內(nèi)蒙古石英巖礦床鉆探施工技術(shù)

杭 程，余漢東，朱 軍

（江蘇省有色金屬華東地質(zhì)勘查局，江蘇南京210033）

內(nèi)蒙古石英巖礦床鉆探施工技術(shù)

杭 程*，余漢東，朱 軍

（江蘇省有色金屬華東地質(zhì)勘查局，江蘇南京210033）

針對(duì)石英巖礦床地層的金剛石巖芯鉆探施工實(shí)踐工作，通過(guò)對(duì)鉆探設(shè)備、材料、鉆壓、轉(zhuǎn)速及泵量等鉆進(jìn)參數(shù)，鉆頭及沖洗液的分析對(duì)比，總結(jié)出該類(lèi)地層的鉆探施工技術(shù)。

石英巖；設(shè)備與材料；鉆進(jìn)參數(shù)；施工技術(shù)

在小口徑金剛石巖芯鉆探施工中，石英巖地層具有典型的“堅(jiān)硬打滑”的特點(diǎn)，在“堅(jiān)硬打滑”地層中如何加快金剛石鉆頭底唇面胎體的磨損和金剛石的出刃，提高鉆進(jìn)效率，一直是困擾小口徑金剛石巖芯鉆探施工領(lǐng)域的一個(gè)難題，雖然無(wú)論通過(guò)調(diào)整鉆進(jìn)參數(shù)方面，還是在改變金剛石鉆頭胎體硬度及底唇面方面，取得了不盡相同的成果，但總體效果不佳。

我公司在內(nèi)蒙古石英巖礦床小口徑金剛石巖芯鉆探施工中，共完成鉆探總工作量為2718m，鉆孔共計(jì)16個(gè)，孔深小于250m，鉆孔傾角為75°，終孔口徑不小于?91mm，本文就內(nèi)蒙古石英巖礦床小口徑金剛石巖芯鉆探施工技術(shù)加以總結(jié)，供巖芯鉆探同行們交流指正。

1 礦區(qū)地質(zhì)條件

礦區(qū)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)西部烏拉特前旗，其巖性主要為：①中元古界渣爾泰山群書(shū)記溝組一段，為厚層狀灰白色變質(zhì)含礫不等粒石英砂巖；②中元古界渣爾泰山群書(shū)記溝組二段一亞段，為灰白色絹云石英片巖；③中元古界渣爾泰山群書(shū)記溝組二段二亞段，為白色、灰綠色、淺灰色厚層狀—塊狀石英巖；④中元古界渣爾泰山群書(shū)記溝組三段，為灰白色、深灰色—灰綠色變質(zhì)石英砂巖。

2 鉆探施工難點(diǎn)

石英巖屬于堅(jiān)硬巖石，巖石可鉆性較高，其級(jí)別一般為10～12級(jí)，礦區(qū)的巖層中石英含量高達(dá)90%以上，即所謂的“堅(jiān)硬”地層；該類(lèi)巖石同時(shí)存在弱研磨性，即所謂的“打滑”地層；在施工中“堅(jiān)硬打滑”地層的具體表現(xiàn)為進(jìn)尺緩慢、效率低下，金剛石鉆頭或不出刃、或壽命短，地層嚴(yán)重漏失等現(xiàn)象，近年來(lái)，隨著諸多金剛石鉆頭生產(chǎn)廠家針對(duì)包括石英巖在內(nèi)的“堅(jiān)硬打滑”地層中金剛石鉆頭的研究，使在施工該類(lèi)巖層時(shí)金剛石鉆頭消耗量在不斷減少、金剛石鉆頭出刃效果也有一定提高，但從實(shí)際效果上看，有效解決金剛石鉆頭的“堅(jiān)硬打滑”現(xiàn)象并不理想。

3 鉆探施工技術(shù)

3.1 施工設(shè)備、材料

該項(xiàng)目鉆孔深度設(shè)計(jì)在250m以?xún)?nèi)，按照鉆機(jī)施工能力選擇，則可以使用XY-2型以上的鉆機(jī)，但是考慮到在石英巖中施工不僅需要有較高的轉(zhuǎn)速，同時(shí)還需要有較大的軸向壓力來(lái)完成金剛石鉆頭的出刃、破碎巖石的目的，所以在項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中主要選擇的鉆機(jī)機(jī)型為：XY-4T、XY-44;泥漿泵在選型上選擇BW-200型以上即可滿(mǎn)足沖洗液的冷卻鉆頭、攜帶巖粉的功能，本項(xiàng)目主要使用的泥漿泵為BW-250型，同時(shí)配備相應(yīng)的柴油發(fā)電機(jī)、攪拌桶及清水泵等設(shè)備。

