新型鎢合金鍍層防堵巖芯管的研究和應(yīng)用

歐陽志勇，秦承春

（1.北京探礦工程研究所，北京100083；2.山東省第七地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，山東臨沂276006）

新型鎢合金鍍層防堵巖芯管的研究和應(yīng)用

歐陽志勇*1，秦承春2

（1.北京探礦工程研究所，北京100083；2.山東省第七地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，山東臨沂276006）

具有高表面硬度、耐磨性和耐腐蝕性能的鎢合金鍍層技術(shù)，應(yīng)用于生產(chǎn)繩索取芯巖芯管，在山西、山東、四川等破碎地層鉆探施工中，延長巖芯管壽命，增加回次長度，降低勞動強(qiáng)度，因而提高了鉆探效率。

鎢合金鍍層；巖芯管；破碎地層；回次長度

北京探礦工程研究所在2014年基于鎢合金鍍層技術(shù)研制和開發(fā)了新型繩索取芯巖芯管，用于硬脆碎地層取芯鉆探施工。鎢合金內(nèi)鍍層巖芯管應(yīng)用于山西、山東和四川等多地的繩索取芯鉆探施工中，取得了顯著的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果，有效地減少了巖芯堵塞，提高了取芯回次長度，增加了打撈巖芯的時間間隔，降低了工人勞動強(qiáng)度，延長了純鉆進(jìn)時間，因此提高了破碎地層鉆探的臺月效率。

1　鎢合金鍍層技術(shù)

1.1簡介

20世紀(jì)60年代，美國開始金屬表面電鍍鎢合金的研究，20世紀(jì)70年代開始用于軍事工業(yè)，該技術(shù)于20世紀(jì)90年代在我國石油系統(tǒng)開始應(yīng)用。

鎢合金鍍層金屬成分為：W：4%～8%，Ni：80%～90%，P：3%～14%，該合金為非晶態(tài)合金，具有長程無序、短程有序的組織結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)致密，各向同性，沒有晶界、位錯和缺陷，因此，鍍層合金具有顯微硬度高、耐磨性好、耐酸堿鹽腐蝕，且與基體材料結(jié)合好的特點(diǎn)。

鎢合金鍍層性能優(yōu)異，而且電鍍工藝中電鍍液主要是鎳鹽和鎢鹽，與現(xiàn)在常用的金屬表面鍍硬鉻工藝相比，電鍍液不含六價(jià)鉻，工藝環(huán)保無污染，很有發(fā)展前景。

1.2鎢合金鍍層試樣技術(shù)性能指標(biāo)

鍍層硬度：62～71（HRC）；

鍍層厚度：0.065～0.085mm；

表面粗糙度：Ra≤0.4μm；

耐蝕性：中性鹽霧實(shí)驗(yàn)300h，鍍層無變化，5%Na2S溶液浸泡200h，鍍層無變化，堿性溶液浸泡200h，鍍層無變化；

耐磨性：（GCr15鋼球與試樣的摩擦副線性磨損量）鎢合金鍍層試樣磨損量比電鍍鉻試樣降低一倍以上，見表1。

表1　4種鍍層耐磨性實(shí)驗(yàn)

2　礦區(qū)概況（以山西靈丘腰站鐵礦為例）

山西靈丘腰站鐵礦位于靈丘縣東14km腰站、喬莊一帶，區(qū)內(nèi)地貌系中山區(qū)，地形切割強(qiáng)烈。本區(qū)大地構(gòu)造位置處于華北地臺北緣、山西斷隆與燕山臺褶帶西端接壤地帶，經(jīng)歷了多期變質(zhì)、變形及巖漿侵位，形成一系列不同形態(tài)、不同方向、不同性質(zhì)和不同期次的斷裂和北東向的褶皺。區(qū)內(nèi)巖漿活動頻繁，從老至新依次有：五臺期變質(zhì)石英閃長巖、呂梁期輝綠（玢）巖、燕山期花崗斑巖等。所以，礦區(qū)屬于典型的硬脆碎難鉆進(jìn)地層，基本上全孔破碎，鉆進(jìn)效率低下，事故多發(fā)。圖1為礦區(qū)表露破碎巖層，圖2、圖3為破碎巖芯。

