若爾蓋鈾礦田金剛石鉆頭的研究與應(yīng)用

李俊萍， 吳金生， 胡 立， 鄧 偉

(中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院探礦工藝研究所，四川 成都 611734)

若爾蓋鈾礦田金剛石鉆頭的研究與應(yīng)用

李俊萍， 吳金生， 胡 立， 鄧 偉

(中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院探礦工藝研究所，四川 成都 611734)

若爾蓋鈾礦區(qū)是全國(guó)地質(zhì)找礦“358”重點(diǎn)整裝勘查區(qū)，是我國(guó)硬巖型保有儲(chǔ)量最大的鈾資源大基地。該地區(qū)處于高海拔地區(qū)，生態(tài)環(huán)境脆弱，可施工的周期短，地層構(gòu)造發(fā)育，換層頻繁，造斜能力強(qiáng)，裂隙發(fā)育，巖石脆、碎，造成鉆頭磨損嚴(yán)重、偏磨、鉆進(jìn)時(shí)效低、壽命短等問(wèn)題。針對(duì)該地層特點(diǎn)，在前期試驗(yàn)和巖石性質(zhì)測(cè)試分析的基礎(chǔ)上，研制了不同結(jié)構(gòu)的金剛石鉆頭，并在5個(gè)孔位中進(jìn)行了生產(chǎn)試驗(yàn)。試驗(yàn)證明，過(guò)改進(jìn)后的金剛石鉆頭在鉆進(jìn)時(shí)效與平均壽命方面均有顯著提高，與2014年度的鉆進(jìn)數(shù)據(jù)相比，2015年度鉆頭的平均鉆進(jìn)時(shí)效提升了33.7%，鉆頭平均壽命提高了132%，達(dá)到了試驗(yàn)的預(yù)期目標(biāo)。

金剛石鉆頭；復(fù)雜地層；鉆探；若爾蓋鈾礦

1 若爾蓋鈾礦區(qū)地層情況概述

若爾蓋鈾礦田位于西秦嶺褶皺帶南亞帶鈾成礦帶，主要分布在四川省若爾蓋縣北部的降扎、占哇和崇爾3個(gè)鄉(xiāng)境內(nèi)，位于海拔3100～4060 m的川西北高原，勘探區(qū)內(nèi)地形相對(duì)高差較大，山坡很陡，鉆探設(shè)備只能靠人工和牦牛進(jìn)行搬運(yùn)，勞動(dòng)強(qiáng)度大，周期長(zhǎng)。礦區(qū)氣溫變化大，每年九月下旬開(kāi)始降雪，十月份至次年四月下旬為冰凍期，鉆探施工周期短，每年只有6個(gè)月的野外作業(yè)時(shí)間，施工環(huán)境極為惡劣(參見(jiàn)圖1)。

礦區(qū)巖層主要為砂巖、板巖和碳質(zhì)板巖的互層，為泥質(zhì)，沙狀和板狀構(gòu)造，時(shí)有小斷層(泥質(zhì))，構(gòu)造發(fā)育，換層非常頻繁；地層傾角70°～80°，局部接近垂直，造斜能力強(qiáng)，裂隙發(fā)育，巖石破碎，試驗(yàn)孔段巖石完整度RQD值大多低于40%。礦區(qū)地層異常復(fù)雜，鉆孔施工中，鉆孔漏失、垮塌、孔斜、斷鉆桿、埋鉆卡鉆等現(xiàn)象極為頻繁，鉆探施工非常困難。參見(jiàn)圖2—4。

