北宋中期,卓筒工藝的開創,乃是我國也是世界最早發明的鑽井技術。這種工藝技術,與現代石油(包括天然氣)工業中應用的頓鑽鑽井方法類同。它比美國創造的頓鑽技術至少要早七個多世紀。
關於卓筒井的出現,北宋蘇東坡、文同、範鎮三位四川名人,在他們的著作中,都有明確的記載,其中蘇軾記述最詳盡:
“自慶曆、皇祐(1041-1054)以來,蜀始創筒井。用圜刃,鑿如碗大,深者數十丈。以巨竹去節,牝牡相銜(公母榫連接)為井,以隔橫入淡水,則鹹泉自上。又以竹之差小者出入井中為桶,無底而竅其上,懸熟皮數寸,出入井中,氣自呼吸而啓閉之,一筒致水數鬥。凡筒井皆用機械,利之所在,人無不知”。
蘇軾不愧為文豪,文筆非常簡練,介紹卓筒井的內容十分豐富。卓筒井的發明,其工藝技術主要特點和成就,是開創了現代深井(如鹽井油氣井)的維形,即包含了現代鑽井三大基本程序,或稱三大基本要素:第一,用圜刃鑽頭破碎岩石;第二,用泥筒取出井內的巖砂(岩屑);第三,下木竹套管固井保全井壁。
一、世界鑽井史上發明的第一個鑽頭——“圜刃”銼
“圜刃”銼是人類鑽探史上發明的第一個鑽頭。它的發明,創造了現代深井鑽頭的雛形,因而,成為現代鑽頭的始祖。
鑿井鑽頭的發明和發展,同其事物進展一樣,由簡單到複雜,由低級到高級,即早期的“圜刃”鑽頭髮展到現代的魚尾鑽頭、齒輪鑽頭、渦輪鑽頭及巴拉斯鑽頭。
現代深井鑽探技術,尤其目前世界上超深井的鑽井鑽頭和基本原理,追根溯源,它的祖先乃是我國北宋初發明的“圜刃”鑽頭和“卓筒井”工藝的繼承和發展。
11世紀中葉,中國四川井研鹽區的井匠技師們,經過長期的探索和實驗,在世界上最早研製成功了第一個深井鑽頭—— “圜刃”銼。
“圜刃”是開創卓筒井的鑽頭,它的形制和結構,根據蘇文的記載和古代鑽頭及鑽井原理等進行考證,認為:蘇軾以“圜刃,鑿如碗大”六個字,描繪了“圜刃”鑽頭的基本形狀。其一,圜刃鑽頭原始形狀呈圓形;其二,在圓形的鑽頭上有刃鋒;其三,銼頭的直徑與碗口(徑)相當;其四,碗的口徑就是“卓筒井”的井徑。
因圜圓相通,圜和刃的結合,故名“圜刃”銼,即“圜刃”鑽頭。圓為主體,其底部橫凸“一”字刃,鋭利,易於破碎岩石。由於這種鑽頭先進,井匠在地面操作機械,鑽鑿卓筒井,比漢唐時期,人工手持鋤、鍤、鍬等原始農用工具於井下艱苦作業,挖掘大口鹽井,具有鑽井工藝先進、工效高、勞動負荷輕、獲利豐厚等優越性。因此,“圜刃”鑽頭的問世和卓筒井的誕生,是世界鑽井史上一次大革命。同時為現代深井鈷頭的出現和發展奠定了基礎。
無獨有偶,繼我國圜刃鑽頭和卓筒井發明700多年後,美國人拉夫納兄弟倆開始用衝擊式鑽井的方法,即一種十分簡單的機械原理,開創了“卓筒井”似的鹽井,其井深18米(59英尺),鑿井鑽頭直徑7.6-10.2釐米(3-4英寸),是用鑄鋼製作的,它的規格、形制與“圜刃”鑽頭大致類同。
二、世界鑽井史上最早研製的第一個井下取巖(屑)工具——“泥筒”
北宋初,用圜刃鑽頭開創的卓筒井,是一種衝擊式頓鑽方法,它與現代石油(天然氣)工業中所用的繩式頓鑽鑽頭技術基本相同。
在衝擊式頓鑽鑽井中,及時取出井內粉碎的岩屑,十分重要。一是能提高鑽井速度,加快進度;二是能及時考察井身質量是否符合要求(即是否出現井斜或並身不圓的情況),如鑽井質量不符合要求,便立即採取措施,進行處理、糾正;三是在鑽井時,發現了新的來水(滷水)和天然氣的徵兆,必須推水或多搧泥,直到井底泥砂(岩屑) 搧淨,推水把氣拉順,以免所出的西水或天然氣受到泥砂的阻塞和影響。
在長期的鑽井實踐過程中,四川自貢鹽場的匠師總結了一條寶貴的經驗:“黃滷推砂,黑滷推氣。”即把井內泥砂取淨後,岩層裂縫不受泥砂的阻塞,滷氣流動暢通,可獲取豐富的滷氣。