3　鉆探工藝

3.1鉆探設(shè)計(jì)要求

圖1　礦區(qū)表露破碎巖層

圖2　破碎地層巖芯（ZK7201）

圖3　破碎地層巖芯（ZK6802）

2014年山東省第七地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院在該礦區(qū)施工2個鉆孔ZK6802孔和ZK7201孔，均為礦產(chǎn)地質(zhì)鉆探。ZK6802孔設(shè)計(jì)孔深為1100m，ZK7201孔設(shè)計(jì)孔深為1000m，終孔直徑75mm。2孔均為斜孔，孔斜78°，頂角偏斜不大于2°/100m，測量間距為50m。下套管后必須測斜，如有偏斜必須糾正。

3.2鉆探設(shè)備機(jī)具的選配

根據(jù)鉆孔設(shè)計(jì)要求并綜合考慮礦區(qū)地層情況、工期要求、鉆孔質(zhì)量要求等因素，ZK6802孔使用阿特拉斯CS3001鉆機(jī)施工，配套使用BW160型泥漿泵；ZK7201孔使用CHU-5鉆機(jī)施工，配套使用BW160型泥漿泵。2臺鉆機(jī)均使用機(jī)臺自帶桅桿鉆塔。

鉆桿：?114mm繩索取芯鉆桿700m，?89mm繩索取芯鉆桿1200m，鐓粗加厚型?71mm繩索取芯鉆桿2500m。

套管：?146mm套管100m，?108mm套管800m，?89mm套管1160m。

鉆具：?150mm單管鉆具（0.5m）4套；長鉆具?150mm、?108mm、?91mm單管鉆具（4.5m）4套；?122mm、?96mm、?77mm繩索取芯鉆具8套。

3.3鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

鉆孔施工嚴(yán)格按照《巖芯鉆探規(guī)程》（DZ/T0227-2010）之標(biāo)準(zhǔn)及地質(zhì)設(shè)計(jì)要求進(jìn)行。

根據(jù)腰站礦區(qū)區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造、地層情況、巖性以及該礦區(qū)以往地質(zhì)鉆探經(jīng)驗(yàn)等因素，并綜合考慮存在巖溶裂隙發(fā)育、斷裂破碎帶較多等情況，鉆孔結(jié)構(gòu)做如下設(shè)計(jì)：

開孔采用?150mm復(fù)合片鉆頭，單管鉆進(jìn)至30m左右穿過第四系地層，下入?146mm套管進(jìn)行封堵；第一次變徑采用?122mm金剛石繩索取芯工藝鉆進(jìn)至約320m，穿過巖溶裂隙發(fā)育地層，下入?108mm反絲套管封堵裂隙及溶洞；第二次變徑采用?96mm金剛石繩索取芯工藝鉆進(jìn)至約500m，下入?89mm反絲套管；第三次變徑采用?77mm金剛石繩索取芯工藝鉆進(jìn)至終孔。

3.4鉆孔完成情況

2孔鉆探施工均按照相關(guān)鉆探規(guī)程及地質(zhì)設(shè)計(jì)要求、孔身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完成，各項(xiàng)鉆探指標(biāo)均符合設(shè)計(jì)要求。巖溶裂隙發(fā)育、斷裂破碎帶等復(fù)雜地層的鉆探及泥漿工藝不做贅述。ZK6802孔終孔孔深1129.16m，ZK7201孔終孔孔深1000.00m。

3.5現(xiàn)場鎢合金鍍層管情況

現(xiàn)場巖芯管試驗(yàn)段采用?77mm/46mm金剛石鉆頭，試驗(yàn)鎢合金鍍層巖芯管規(guī)格：?54mm×3×3000mm，基材采用鋼級DZ60冷拔鋼管，牌號：45MnMoB。

4　現(xiàn)場試驗(yàn)效果

4.1提高回次進(jìn)尺

試驗(yàn)采取對比試驗(yàn)方法，機(jī)臺每天白班（八點(diǎn)班）正常鉆進(jìn)即開始對比試驗(yàn)，普通巖芯管和鎢合金鍍層巖芯管交替使用，記錄巖芯情況和回次長度數(shù)據(jù)。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄11d，共計(jì)32回次，試驗(yàn)記錄統(tǒng)計(jì)見表2。