圖1 冰凍天氣、高差較大

圖2 巖心極度硬、脆、碎

圖3 裂隙相當(dāng)發(fā)育

圖4 層段交替頻繁

在鉆探施工過(guò)程中，由于鉆孔孔斜嚴(yán)重、地層構(gòu)造破碎帶發(fā)育，軟硬不均、換層頻繁、變化快等原因，受諸多問(wèn)題疊加影響，導(dǎo)致鉆探效率低、鉆頭內(nèi)外徑磨損嚴(yán)重以及鉆頭出現(xiàn)偏磨現(xiàn)象(如圖5所示)，從而導(dǎo)致鉆頭提前報(bào)廢，大大影響了鉆頭的使用壽命。從2005年開(kāi)始的第二輪地質(zhì)勘察工作開(kāi)始，陸續(xù)使用了國(guó)內(nèi)多個(gè)知名廠家生產(chǎn)的鉆頭，但效果均不佳，鉆頭平均壽命約為20 m，臺(tái)月效率僅為200 m左右，鉆探成本高。

2 礦區(qū)巖樣性質(zhì)測(cè)試分析

鑒于礦區(qū)地層的復(fù)雜性，為了能夠更準(zhǔn)確地確定與地層相適應(yīng)的鉆頭設(shè)計(jì)參數(shù)，提高鉆進(jìn)效率，本項(xiàng)目特委托中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)對(duì)礦區(qū)巖樣進(jìn)行了一系列的性質(zhì)測(cè)試分析。主要的性質(zhì)測(cè)試分析包括巖石成分、巖石硬度、巖石強(qiáng)度、巖石研磨性等。

圖5 不同程度的鉆頭磨損

2.1 巖石成分分析

通過(guò)薄片鑒定技術(shù)，借助于偏光顯微鏡，利用巖石造巖礦物的光學(xué)性質(zhì)特征，確定巖石的組成、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造等礦物及巖石學(xué)參數(shù)。圖6、圖7為巖樣薄片分析照片，具體的鑒定結(jié)果如表1所示。

圖6 1號(hào)巖樣薄片照片(正交偏光)

圖7 2號(hào)巖樣薄片照片(正交偏光)

2.2 巖石物理力學(xué)性質(zhì)分析

從巖樣的物理力學(xué)性質(zhì)上可以對(duì)其可鉆性進(jìn)行一定的分析。巖石的物理力學(xué)性質(zhì)主要包含密度、硬度、強(qiáng)度和研磨性4個(gè)方面的指標(biāo)參數(shù)。巖石試樣及測(cè)試裝置如圖8、圖9所示。其主要的試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表1 送檢巖樣薄片鑒定結(jié)果

圖8 抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)用巖石樣品

圖9 INSTRON-1346型電液壓伺服材料試驗(yàn)機(jī)

巖樣密度/(g·cm-3)壓入硬度/MPa單軸抗壓強(qiáng)度/MPa彈性模量/GPa變形模量/GPa泊松比研磨性指標(biāo)/〔mg·(10min)-1〕1號(hào)2532465892號(hào)259307798141425347364902065188

注：1號(hào)巖樣較短，只能進(jìn)行密度、壓入硬度的測(cè)試，故沒(méi)有強(qiáng)度和研磨性等試驗(yàn)值。

根據(jù)表2巖石性質(zhì)檢測(cè)結(jié)果顯示：從壓入硬度試驗(yàn)結(jié)果上分析，送檢巖樣其可鉆性等級(jí)為7～8級(jí)；根據(jù)2號(hào)巖樣的單軸抗壓強(qiáng)度指標(biāo)換算得到的堅(jiān)固性系數(shù)為14.1，堅(jiān)固等級(jí)為Ⅲ級(jí)，其可鉆性等級(jí)為9級(jí)；基于研磨性檢測(cè)結(jié)果可知送檢巖樣研磨性為Ⅵ級(jí)，很強(qiáng)。

綜上所述，該礦區(qū)的巖樣具有硬度大、強(qiáng)度高、可鉆性等級(jí)高(7～9級(jí))，強(qiáng)研磨性(Ⅵ級(jí))的特點(diǎn)。

3 金剛石鉆頭的設(shè)計(jì)

根據(jù)前幾年的施工情況以及巖樣性質(zhì)檢測(cè)結(jié)果，考慮到若爾蓋礦區(qū)地層的復(fù)雜性和存在的鉆頭偏磨、壽命短的情況，在鉆頭設(shè)計(jì)上主要從以下幾個(gè)方面進(jìn)行調(diào)整與改進(jìn)。

