自上世纪九十年代以来,对接井技术被广泛应用于多个工程领域,还走出国门,名扬天下。

长期困扰钻探工作的两大难题是:用常规方法啃不动坚硬岩矿层;矿层矿化越好,蚀变程度越高,构成矿层和顶板的“硬脆酥”特性就越明显,取心十分困难。

最早报道中国钻井技术的是公元1657——1665年出使中国的荷兰大使纽霍夫,他到四川访问后著文报道说:“这些盐井深达百步……盐井的井口或井孔几乎不到四诈宽,人们用一种很重的铁臂挖掘。”因此欧洲人认为中国钻井技术早在1690年已传到荷兰。

嘉庆二十年公元1815年又钻成一口深达789米的桂咸井,其钻深已可揭露三叠系雷口坡组地层的黑卤和天然气气藏。

钻井结构:“碗口大”并以“巨竹”为套管的小口径钻井,基本为二径结构,即开井后下导管,然后换径,深度可达数十丈。

属龙山文化时代,距今约5000年左右的河南汤阴白营山遗址,也掘出一口方形水井,井深已达12米,井口宽有5。7米见方,向下半米后缩径为3。7米见方,到井底上有1。2米见方,整个水井是锥形结构,井壁四周用木棍作井字形井杆支撑。木棍与木棍的相交处都以榫卯相接。这口井的规模和深度远远过了河姆渡古井,说明掘井技术已经有了长足的进步。

这次至关重要的会议对中国人而言,形势相当严峻。

1996年新年甫过,一批著名的地学精英在地矿部总工程师陈毓川率领下云集安徽合肥,他们中有中国科学院院士程裕淇、许志琴、肖序常、常印佛、中国工程院院士刘广志等著名地质和钻探工程专家。专家们此行的任务是就中国大陆科学钻探选址进行第三次研讨,并进行现场地质考察。

张良弼教授等指出,科学钻探不同于一般钻探,是一项高科技的系统工程。概括地说它具有以下特点:1世界性和全球意义的科学目标;2科学钻探是在地表地质、深部地质、地球物理和地球化学等多学科和方法详尽对比研究后提出的最需钻探从浅至深孔均有验证的选择,而决不是“一孔之见”;3科学钻探是要求高温高压钻进、全孔取样、固气液三态全孔测量的高技术工程;4科学钻孔将成为长期观察地壳深部动态变化的野外实验室。

5月的成都,阳光灿烂,繁花似锦。这个有古老钻探历史的美丽城市,用她特有的风姿和小吃迎接了一位贵宾一一德国克劳斯塔尔大学深井钻探研究所所长马克斯教授,他已经是第二次来华访问了。这次,他不但访问了成都探矿工艺研究所,参观了自贡市《中国盐业博物馆》里中国古代钻探史展览和保存至今的古代钻探现场。而且尤为重要的是这位外国钻探专家还向成都各系统的130多位钻探工程师做了科学钻探的学术报告,把科学钻探的种子撒播到了基层,让专家层次以外的人们也对科学钻探有了深刻的印象和初步的了解。

地矿部副总工程师李廷栋先生给刘广志写信,指出科学深钻不仅对地质科学的展起促进作用,还可以带动多学科的进步,对国防科学也有重要意义。

在刘广志的记忆里,他们是在一个炎热的夏日,搭乘上玉门油矿公司运送成品油的返程卡车,从西安出的。过了兰州,便是一马平川的戈壁大漠。司机为了避开炙人的暑热,一反常规,采用夜行昼宿的办法行车。夜幕下的黄土高原,便在这些大城市长大的青年面前,展示了无穷的西域野趣。成百只黄羊在汽车射出的明亮光束下,先是犹疑地驻足静观,然后是一路跟着卡车狂奔,一直伴随着汽车奔行几十公里,才依依不舍地离去……一个月明星稀的晚上,车过乌鞘岭,与一群野狼狭路相逢。群狼在车下围绕汽车上蹿下跳,绿幽幽的眼光像鬼火一样四下里飘飞,凄厉的狼嚎在荒漠上此起彼伏,惊心动魄。他们的心都提到了嗓子眼那儿,司机却依旧安然若素,在崎岖险峻的山道上车不减,一路狂奔……

