内蒙古石英岩矿床钻探施工技术

杭 程，余汉东，朱 军

（江苏省有色金属华东地质勘查局，江苏南京210033）

内蒙古石英岩矿床钻探施工技术

杭 程*，余汉东，朱 军

（江苏省有色金属华东地质勘查局，江苏南京210033）

针对石英岩矿床地层的金刚石岩芯钻探施工实践工作，通过对钻探设备、材料、钻压、转速及泵量等钻进参数，钻头及冲洗液的分析对比，总结出该类地层的钻探施工技术。

石英岩；设备与材料；钻进参数；施工技术

在小口径金刚石岩芯钻探施工中，石英岩地层具有典型的“坚硬打滑”的特点，在“坚硬打滑”地层中如何加快金刚石钻头底唇面胎体的磨损和金刚石的出刃，提高钻进效率，一直是困扰小口径金刚石岩芯钻探施工领域的一个难题，虽然无论通过调整钻进参数方面，还是在改变金刚石钻头胎体硬度及底唇面方面，取得了不尽相同的成果，但总体效果不佳。

我公司在内蒙古石英岩矿床小口径金刚石岩芯钻探施工中，共完成钻探总工作量为2718m，钻孔共计16个，孔深小于250m，钻孔倾角为75°，终孔口径不小于Ø91mm，本文就内蒙古石英岩矿床小口径金刚石岩芯钻探施工技术加以总结，供岩芯钻探同行们交流指正。

1 矿区地质条件

矿区位于内蒙古自治区西部乌拉特前旗，其岩性主要为：①中元古界渣尔泰山群书记沟组一段，为厚层状灰白色变质含砾不等粒石英砂岩；②中元古界渣尔泰山群书记沟组二段一亚段，为灰白色绢云石英片岩；③中元古界渣尔泰山群书记沟组二段二亚段，为白色、灰绿色、浅灰色厚层状—块状石英岩；④中元古界渣尔泰山群书记沟组三段，为灰白色、深灰色—灰绿色变质石英砂岩。

2 钻探施工难点

石英岩属于坚硬岩石，岩石可钻性较高，其级别一般为10～12级，矿区的岩层中石英含量高达90%以上，即所谓的“坚硬”地层；该类岩石同时存在弱研磨性，即所谓的“打滑”地层；在施工中“坚硬打滑”地层的具体表现为进尺缓慢、效率低下，金刚石钻头或不出刃、或寿命短，地层严重漏失等现象，近年来，随着诸多金刚石钻头生产厂家针对包括石英岩在内的“坚硬打滑”地层中金刚石钻头的研究，使在施工该类岩层时金刚石钻头消耗量在不断减少、金刚石钻头出刃效果也有一定提高，但从实际效果上看，有效解决金刚石钻头的“坚硬打滑”现象并不理想。

3 钻探施工技术

3.1 施工设备、材料

该项目钻孔深度设计在250m以内，按照钻机施工能力选择，则可以使用XY-2型以上的钻机，但是考虑到在石英岩中施工不仅需要有较高的转速，同时还需要有较大的轴向压力来完成金刚石钻头的出刃、破碎岩石的目的，所以在项目实施过程中主要选择的钻机机型为：XY-4T、XY-44;泥浆泵在选型上选择BW-200型以上即可满足冲洗液的冷却钻头、携带岩粉的功能，本项目主要使用的泥浆泵为BW-250型，同时配备相应的柴油发电机、搅拌桶及清水泵等设备。

由于钻进工艺采用国内常用的金刚石绳索取芯钻进方法，所以绳索取芯钻具及钻杆主要使用“Q”系列，本项目配置了PQ、HQ 2个规格，用于满足终孔口径不小于Ø91mm的设计要求。

3.2 钻进参数

（1）钻压：钻压是金刚石绳索取芯钻进方法中重要的技术指标，其大小的选择决定了金刚石钻头是否能及时出刃、破碎岩石，而在施工“坚硬打滑”地层时尤为重要；相对于施工普通地层而言，“坚硬打滑”地层所需钻压要大得多，但由于钻压受钻机能力、钻杆、钻具配置等因素的影响，往往使其产生施工效率极为有限；通过对本项目平均深度为150m，终孔口径为91mm的钻孔的钻压对比分析，得出当钻压值为1.5～2.0t的加压钻进时，其钻进效率相对较高（表1）。

表1 钻头参数、钻进参数、时效关系表

（2）转速：转速是与钻压相配套的钻进参数，通常情况下小口径金刚石绳索取芯钻进施工，当钻压大时，转速应当取较低值；反之，当钻压小时，转速可适当选取较高值；但由于石英岩为“坚硬打滑”岩层，较高转速则能提高金刚石钻头切削岩石的速率，提高钻进时效，应根据现场实际情况逐步调整钻压与转速间的关系，达到最优施工效率；通过对现场施工钻机的效率对比分析不难看出，当转速较低时，其日进尺效率为8～15m，而转速较高时，日进尺效率提高为16～30m（表1）。