3.1 鉆頭唇面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

以同心圓尖齒結(jié)構(gòu)(如圖10所示)為主，其優(yōu)勢(shì)在于，同心圓尖齒唇面在剛接觸孔底巖石時(shí)的面積小，有利于鉆頭的金剛石出刃，快速破碎巖石。

圖10 不同唇面的金剛石鉆頭

在堅(jiān)硬地層如硅質(zhì)巖，其燧石含量極高，根據(jù)巖石性質(zhì)測(cè)試結(jié)果顯示，燧石含量達(dá)到80%以上，鉆進(jìn)過(guò)程中表明其研磨性極弱。針對(duì)此類(lèi)弱研磨性地層，國(guó)內(nèi)相關(guān)學(xué)者也做了大量相關(guān)研究與試驗(yàn)[1-5]，并取得了一定的效果。

研究發(fā)現(xiàn)在該類(lèi)型地層中，采用同心圓尖齒鉆頭在新鉆頭剛使用時(shí)，早期能快速出刃，鉆進(jìn)速度快[6]。但當(dāng)鉆頭的尖齒磨完，鉆頭唇面呈平底時(shí)，則出現(xiàn)不進(jìn)尺現(xiàn)象。因此，在該類(lèi)弱研磨性地層鉆進(jìn)時(shí)，本試驗(yàn)同時(shí)采用了接觸孔底面積小的方齒型鉆頭(如圖10所示)，其特點(diǎn)是鉆頭唇面接觸孔底面積小，工作齒與孔底巖石的接觸面積只有鉆頭環(huán)狀面積的40%～60%，當(dāng)鉆頭鉆進(jìn)到工作齒接近磨損完，鉆頭與孔底巖石的接觸面仍然可保持不超過(guò)65%。因此，鉆進(jìn)速度可維持基本恒定的范圍。為了讓新鉆頭能夠及時(shí)出刃，在下入孔底前，可以預(yù)先在砂輪上將鉆頭唇面進(jìn)行初步打磨，使金剛石出刃，縮短鉆頭在孔底的出刃時(shí)間，提高鉆進(jìn)效率。

3.2 金剛石粒度

在金剛石濃度相同的條件下，粗顆粒金剛石在鉆頭唇面上的顆粒數(shù)少，單個(gè)金剛石顆粒上承受的鉆壓大，則粗顆粒孕鑲金剛石鉆頭碎巖效率高，且有利于鉆頭冷卻與排粉[7]。但是粗顆粒孕鑲金剛石鉆頭耐磨性較差，使鉆頭磨損較快。因此，采用粗細(xì)顆粒按照一定比例混合的方式，采用金剛石粒度40～70目按照一定比例混合，克服了粗顆粒金剛石鉆頭耐磨性差、細(xì)顆粒金剛石鉆頭效率低的缺點(diǎn)。在硬、脆、碎，軟硬互層地層中鉆進(jìn)，起到粗顆粒和細(xì)顆粒金剛石效應(yīng)互補(bǔ)的作用，使鉆頭既有粗顆粒金剛石碎巖效率高、排粉冷卻效果好的優(yōu)點(diǎn)，又具有細(xì)粒金剛石耐磨性好、在胎體中能均勻分布的特點(diǎn)，從而提高鉆頭的廣譜性，能夠較好地適應(yīng)復(fù)雜地層的變化。

3.3 鉆頭胎體

根據(jù)地層情況，采用鉆頭的胎體硬度主要為HRC25～30，采用WC和Fe粉作為骨架材料，660青銅粉作為粘結(jié)材料，同時(shí)加入適量的Mn、Ni、Co調(diào)節(jié)胎體性能，并加入少量的稀土合金(CuRe)改善胎體晶粒細(xì)化程度[8]，提高胎體對(duì)金剛石的包鑲能力。鉆頭含金剛石層胎體高度為8～10 mm，金剛石濃度75%～80%。

