井技术、水平井技术、水力压裂技术、连续管钻井技术、精细控压钻进技术、地质旋转导向钻进技术、MWD/LWD随钻测量技术、保温保压取心技术等。尽管我国古代的卓筒井比西方国家要早了800多年，但是目前我国钻探技术却落后于国外，这从我国与国外在多个领域实施的“钻探工程之最”的对比中可见一斑。国内外“钻探工程之最”科学钻探：世界上最深的大陆科学钻孔是前苏联科拉SG-3井，井深达到12263米，井底温度215℃左右。世界上第二深的大陆科学钻孔是联邦德国大陆深钻计划主孔，钻深达9101米，井底温度260℃左右。自然资源部中国地质调查局牵头实施的松科2井，钻深达7018米，井底温度241℃，是亚洲国家实施的最深大陆科学钻井。松科二井施工历时4年多时间，创造了311毫米大口径连续取心最长、三种不同口径单回次取心最长等四项世界纪录。钻探设备采用“地壳一号”万米钻机，该钻机采用国际先进的机电数字一体化设计，井架高60米，全套重量约1500吨，大钩载荷700吨，功率高达4610千瓦，具有10000米钻进能力，占地面积10000平米。

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图3前苏联科拉SG-3井

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图4 松科二井

地质钻探：世界上最深的绳索取心钻孔深5424米，是1988年由加拿大Heath and Sherwood钻探公司与Univctsal Drillers Co.合作在南非金矿区钻成的探金钻孔，用时仅10个月。我国最深的绳索取心钻孔——西岭金矿ZK96-5钻孔深度4006米，施工采用HXY-9B岩心钻机，配置双泥浆泵，施工周期约2年8个月。油气钻探：世界最深油气井是俄罗斯萨哈林Z-44井，井深12376米。美国勃尔兹•罗杰斯1号井深9583米，我国油气最深垂直井完钻井深8882米（中石油轮探1井）。世界上水平井最大单井进尺12289米，最长水平段长10805米（卡塔尔BD-04A）。我国长庆油田华H90-3井进尺7339米，水平段5060米，是亚洲陆上水平井最长水平段。世界上井数最多的丛式井组是美国在0.03平方千米的面积上打下了284口井。我国井数最多的丛式井组是胜利油田的河50丛式井组在0.042平方千米的面积上打了88口井，88口井占地65亩，比分散直井占地减少了439亩。

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图5长庆油田华H90-3井

地热钻探：冰岛地热井最高温达500℃，法国苏尔兹干热岩项目最深井深5105米、温度超过200℃。我国青海共和盆地干热岩钻井井深4000余米、井底温度超过200℃，已成功实现我国首次干热岩试验性发电并网。常言道“上天不易，入地亦难”。地球的直径是12756千米，而人类最深的科拉SG-3井深度为12262米，不及地球直径的1‰，仅仅处于地壳的表层。为什么入地亦难呢？这是因为随着向地球深入，地层中的“高温、高压、高地应力”等问题越来越凸显，井下仪器和工具难以承受这样的环境，井壁稳定也越来越难以保障，设备性能、钻柱强度以及人员经费等也面临巨大挑战。钻探的应用领域钻探的应用领域十分广泛，包括地球科学研究工程、地质资源勘探开发、矿山井下工程、工程地质勘察、岩土与地基工程、地质灾害治理工程、地下管线铺设工程、国防工程以及星球极地探测等，可见上天、入地、下海、登极均有钻探的参与。其中，钻探最高深的应用领域是地球科学研究工程，如大陆科钻一井、松科二井、汶川科钻等，可以研究盆地演化、成矿理论、地震成因、地球气候演变和环境变化等，对认识地球有重要意义。钻探最常用的应用领域是陆域和海洋地质资源勘探开发，包括固体矿产地质钻探、油气钻探、地热（干热岩）钻探等，可查明区域地质概况、资源埋深、厚度、储量等。钻探最贴近我们生活的应用领域是工程地质勘察、岩土与地基工程等，例如楼宇道桥的勘察孔和桩基孔，通过钻探取样、孔内原位测试、岩样测试查明影响工程建筑物的地质构造、岩性、物理力学性质及稳定性等地质条件，为楼宇道桥设计提供依据，也可以通过各种桩基施工改造地基承载力。2020年，我国嫦娥五号从月球成功取回1731克月壤，这里也有钻探的功劳。

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图6钻探船

钻探以技术为刃，钻探人正在“承古人之创造，开时代之生面”，不断加强钻探理论研究和技术创新，为地球扎针把脉，开启地下宝藏，勇担“向地球深部进军”的历史使命。

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