1942年的夏天,刘广志坚定不移地汇入了滚滚滔滔南下的难民洪流。忍饥挨饿、酷暑严寒,随着时间的流逝,这些惨痛记忆的颜色都逐渐褪去,唯有在重庆遭遇的那场惨绝人寰的大轰炸,令他没齿难忘——因为就是这场大轰炸,在他朦胧的报国前途的上空亮起了一道醒目的闪电。

振臂疾呼的地学元老

一开始,地学家只有用间接的探测办法,以观测地表的岩体岩层及其构造形态和物质组成为依据,来推测地下的情况。继后,又企图用物理学的原理,从观测地面上的地球物理场的分布来推测脚底深处的模样。由于地球物理场的分布是自然存在,为人所不能控制,所以作用依然极其有限。再后,人们试图寻找较为主动的,可控制的科学技术来探测地下,但可资利用的手段与资源又极少。只有地壳内地震时所产生的地震波的传布过程及其理论有可能被用来主动探测地下岩体岩层的结构,于是产生了地震反射波探测法。尽管这种方法能够反映地下反射面的局部几何形态,具有较高的分辨率,观测资料的地质解释呈现多解性,仍然是一种间接的方法,它所能的地质结论,在一定程度上仍然是不够确定、含糊不清的。

中国大陆科学钻探工程中心的科技人员和承担这口中国科钻第一井的中原油田钻井三公司70101队的钻工队伍以及胜利油田的测井队伍和录井队伍整齐地排成方队,雄赳赳地站在高耸的钻塔下,脸上是难以掩饰的兴奋和激动。“中国大陆科学钻探工程科钻一井”的条幅铺满了整个钻杆滑道,各路媒体记者们的相机此起彼伏地“喀嚓”不停。扛着摄像机的记者们正穿梭般地跑来跑去,抢占着最佳摄像位置。

探矿工程学已得到国家科学技术委员会的承认,与地球物理学、地球化学并列为《地质勘探技术学》。

探矿工程学的主要成就有:

运用了机械学中的机械原理、设计原理,创造性地确定了技术参数的选定原则、计算方法、材料选择;系统地修正、完善了一系列计算公式;并大胆地运用液压技术、电液控制和电子计算技术,设计了专用部件等,使我国地质钻探装备,从第一代产品手反式钻机过渡到第二代产品油压式钻机,并积极研究了第三代产品全液压式钻机。

运用冶金学的新成就,研制成功适合我国国情的新型合金多见和低合金钢。用这些新型钢材制作的高强度钻探管材材质性能完全达到或过了国外同类管材性能的指标。

我国人造金刚石工业的展,为金刚石钻探了充足的磨料。研制了人造金刚石聚晶、复合片,进而展了其他硬材料,如氮化硅、氮化硼等,对大量推广金刚石钻探起了很大的推动作用。

等离子物理学、热物理学的应用,解决了钻杆等离子焊接、摩擦焊接等新工艺,焊接质量好,连接强度高,加工度比旧方式加快十几倍。

运用现代粉末冶金新工艺,用热压法、冷压法、无压侵渍法和低温电铸法制造金刚石钻头,特别是低温电铸法,不仅提高了金刚石颗粒的“包镶力”,而且金属铸层均匀,钻头寿命趋于稳定。低温电铸法比高温粉末冶金工艺、设备简单多,使金刚石钻头达到一个新阶段。技术居世界领先地位。