4 鉆頭使用情況與分析

在前期試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，主要針對(duì)鉆頭使用壽命短等問(wèn)題進(jìn)行了深入研究，并于2015年5—10月，在四川省核工業(yè)地質(zhì)局的若爾蓋整裝勘查區(qū)ZK3-5、ZK4-1、ZK12-1、ZK15-1和ZK15-5鉆孔進(jìn)行了生產(chǎn)試驗(yàn)，具體試驗(yàn)由四川省金核地質(zhì)勘探工程有限公司1號(hào)、2號(hào)機(jī)組和3號(hào)機(jī)組承擔(dān)。

在若爾蓋鈾礦區(qū)，取心鉆頭主要采用電鍍金剛石鉆頭和熱壓金剛石鉆頭，主要為?96 mm普通雙管鉆頭(內(nèi)徑為68 mm)和?76 mm普通雙管鉆頭(內(nèi)徑為54.5 mm)2種規(guī)格，鉆頭唇面形狀主要為同心圓尖齒型和方齒型，圖11所示為各鉆孔鉆進(jìn)后的部分鉆頭實(shí)物圖。

圖11 鉆頭實(shí)物圖

表3為2014年度和2015年度鉆頭試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。由于實(shí)際鉆進(jìn)過(guò)程中常出現(xiàn)非正常鉆進(jìn)、鉆頭用于掃孔、掃水泥心等情況出現(xiàn)，則在數(shù)據(jù)整理統(tǒng)計(jì)中，將非正常鉆進(jìn)數(shù)據(jù)剔除，并將同時(shí)用于正常鉆進(jìn)和掃孔、掃水泥心的鉆頭進(jìn)行了換算，按照1∶2的比例將掃孔折算成進(jìn)尺，鉆頭正常鉆進(jìn)與掃孔進(jìn)尺之和為鉆頭綜合進(jìn)尺，納入統(tǒng)計(jì)的試驗(yàn)鉆頭共42只。由表3所得，經(jīng)換算后，2015年度，鉆頭綜合總進(jìn)尺為1508.17 m，鉆頭平均壽命35.95 m。

根據(jù)表3數(shù)據(jù)顯示，2015年度鉆頭在鉆進(jìn)時(shí)效和鉆頭平均壽命方面較2014年度均有明顯提高。在2015年度，鉆頭時(shí)效最高可達(dá)1.63 m，鉆頭平均壽命最高能達(dá)到38.00 m(其中ZK3-5孔僅以全部試驗(yàn)孔段的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)作為分析數(shù)據(jù))。

表3 鉆頭試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

注：回次長(zhǎng)度、時(shí)效均根據(jù)實(shí)際統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)直接計(jì)算得出。鉆頭壽命則根據(jù)鉆頭使用綜合總進(jìn)尺數(shù)據(jù)(包括掃水泥心、掃孔等按比例換算得出的數(shù)據(jù))綜合計(jì)算得出。

圖12為2014年與2015年鉆頭鉆進(jìn)時(shí)效對(duì)比圖，根據(jù)圖12數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，2014年試驗(yàn)段平均時(shí)效0.82～1.13 m。2015年最低平均時(shí)效為ZK15-1孔試驗(yàn)段0.97 m。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)鉆進(jìn)情況記錄，由于ZK15-1孔試驗(yàn)層段巖層破碎、漏失嚴(yán)重，基本上都是頂漏鉆進(jìn)，現(xiàn)場(chǎng)等水等輔助鉆進(jìn)時(shí)間較長(zhǎng)，造成ZK15-1孔鉆進(jìn)時(shí)效偏低。其余鉆孔試驗(yàn)段的鉆進(jìn)時(shí)效均達(dá)1.1 m以上。與2014年度的鉆進(jìn)數(shù)據(jù)相比，2015年度的平均鉆進(jìn)時(shí)效比2014年度的平均鉆進(jìn)時(shí)效提升了33.7%。