表2　試驗(yàn)記錄統(tǒng)計(jì)表

從試驗(yàn)記錄可以看出，鎢合金鍍層巖芯管在該礦區(qū)的使用效果非常明顯，在部分破碎巖石地層，回次長度提高50%，在破碎巖石地層，回次長度提高100%。

這次試驗(yàn)后，在山東金礦勘探中小規(guī)模推廣應(yīng)用鎢合金鍍層巖芯管，鉆孔巖層裂隙和夾層較多，鎢合金鍍層巖芯管體現(xiàn)較好使用效果，在其它鉆進(jìn)條件相同情況下，回次進(jìn)尺大幅度提高，鉆機(jī)臺月效率相應(yīng)提高15%～20%。

4.2現(xiàn)場使用方便可靠

繩索取芯液動錘在破碎地層鉆探是一個不錯的選擇，但也有對泥漿要求高、沖錘和砧子等壽命短、能量輸出轉(zhuǎn)換受限等問題。鎢合金鍍層巖芯管是在普通巖芯管內(nèi)表面鍍附厚度約為0.07mm的鎢合金層，所以對現(xiàn)場正常的鉆探工藝和設(shè)備沒有任何特殊要求?，F(xiàn)場只需更換一根相同尺寸的鎢合金鍍層內(nèi)管即可，操作簡便易行，效果立顯。

4.3鎢合金鍍層巖芯管使用壽命長

破碎巖石在普通巖芯管里容易卡堵，打撈上來后巖芯也不易倒出，現(xiàn)場很多時候需要用鐵榔頭大力敲擊振動，造成巖芯管變形報(bào)廢。在腰站礦區(qū)，一個千米鉆孔，可能會用10根以上普通巖芯管。相比較而言，鎢合金鍍層巖芯管只需2～3根，每根壽命大于400m。這是由于鎢合金鍍層巖芯管內(nèi)表面硬度高、光潔度高，破碎巖石在管內(nèi)阻力小，倒出巖芯不需大力敲擊，靠巖芯自重或只需木榔頭輕振即可，延長了內(nèi)管使用壽命。在試驗(yàn)現(xiàn)場，一根內(nèi)管在400m進(jìn)尺后，依然能正常使用。如圖4所示，上部為新鍍層巖芯管徑向斜剖面，下部為使用400m后的舊鍍層巖芯管軸向直剖面。

5　結(jié)論

（1）新型鎢合金鍍層巖芯管有效防止破碎地層鉆探中巖芯堵塞，顯著提高回次進(jìn)尺，減少鉆探工作的輔助時間，增加了純鉆進(jìn)時間，降低工人的勞動強(qiáng)度，相應(yīng)提高鉆探的臺月效率。

圖4　新舊鎢合金鍍層巖芯管剖面圖

（2）新型鎢合金鍍層巖芯管，鍍層與基體結(jié)合強(qiáng)度高、耐磨性高，耐腐蝕性強(qiáng)，內(nèi)表面光滑，倒出巖芯順利，防止鐵錘敲擊，延長巖芯管的使用壽命，比普通巖芯管壽命提高3～4倍。

（3）新型鎢合金鍍層巖芯管操作簡便可靠。在破碎地層取芯鉆探中，無需新增加孔內(nèi)鉆探工具或涂抹潤滑脂等措施，僅需簡單更換內(nèi)鍍層巖芯管即可。

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TE921

A

1004-5716（2016）06-0014-03

2016-02-25

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中國地質(zhì)調(diào)查局項(xiàng)目北方重要盆地砂巖型鈾礦調(diào)查與勘查示范項(xiàng)目子項(xiàng)目重點(diǎn)成礦帶碎巖與取芯技術(shù)研究與應(yīng)用示范（12120113097300）。

歐陽志勇（1969-），男（漢族），重慶合川人，高級工程師，現(xiàn)從事鉆探工藝技術(shù)的研究與開發(fā)工作。