內蒙古石英巖礦床鉆探施工技術

杭 程，余漢東，朱 軍

（江蘇省有色金屬華東地質勘查局，江蘇南京210033）

內蒙古石英巖礦床鉆探施工技術

杭 程*，余漢東，朱 軍

（江蘇省有色金屬華東地質勘查局，江蘇南京210033）

針對石英巖礦床地層的金剛石巖芯鉆探施工實踐工作，通過對鉆探設備、材料、鉆壓、轉速及泵量等鉆進參數，鉆頭及沖洗液的分析對比，總結出該類地層的鉆探施工技術。

石英巖；設備與材料；鉆進參數；施工技術

在小口徑金剛石巖芯鉆探施工中，石英巖地層具有典型的“堅硬打滑”的特點，在“堅硬打滑”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，提高鉆進效率，一直是困擾小口徑金剛石巖芯鉆探施工領域的一個難題，雖然無論通過調整鉆進參數方面，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16個，孔深小于250m，鉆孔傾角為75°，終孔口徑不小于?91mm，本文就內蒙古石英巖礦床小口徑金剛石巖芯鉆探施工技術加以總結，供巖芯鉆探同行們交流指正。

1 礦區地質條件

礦區位于內蒙古自治區西部烏拉特前旗，其巖性主要為：①中元古界渣爾泰山群書記溝組一段，為厚層狀灰白色變質含礫不等粒石英砂巖；②中元古界渣爾泰山群書記溝組二段一亞段，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記溝組三段，為灰白色、深灰色—灰綠色變質石英砂巖。

2 鉆探施工難點

石英巖屬于堅硬巖石，巖石可鉆性較高，其級別一般為10～12級，礦區的巖層中石英含量高達90%以上，即所謂的“堅硬”地層；該類巖石同時存在弱研磨性，即所謂的“打滑”地層；在施工中“堅硬打滑”地層的具體表現為進尺緩慢、效率低下，金剛石鉆頭或不出刃、或壽命短，地層嚴重漏失等現象，近年來，隨著諸多金剛石鉆頭生產廠家針對包括石英巖在內的“堅硬打滑”地層中金剛石鉆頭的研究，使在施工該類巖層時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，但從實際效果上看，有效解決金剛石鉆頭的“堅硬打滑”現象并不理想。

3 鉆探施工技術

3.1 施工設備、材料

該項目鉆孔深度設計在250m以內，按照鉆機施工能力選擇，則可以使用XY-2型以上的鉆機，但是考慮到在石英巖中施工不僅需要有較高的轉速，同時還需要有較大的軸向壓力來完成金剛石鉆頭的出刃、破碎巖石的目的，所以在項目實施過程中主要選擇的鉆機機型為：XY-4T、XY-44;泥漿泵在選型上選擇BW-200型以上即可滿足沖洗液的冷卻鉆頭、攜帶巖粉的功能，本項目主要使用的泥漿泵為BW-250型，同時配備相應的柴油發電機、攪拌桶及清水泵等設備。

由于鉆進工藝采用國內常用的金剛石繩索取芯鉆進方法，所以繩索取芯鉆具及鉆桿主要使用“Q”系列，本項目配置了PQ、HQ 2個規格，用于滿足終孔口徑不小于?91mm的設計要求。

3.2 鉆進參數

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

表1 鉆頭參數、鉆進參數、時效關系表

（2）轉速：轉速是與鉆壓相配套的鉆進參數，通常情況下小口徑金剛石繩索取芯鉆進施工，當鉆壓大時，轉速應當取較低值；反之，當鉆壓小時，轉速可適當選取較高值；但由于石英巖為“堅硬打滑”巖層，較高轉速則能提高金剛石鉆頭切削巖石的速率，提高鉆進時效，應根據現場實際情況逐步調整鉆壓與轉速間的關系，達到最優施工效率；通過對現場施工鉆機的效率對比分析不難看出，當轉速較低時，其日進尺效率為8～15m，而轉速較高時，日進尺效率提高為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、減少阻力及護壁堵漏等能力；對于石英巖類的“堅硬打滑”巖層，由于巖石的完整性較高，對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，一般采用經驗方法進行泵量控制，但應保證沖洗液正常循環、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、粒度、濃度：在“堅硬打滑”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象；針對這種情況可采用高品級金剛石顆粒，降低磨損速率、提高破巖效率；當巖石越堅硬致密時，金剛石粒度應越小，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脫落，成為支撐架造成打滑現象出現。當巖石越堅硬致密時，金剛石鉆頭中金剛石濃度應越低，金剛石顆粒承受的鉆壓越大，則越能促進其對巖石的切削作用（表1）。

（2）胎體：在“堅硬打滑”地層中，巖石越堅硬致密，金剛石鉆頭胎體的耐磨性應越低；采用硬度較低的金剛石鉆頭胎體時，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金剛石的出刃和脫落；在實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勢，當硬胎體金剛石鉆頭在進尺緩慢時可投磨料使鉆頭出刃，其鉆進效率是較為可觀的，且硬胎體鉆頭的平均壽命可達到10～5m，相比之下軟胎體鉆頭平均壽命則只能達到5～10m（表1）。

（3）鉆頭唇面形狀：在“堅硬打滑”地層中，當巖石越堅硬致密時，金剛石鉆頭與地層的接觸面積應越小，水口面積應越大，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雜的形狀如：階梯型、鋸齒型及環狀凹槽型等，該類金剛石鉆頭的特點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；在實際施工中多采用環狀凹槽鉆頭型及平底普通鉆頭，兩者比較的結果，前者進尺較快但壽命較短，反之后者壽命較長但進尺極慢。

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、減少阻力及護壁堵漏等，而就礦區的地層而言，其主要為石英巖、石英片巖及變質石英砂巖等，巖石完整致密，在鉆進過程中應充分利用減少阻力、潤滑鉆具、冷卻鉆頭的能力，可使用低粘度無固相聚丙烯酰胺沖洗液，并可適當添加高效潤滑劑等泥漿添加劑，從而實現金剛石鉆具的高轉速鉆進，提供鉆進效率，而西部地區地層裂隙較為發育，沖洗液出現嚴重漏失現象，鉆孔中部分孔段出現不返水，鉆遇漏失地層時可考慮清水“頂漏”鉆進方法，當出現沖洗液潤滑性能不足以消除孔內阻力，鉆機無法高速運轉時，可在鉆具上涂抹潤滑脂，在清水中加入高效潤滑劑等潤滑材料，以減小鉆孔內的滑性能不足現象，從而提高鉆進效率。

4 結語

通過本次石英巖巖芯鉆探項目的實施，針對石英巖地層的特點，歸納為以下幾點建議：

（1）轉速：小口徑金剛石鉆頭鉆進主要特點是高轉速，可以根據孔深及孔內阻力大小選擇適當的轉速施工，必要時可以采用調整泥漿液性能減小孔內阻力等輔助措施，從而達到保證較高轉速下施工。

（2）鉆壓：可根據鉆頭口徑在選擇正常鉆壓的基礎上適當增加鉆壓。

（3）鉆頭選擇：金剛石品級、粒度、濃度、胎體硬度及鉆頭唇面形狀等具體條件，根據現場實際情況合理選用，達到提高施工效率。

（4）沖洗液：可采用低粘度無固相聚丙烯酰胺沖洗液，適當增加高效潤滑劑等材料，實現減阻增效的作用。

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

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1004-5716(2015)09-0096-03

2014-09-06

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