東昆侖成礦帶強研磨性地層巖石力學(xué)性質(zhì)研究

龐懷瑋，汪洪民，高元宏，劉海聲

(1.青海省第二地質(zhì)勘查院，青海 西寧 810000；2.青海省巖心鉆探工程技術(shù)研究中心，青海 西寧 810000)

青海省東昆侖成礦帶是支撐青海礦產(chǎn)資源經(jīng)濟的重要礦產(chǎn)地之一[1]，以往的鉆探勘探發(fā)現(xiàn)東昆侖成礦帶鉆進地層研磨性較強普遍存在，致使鉆進過程中鉆頭壽命極低，部分礦區(qū)鉆頭壽命甚至只有3 m[2]。巖石物理力學(xué)性質(zhì)是反映巖石可鉆性的重要指標(biāo)之一[3]，明確各礦區(qū)目前鉆進過程中遇到的巖石礦物組成、硬度、研磨性等特性，有助于準(zhǔn)確完成鉆頭選型工作，使鉆頭能夠良好的匹配地層巖性，進一步有效增加鉆頭碎巖效率，提高使用壽命。因此，開展東昆侖礦區(qū)強研磨性地層巖石物理力學(xué)性質(zhì)研究十分必要且很迫切。

為了更好地掌握東昆侖成礦帶強研磨性地層物理力學(xué)特性，采用現(xiàn)場調(diào)研、樣品采集并進行室內(nèi)實驗的技術(shù)方案，從哈日扎、沱沱河、溝腦、五龍溝和銅金山等7個礦區(qū)的不同鉆孔、不同孔深取樣42組，開展巖石礦物薄片顯微分析及鑒定工作，分析巖石的礦物組成、結(jié)構(gòu)。在此基礎(chǔ)上研究巖石的硬度、研磨性等，以期為后續(xù)設(shè)計優(yōu)化適用于東昆侖強研磨性地層的高效鉆頭提供巖石學(xué)方面的依據(jù)。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

青海東昆侖屬于秦祁昆成礦域[4]，位于青海省中西部。該區(qū)域構(gòu)造活動頻繁且多期疊加[5]。礦區(qū)強研磨性地層巖石以花崗巖為主，可見英云閃長巖、石英安山巖、花崗質(zhì)碎裂巖、糜棱巖、千枚巖、二長片巖、石英砂巖及灰?guī)r等?；◢弾r巖石樣品中長石以及石英含量占比很高，兩者占比可到達巖石礦物80%～90%，初步推斷，石英及長石含量較高是造成部分礦區(qū)花崗巖巖石研磨性較強的一個重要因素。

2 地層巖石硬度

巖石的硬度尤其是壓入硬度指標(biāo)，更能反映鉆進過程中的實際情況[6]。本次實驗儀器為HYY-B巖石壓入硬度儀，選用具有代表性、完整、無明顯裂痕的巖心，巖樣尺寸為直徑50 mm×50 mm，運用公式(1)計算巖石硬度指標(biāo)：

(1)

式中：Hy為壓入硬度值，MPa；P為巖石發(fā)生破碎時的壓力值，N；S為壓頭的底面積，mm2。

在巖樣上間隔一定距離取點進行試驗，得到的巖石壓入硬度試驗結(jié)果見表1。采取的巖石的硬度等級集中在5～8級，巖石硬度相對較高。其中1、3、7、15、18、21號6組巖石石英含量均超過30%，長石含量60%以上，礦物粒徑較小，且長石中多見緊密的聚片雙晶結(jié)構(gòu)，巖石硬度等級達到8級，相對較硬。8號巖石石英含量較低，1%左右，且?guī)r石中多含有生物碎屑，硬度等級為5級，中硬。綜合分析可看出，巖石中石英及其他堅硬礦物含量愈多，礦物顆粒越細，結(jié)構(gòu)越致密，則巖石的硬度相對較大(見圖1)。

圖1 青海東昆侖成礦帶強研磨性地層巖石照片

表1 巖樣壓入硬度試驗結(jié)果及硬度分級

3 地層巖石研磨性

本文采用標(biāo)準(zhǔn)件測定法，并選取鉆磨的方法使巖石和標(biāo)準(zhǔn)件產(chǎn)生摩擦。所用的標(biāo)準(zhǔn)件是直徑8 mm、長度70 mm的鋼桿，硬度為HB≈250，含碳量0.9%，不淬火。此鋼桿一段為實心，另一端上有直徑為4 mm、深10 mm的小孔。根據(jù)試驗要求，在試驗前，應(yīng)將巖石表面進行拋光磨平處理，減少對磨件的磨合時間，降低試驗的偶然誤差。試驗時，施加的正壓力為150 N，轉(zhuǎn)速為400 r/min，鋼桿作為“鉆頭”，在巖石端面處鉆進10 min，以鋼桿的損失重量平均值作為巖石研磨性指標(biāo)。

根據(jù)研磨性試驗原理，研磨性指標(biāo)用A表示，計算公式(2)是：

(2)

式中：qi為每根鋼桿試驗后兩端損失重量之和，mg；n為試驗鋼桿根數(shù)。

按研磨性指標(biāo)A將巖石分成8級，將試驗所得出的巖石研磨性數(shù)據(jù)統(tǒng)計列出(見表2)。采取的巖石的研磨性等級集中在Ⅳ-Ⅵ級，巖石的研磨性相對較強。沱沱河孔莫隴礦區(qū)采取的8號巖石樣品為含生物屑砂屑微晶灰?guī)r，方解石含量98%，石英含量僅1%，研磨性Ⅳ級，中等研磨性。哈日扎礦區(qū)3號礦物長石含量53%，石英35%，為交代殘余及鱗片花崗結(jié)構(gòu)，研磨性Ⅵ級，強研磨性。綜合分析可看：出如果巖石中的礦物成分中具有高硬度的顆粒(如石英)，隨著石英含量的增高，隨著石英礦物的均布性加大，則其研磨性加大，或者組成巖石的膠結(jié)物性質(zhì)不同，也會明顯地影響著巖石的研磨性。在巖石中，石英顆粒的形狀與尺寸也對巖石研磨性起著影響，即使石英含量相同，但如顆粒形狀不同、粒徑不同、配比的均勻度不同，則表現(xiàn)的研磨性也有很大的差異。

表2 巖石研磨性試驗結(jié)果統(tǒng)計及研磨性分級

4 結(jié) 語

1)巖石樣品硬度大多在5～8級之間，平均硬度在7級左右，巖石的硬度相對較高。結(jié)合巖石薄片分析認為，巖石中石英及其他堅硬礦物含量愈多，礦物顆粒越細，結(jié)構(gòu)越致密，則巖石的硬度相對較大。

2)巖石研磨性實驗表明，巖石的研磨性等級集中在Ⅳ-Ⅵ級，巖石的研磨性相對較強。巖石中石英等高硬度顆粒含量增高，均布性加大，研磨性加大；巖石的膠結(jié)物性質(zhì)、顆粒的形狀與尺寸亦是影響巖石研磨性的重要因素。