圖12 2014年與2015年鉆頭鉆進(jìn)時(shí)效對(duì)比圖

圖13為2014年與2015年鉆頭平均壽命對(duì)比圖。從圖13可以看出鉆頭的平均壽命提升較為明顯。2014年?96 mm鉆頭的平均壽命為17.19 m；2015年統(tǒng)計(jì)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示?96 mm鉆頭的平均壽命最低值為32.10 m，平均壽命最高可達(dá)到36.94 m。2014年?76 mm鉆頭的平均壽命為13.95 m；2015年統(tǒng)計(jì)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示?76 mm鉆頭的平均壽命最低35.89 m；平均壽命最高值為38.00 m；在壽命方面，在2014年試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，經(jīng)過(guò)金剛石鉆頭結(jié)構(gòu)與金剛石參數(shù)的調(diào)整與改進(jìn)，2015年試驗(yàn)鉆頭平均壽命在2014年的基礎(chǔ)上增加了132%。

圖13 2014年與2015年鉆頭平均壽命對(duì)比圖

5 結(jié)論

通過(guò)在若爾蓋礦區(qū)金剛石鉆頭的相關(guān)試驗(yàn)和數(shù)據(jù)分析，可得以下結(jié)論。

(1)采用胎體硬度為HRC25～30，金剛石濃度75%～80%，金剛石粒度為40～70目的金剛石鉆頭，既有較好的鉆進(jìn)時(shí)效，并具有較高的使用壽命，對(duì)若爾蓋礦區(qū)有較好的適應(yīng)性。

(2)同心圓尖齒結(jié)構(gòu)的鉆頭出刃快，鉆進(jìn)初期鉆進(jìn)時(shí)效高；在鉆進(jìn)燧石含量高、研磨性弱的地層，方齒型鉆頭具有更大的優(yōu)勢(shì)，由于能夠基本保持與孔底巖石的接觸面積，維持機(jī)械鉆速恒定，保持較好的鉆進(jìn)效率。

(3)經(jīng)過(guò)改進(jìn)后的金剛石鉆頭在鉆進(jìn)時(shí)效與平均壽命方面均有顯著提高，與2014年度的鉆進(jìn)數(shù)據(jù)相比，2015年度鉆頭的平均鉆進(jìn)時(shí)效提升了33.7%；鉆頭平均壽命提高了132%，取得了良好的效果。

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Research and Application of Diamond Bits in Zoige Uranium Ore/

LIJun-ping,WUJin-sheng,HULi,DENGWei

As the largest hard rock type of recoverable uranium deposits base in China, Zoige uranium ore is the key ready exploration area for “358”goal in national geological prospecting. But it is in high altitude area with fragile ecological environment, strata structure development, short construction season, frequent layer changes, strong deviating force, fissures development and brittle and broken rocks, which cause a series of problems of serious bit wear or eccentric wear, low drilling efficiency and short bit service life. According to the characteristics of the formation and based on the preliminary test and the analysis on rock property, diamond bits of different structures are developed and are tested in 5 drilling holes. The tests show that the improved diamond bits have significant increase in drilling efficiency and average bit service life. Compared with the drilling data of 2014, the average drilling efficiency and bit service life are increased by 33.7% and 132% in 2015 respectively; the expected target of experiment is reached.

diamond bit; complex formation; drilling; Zoige uranium

2016-08-08

中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目“高原生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)綜合鉆探技術(shù)應(yīng)用示范(四川省若爾蓋碳硅泥巖型鈾礦地質(zhì)調(diào)查)”(編號(hào)：12120113017200)

李俊萍，女，漢族，1986年生，工程師，地質(zhì)工程專(zhuān)業(yè)，碩士，從事金剛石工具設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)工作，四川省成都市郫縣現(xiàn)代工業(yè)港(北區(qū))港華路139號(hào)，lijunping_xp@163.com。

P634.4+1

A

1672-7428(2017)01-0079-05

(Institute of Exploration Technology, CAGS, Chengdu Sichuan 611734, China )