钻孔弯曲度顶角、方位角测量仪器,无论是用于磁性或非磁性矿区,都是按照工业电子学、地球物理学原理设计制造和操作使用。直径40~50毫米小口径陀螺仪陀螺马达直径27~32毫米是航天工业尖端仪器在地质钻探中应用的具体实例。我国能自行设计制造这类尖端仪器,适应深度能达1500~5000米,小时漂移仅5。6度,居世界领先。

利用高等数学知识,推导出受控定向钻孔设计要素和空间形态的一整计算公式,为从施工初级定向孔过渡到受控定向孔打下了良好基础。利用钻柱中的液体动力驱动原理研制的螺杆钻具和与主机配套的随钻测斜定向器具,经加进行研制已成系列并推广应用。

探矿工程学的设备测试、科研设备与手段渐趋现代化。勘探技术研究所、探矿工艺研究所、探矿工程研究所等,以及地质院校分别建立了岩石破碎、泥浆、冲击回转等实验台、室。

电子计算技术用于探矿领域中,从数据采集、处理到解释推断的各个阶段,以及钻进参数最优化选择等,已取得初步进展,是探矿工程学展的一个重要里程碑。中国地质大学北京研究生部运用控制论中的“黑箱原理”,检测了4000多个数据,并按照数字统计原理和线性回归方程,利用150大型电子计算机处理了所取得的全部数据,建立了新的人造孕镶金刚石外头孔底破碎公式。利用微型电子计算机输入定向钻孔设计和泥浆各指标运算公式,建立数据库。这些工作进展都为探矿工程学运用先进电子设备树立了良好的开端。

高分子化学与胶体化学的引用,已引起了两大方面的变革:其一:使冲洗介质从分散性泥转变为以高分子聚合物为主要配料的不分散低固相、无固相、乳化冲洗液。新型高分子泥浆添加剂、处理剂不断增多。其二,塑料井管滤水管、玻璃钢滤水管、以及许多种塑料、尼龙、人造橡胶制品,在探矿工程得到了广泛地使用。

运用工业电子学理论与遥测知识,研制钻孔测试的各种测量仪器、钻探设备各种参数显示仪表,以及孔底情况监测等,获得成功。

这些成就,为中国从事大陆科学钻探工程奠定了雄厚的基础。

第四章挺进地心

运筹帷幄

详尽周密的钻前准备

从几千年前明钻探技术,到几千年后参加《国际大陆科学钻探计划》,在世界上规模最大的、具有全球地学意义的中国——苏鲁高压变质带实施中国大陆科学钻探第一口5000米深井,是中国钻探史上划时代的一个伟大质变。

工程能否成功?有关专家们给予了极大的关注和周密的准备。

1989年8月,北京的暑热还未退去,包括刘广志、王达、张伟等著名钻探工程专家在内的“中国大陆科学深钻科研规划小组”顶着高温,着手制订中国大陆科学深钻的规划,重点是先导孔深度与孔位的选择,科学深钻的钻探方法与施工特点,科学研究的课题内容,科钻前期的科研工作与组织工作等。

地矿部科技司1991年7月,“中国大陆科学深钻先行研究项目组”对我国大陆科学深钻技术和深钻测井技术的现状和水平进行了评估,对我国开展大陆科学深钻在技术方法包括钻探和测井和经济方面的可行性进行了论证。

1992年4月,北京正是鲜花盛开的仲春,地质矿产部召开了“第一次中国大陆科学钻探研讨会”,这是一次具有划时代意义的会议。与会的不仅有国内外知名专家黄汲清、王鸿桢、孙殿卿、刘广志、李廷栋、肖序常,还有有关科研单位、院校、生产部门的专家教授60余人。研讨会共交流论文20多篇。专家们对科钻实施的技术政策和方法步骤,钻探方法和测井技术进行了热烈讨论,建议从技术和经济角度考虑,钻孔深度宜先浅后深,循序渐进。近期可考虑3000米以内的钻孔,“九五”期间争取打3000——5000米的深孔,2000年以后钻5000米以上的深孔。