由于鉆進(jìn)工藝采用國(guó)內(nèi)常用的金剛石繩索取芯鉆進(jìn)方法，所以繩索取芯鉆具及鉆桿主要使用“Q”系列，本項(xiàng)目配置了PQ、HQ 2個(gè)規(guī)格，用于滿(mǎn)足終孔口徑不小于?91mm的設(shè)計(jì)要求。

3.2 鉆進(jìn)參數(shù)

（1）鉆壓：鉆壓是金剛石繩索取芯鉆進(jìn)方法中重要的技術(shù)指標(biāo)，其大小的選擇決定了金剛石鉆頭是否能及時(shí)出刃、破碎巖石，而在施工“堅(jiān)硬打滑”地層時(shí)尤為重要；相對(duì)于施工普通地層而言，“堅(jiān)硬打滑”地層所需鉆壓要大得多，但由于鉆壓受鉆機(jī)能力、鉆桿、鉆具配置等因素的影響，往往使其產(chǎn)生施工效率極為有限；通過(guò)對(duì)本項(xiàng)目平均深度為150m，終孔口徑為91mm的鉆孔的鉆壓對(duì)比分析，得出當(dāng)鉆壓值為1.5～2.0t的加壓鉆進(jìn)時(shí)，其鉆進(jìn)效率相對(duì)較高（表1）。

表1 鉆頭參數(shù)、鉆進(jìn)參數(shù)、時(shí)效關(guān)系表

（2）轉(zhuǎn)速：轉(zhuǎn)速是與鉆壓相配套的鉆進(jìn)參數(shù)，通常情況下小口徑金剛石繩索取芯鉆進(jìn)施工，當(dāng)鉆壓大時(shí)，轉(zhuǎn)速應(yīng)當(dāng)取較低值；反之，當(dāng)鉆壓小時(shí)，轉(zhuǎn)速可適當(dāng)選取較高值；但由于石英巖為“堅(jiān)硬打滑”巖層，較高轉(zhuǎn)速則能提高金剛石鉆頭切削巖石的速率，提高鉆進(jìn)時(shí)效，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況逐步調(diào)整鉆壓與轉(zhuǎn)速間的關(guān)系，達(dá)到最優(yōu)施工效率；通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工鉆機(jī)的效率對(duì)比分析不難看出，當(dāng)轉(zhuǎn)速較低時(shí)，其日進(jìn)尺效率為8～15m，而轉(zhuǎn)速較高時(shí)，日進(jìn)尺效率提高為16～30m（表1）。

（3）泵量：小口徑金剛石繩索取芯鉆探工藝中，泵量的大小主要取決于沖洗液冷卻鉆頭、攜帶巖粉、減少阻力及護(hù)壁堵漏等能力；對(duì)于石英巖類(lèi)的“堅(jiān)硬打滑”巖層，由于巖石的完整性較高，對(duì)泵量的要求即解決冷卻鉆頭、攜帶巖粉及減少阻力3大功能，在小口徑金剛石繩索取芯鉆探施工中，一般采用經(jīng)驗(yàn)方法進(jìn)行泵量控制，但應(yīng)保證沖洗液正常循環(huán)、冷卻鉆頭、減少阻力及攜帶巖粉等功能。

3.3 鉆頭選用

（1）金剛石品級(jí)、粒度、濃度：在“堅(jiān)硬打滑”地層中，金剛石鉆頭中金剛石顆粒極易被磨鈍，造成鉆速降低及鉆頭拋光現(xiàn)象；針對(duì)這種情況可采用高品級(jí)金剛石顆粒，降低磨損速率、提高破巖效率；當(dāng)巖石越堅(jiān)硬致密時(shí)，金剛石粒度應(yīng)越小，小粒度金剛石在金剛石鉆頭底唇面磨損后迅速脫落成為磨粒，而大粒度金剛石則在金剛石鉆頭底唇面磨損后不能及時(shí)脫落，成為支撐架造成打滑現(xiàn)象出現(xiàn)。當(dāng)巖石越堅(jiān)硬致密時(shí)，金剛石鉆頭中金剛石濃度應(yīng)越低，金剛石顆粒承受的鉆壓越大，則越能促進(jìn)其對(duì)巖石的切削作用（表1）。