（3）泵量：小口径金刚石绳索取芯钻探工艺中，泵量的大小主要取决于冲洗液冷却钻头、携带岩粉、减少阻力及护壁堵漏等能力；对于石英岩类的“坚硬打滑”岩层，由于岩石的完整性较高，对泵量的要求即解决冷却钻头、携带岩粉及减少阻力3大功能，在小口径金刚石绳索取芯钻探施工中，一般采用经验方法进行泵量控制，但应保证冲洗液正常循环、冷却钻头、减少阻力及携带岩粉等功能。

3.3 钻头选用

（1）金刚石品级、粒度、浓度：在“坚硬打滑”地层中，金刚石钻头中金刚石颗粒极易被磨钝，造成钻速降低及钻头抛光现象；针对这种情况可采用高品级金刚石颗粒，降低磨损速率、提高破岩效率；当岩石越坚硬致密时，金刚石粒度应越小，小粒度金刚石在金刚石钻头底唇面磨损后迅速脱落成为磨粒，而大粒度金刚石则在金刚石钻头底唇面磨损后不能及时脱落，成为支撑架造成打滑现象出现。当岩石越坚硬致密时，金刚石钻头中金刚石浓度应越低，金刚石颗粒承受的钻压越大，则越能促进其对岩石的切削作用（表1）。

（2）胎体：在“坚硬打滑”地层中，岩石越坚硬致密，金刚石钻头胎体的耐磨性应越低；采用硬度较低的金刚石钻头胎体时，则降低了胎体骨架成份的硬度和胎体的致密度，使胎体容易磨损从而促进金刚石的出刃和脱落；在实际施工中金刚石软胎体(HRC10～20)钻头与硬胎体（HRC35～40）钻头相比并不具有明显优势，当硬胎体金刚石钻头在进尺缓慢时可投磨料使钻头出刃，其钻进效率是较为可观的，且硬胎体钻头的平均寿命可达到10～5m，相比之下软胎体钻头平均寿命则只能达到5～10m（表1）。

（3）钻头唇面形状：在“坚硬打滑”地层中，当岩石越坚硬致密时，金刚石钻头与地层的接触面积应越小，水口面积应越大，从而增大单位面积上传递给钻头的钻压；金刚石钻头唇面形状可采用较复杂的形状如：阶梯型、锯齿型及环状凹槽型等，该类金刚石钻头的特点能使钻头底唇面与岩石之间保持一定量的岩粉，从而加快钻头出刃速度；在实际施工中多采用环状凹槽钻头型及平底普通钻头，两者比较的结果，前者进尺较快但寿命较短，反之后者寿命较长但进尺极慢。

3.4 冲洗液

在石英岩地层中，冲洗液的作用是十分重要的，冲洗液的主要功能为：冷却钻头、携带岩粉、减少阻力及护壁堵漏等，而就矿区的地层而言，其主要为石英岩、石英片岩及变质石英砂岩等，岩石完整致密，在钻进过程中应充分利用减少阻力、润滑钻具、冷却钻头的能力，可使用低粘度无固相聚丙烯酰胺冲洗液，并可适当添加高效润滑剂等泥浆添加剂，从而实现金刚石钻具的高转速钻进，提供钻进效率，而西部地区地层裂隙较为发育，冲洗液出现严重漏失现象，钻孔中部分孔段出现不返水，钻遇漏失地层时可考虑清水“顶漏”钻进方法，当出现冲洗液润滑性能不足以消除孔内阻力，钻机无法高速运转时，可在钻具上涂抹润滑脂，在清水中加入高效润滑剂等润滑材料，以减小钻孔内的滑性能不足现象，从而提高钻进效率。

4 结语

通过本次石英岩岩芯钻探项目的实施，针对石英岩地层的特点，归纳为以下几点建议：

（1）转速：小口径金刚石钻头钻进主要特点是高转速，可以根据孔深及孔内阻力大小选择适当的转速施工，必要时可以采用调整泥浆液性能减小孔内阻力等辅助措施，从而达到保证较高转速下施工。

（2）钻压：可根据钻头口径在选择正常钻压的基础上适当增加钻压。

（3）钻头选择：金刚石品级、粒度、浓度、胎体硬度及钻头唇面形状等具体条件，根据现场实际情况合理选用，达到提高施工效率。

（4）冲洗液：可采用低粘度无固相聚丙烯酰胺冲洗液，适当增加高效润滑剂等材料，实现减阻增效的作用。

（5）施工效率：可以试用“绳索取芯液动潜孔锤钻探工艺技术”，已解决施工效率不高等问题。

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1004-5716(2015)09-0096-03

2014-09-06

杭程（1965-），男（汉族），江苏南京人，高级工程师，现从事岩芯钻探、煤层气及石油钻井等施工管理及技术工作。