為取出進底的岩屑,我們的先民發明了“泥筒”。蘇軾在《蜀鹽説》中述到:
“又以竹之差小者出入井中為桶,無底而竅其上,懸熟皮數寸,出入水中,氣自呼吸而啓閉之,一筒致水數鬥。”
由此得知,當時不僅發明推滷汲筒,而且也發明了搧“泥筒”。汲筒和泥筒有區別,但工作原理完全相同,兩者都是竹製,筒底“懸熟皮”(即單向閥),入水則啓,出水則閉。因巖砂和泥水在筒內下墜,熟皮受壓緊貼簡底,不泄漏。通過泥簡在井底一上一下來回往復運動,水與岩屑混合,由閥門進入筒內,然後提出地面,以達到清除井底岩屑之目的。如果沒有發明搧“泥筒”,卓筒井也是無法鑽成的。為此,搧“泥筒”的發明,十分巧妙地解決了鑽井取砂的一大關鍵問題,從而為向地層深部開拓提供了可靠保障,標誌着我國古代鑽井技術已達到了一個新階段。
現代西方如美國標準頓鑽鑿井應用的“撈砂簡”(又名“抽砂筒”),其工作原理、操作方法,同我國900多年前發明的搧“泥筒”基本一致。
而現代旋鈷法鑽進,則採用機械動力加壓力,促使井內液體循環流動,不斷將岩屑從井中返出地面,實現了鑽井不停、除砂不斷的新工藝,這是繼“泥筒”取砂法之後又一次重大的突破。
三、世界鑽井史上最早創造的鑽井保全井壁及止水的方法——下“木竹”套管固井
卓筒井在11世紀中葉問世,同時也創造了楠竹製作成套管,下入井中,構成井壁,解決了鑽井、生產兩大難關:其一,保護井壁。竹製套管下入井內固井,可防止因井壁(鬆軟地層)的垮塌,發生井下卡鑽事故,從而保證了大口(竅)以下裸眼井段鑽井的安全;其二,止水。封隔上部地層淡水滲入井中,避免淡水沖淡了天然水的礦化度,確保鹽井下部生產層鹹鹵的開採。
因此,蘇軾説:“‘卓筒井’深者數十丈,以巨竹去節,牝牡相銜為井,以隔橫入淡水,則鹹泉自上。”由此可知,竹製套管,其結構是利用大楠竹通節中空,“牝牡相銜”(即公母棒連接)的竹筒。南宋愛國詩人陸游在四川榮州(今四川榮縣)做官時,親自看到的卓筒井“絕小”:“榮州,則井絕小,僅容一筒,真海眼也。”鹽井下入竹製套管止水,即“隔橫入淡水”和保護井壁的功用,這同現代石油(天然氣)鑽井中下鋼管固井的目的和作用是一致的。
古代井匠利用竹製套管是與四川盛產楠竹、斑竹密切相關的。四川土地肥沃,氣候温和,雨量充沛,地下濕潤,宜於竹子生長,因而竹林遍佈,各地竹子用途非常廣泛,民眾就地取材,用竹子製成日常生活需要的各種器物,如竹房、竹門、竹蓆、竹椅、竹筐、竹架,到農業灌溉等都廣泛使用竹子,簡直是竹的世界。
北宋四川大文學家蘇東坡,目睹了竹子的廣泛用途,尤其是與人們生活有着密切關係,曾深有體會地説:“可使食無肉,不可居無竹”。
四川竹子材源豐富,同時又有獨特的優點:伸直挺拔,具有天然圓形管狀;質密堅硬,有較高的抗拉、抗壓強度;耐腐蝕性能強,作套管固井壽命長達20~50年;產地廣,材源豐富,價廉物美;加工製作簡便等。如川北有的地區,現在遺存的卓筒井,仍是用楠竹或斑竹作套管固井,為北宋“始創筒井”提供了實物見證。
為此,我國木竹固井技術的創造和發展,無疑為現代鑽井固井技術開闢了道路。
在我國北宋“圜刃”鑽頭和“卓筒井”發明之後,俄國和美國的鑽井技術相繼得到發展。據兩國史載,初始置的鹽井,仍是一種小井,同我國北宋發明的卓筒井非常近似。
據俄國和美國早期的鑽井史看來,俄國的鑽井技術,始於12世紀,至少比我國11世紀中葉發明的鑽井技術要晚約1個世紀。美國的鑽井技術肇始於19世紀初,比我國要晚7個多世紀。由此可知,我國北宋中期開創的“卓筒井”工藝,是世界上最早發明的鑽井技術,理應推崇為現代鑽井技術的先驅。