（2）胎體：在“堅(jiān)硬打滑”地層中，巖石越堅(jiān)硬致密，金剛石鉆頭胎體的耐磨性應(yīng)越低；采用硬度較低的金剛石鉆頭胎體時(shí)，則降低了胎體骨架成份的硬度和胎體的致密度，使胎體容易磨損從而促進(jìn)金剛石的出刃和脫落；在實(shí)際施工中金剛石軟胎體(HRC10～20)鉆頭與硬胎體（HRC35～40）鉆頭相比并不具有明顯優(yōu)勢(shì)，當(dāng)硬胎體金剛石鉆頭在進(jìn)尺緩慢時(shí)可投磨料使鉆頭出刃，其鉆進(jìn)效率是較為可觀的，且硬胎體鉆頭的平均壽命可達(dá)到10～5m，相比之下軟胎體鉆頭平均壽命則只能達(dá)到5～10m（表1）。

（3）鉆頭唇面形狀：在“堅(jiān)硬打滑”地層中，當(dāng)巖石越堅(jiān)硬致密時(shí)，金剛石鉆頭與地層的接觸面積應(yīng)越小，水口面積應(yīng)越大，從而增大單位面積上傳遞給鉆頭的鉆壓；金剛石鉆頭唇面形狀可采用較復(fù)雜的形狀如：階梯型、鋸齒型及環(huán)狀凹槽型等，該類(lèi)金剛石鉆頭的特點(diǎn)能使鉆頭底唇面與巖石之間保持一定量的巖粉，從而加快鉆頭出刃速度；在實(shí)際施工中多采用環(huán)狀凹槽鉆頭型及平底普通鉆頭，兩者比較的結(jié)果，前者進(jìn)尺較快但壽命較短，反之后者壽命較長(zhǎng)但進(jìn)尺極慢。

3.4 沖洗液

在石英巖地層中，沖洗液的作用是十分重要的，沖洗液的主要功能為：冷卻鉆頭、攜帶巖粉、減少阻力及護(hù)壁堵漏等，而就礦區(qū)的地層而言，其主要為石英巖、石英片巖及變質(zhì)石英砂巖等，巖石完整致密，在鉆進(jìn)過(guò)程中應(yīng)充分利用減少阻力、潤(rùn)滑鉆具、冷卻鉆頭的能力，可使用低粘度無(wú)固相聚丙烯酰胺沖洗液，并可適當(dāng)添加高效潤(rùn)滑劑等泥漿添加劑，從而實(shí)現(xiàn)金剛石鉆具的高轉(zhuǎn)速鉆進(jìn)，提供鉆進(jìn)效率，而西部地區(qū)地層裂隙較為發(fā)育，沖洗液出現(xiàn)嚴(yán)重漏失現(xiàn)象，鉆孔中部分孔段出現(xiàn)不返水，鉆遇漏失地層時(shí)可考慮清水“頂漏”鉆進(jìn)方法，當(dāng)出現(xiàn)沖洗液潤(rùn)滑性能不足以消除孔內(nèi)阻力，鉆機(jī)無(wú)法高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，可在鉆具上涂抹潤(rùn)滑脂，在清水中加入高效潤(rùn)滑劑等潤(rùn)滑材料，以減小鉆孔內(nèi)的滑性能不足現(xiàn)象，從而提高鉆進(jìn)效率。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)本次石英巖巖芯鉆探項(xiàng)目的實(shí)施，針對(duì)石英巖地層的特點(diǎn)，歸納為以下幾點(diǎn)建議：

（1）轉(zhuǎn)速：小口徑金剛石鉆頭鉆進(jìn)主要特點(diǎn)是高轉(zhuǎn)速，可以根據(jù)孔深及孔內(nèi)阻力大小選擇適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)速施工，必要時(shí)可以采用調(diào)整泥漿液性能減小孔內(nèi)阻力等輔助措施，從而達(dá)到保證較高轉(zhuǎn)速下施工。

（2）鉆壓：可根據(jù)鉆頭口徑在選擇正常鉆壓的基礎(chǔ)上適當(dāng)增加鉆壓。

（3）鉆頭選擇：金剛石品級(jí)、粒度、濃度、胎體硬度及鉆頭唇面形狀等具體條件，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況合理選用，達(dá)到提高施工效率。

（4）沖洗液：可采用低粘度無(wú)固相聚丙烯酰胺沖洗液，適當(dāng)增加高效潤(rùn)滑劑等材料，實(shí)現(xiàn)減阻增效的作用。

（5）施工效率：可以試用“繩索取芯液動(dòng)潛孔錘鉆探工藝技術(shù)”，已解決施工效率不高等問(wèn)題。

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1004-5716(2015)09-0096-03

2014-09-06

杭程（1965-），男（漢族），江蘇南京人，高級(jí)工程師，現(xiàn)從事巖芯鉆探、煤層氣及石油鉆井等施工管理及技術(shù)工作。