新型钨合金镀层防堵岩芯管的研究和应用

欧阳志勇，秦承春

（1.北京探矿工程研究所，北京100083；2.山东省第七地质矿产勘查院，山东临沂276006）

新型钨合金镀层防堵岩芯管的研究和应用

欧阳志勇*1，秦承春2

（1.北京探矿工程研究所，北京100083；2.山东省第七地质矿产勘查院，山东临沂276006）

具有高表面硬度、耐磨性和耐腐蚀性能的钨合金镀层技术，应用于生产绳索取芯岩芯管，在山西、山东、四川等破碎地层钻探施工中，延长岩芯管寿命，增加回次长度，降低劳动强度，因而提高了钻探效率。

钨合金镀层；岩芯管；破碎地层；回次长度

北京探矿工程研究所在2014年基于钨合金镀层技术研制和开发了新型绳索取芯岩芯管，用于硬脆碎地层取芯钻探施工。钨合金内镀层岩芯管应用于山西、山东和四川等多地的绳索取芯钻探施工中，取得了显著的技术经济效果，有效地减少了岩芯堵塞，提高了取芯回次长度，增加了打捞岩芯的时间间隔，降低了工人劳动强度，延长了纯钻进时间，因此提高了破碎地层钻探的台月效率。

1　钨合金镀层技术

1.1简介

20世纪60年代，美国开始金属表面电镀钨合金的研究，20世纪70年代开始用于军事工业，该技术于20世纪90年代在我国石油系统开始应用。

钨合金镀层金属成分为：W：4%～8%，Ni：80%～90%，P：3%～14%，该合金为非晶态合金，具有长程无序、短程有序的组织结构，结构致密，各向同性，没有晶界、位错和缺陷，因此，镀层合金具有显微硬度高、耐磨性好、耐酸碱盐腐蚀，且与基体材料结合好的特点。

钨合金镀层性能优异，而且电镀工艺中电镀液主要是镍盐和钨盐，与现在常用的金属表面镀硬铬工艺相比，电镀液不含六价铬，工艺环保无污染，很有发展前景。

1.2钨合金镀层试样技术性能指标

镀层硬度：62～71（HRC）；

镀层厚度：0.065～0.085mm；

表面粗糙度：Ra≤0.4μm；

耐蚀性：中性盐雾实验300h，镀层无变化，5%Na2S溶液浸泡200h，镀层无变化，碱性溶液浸泡200h，镀层无变化；

耐磨性：（GCr15钢球与试样的摩擦副线性磨损量）钨合金镀层试样磨损量比电镀铬试样降低一倍以上，见表1。

表1　4种镀层耐磨性实验

2　矿区概况（以山西灵丘腰站铁矿为例）

山西灵丘腰站铁矿位于灵丘县东14km腰站、乔庄一带，区内地貌系中山区，地形切割强烈。本区大地构造位置处于华北地台北缘、山西断隆与燕山台褶带西端接壤地带，经历了多期变质、变形及岩浆侵位，形成一系列不同形态、不同方向、不同性质和不同期次的断裂和北东向的褶皱。区内岩浆活动频繁，从老至新依次有：五台期变质石英闪长岩、吕梁期辉绿（玢）岩、燕山期花岗斑岩等。所以，矿区属于典型的硬脆碎难钻进地层，基本上全孔破碎，钻进效率低下，事故多发。图1为矿区表露破碎岩层，图2、图3为破碎岩芯。

3　钻探工艺

3.1钻探设计要求

图1　矿区表露破碎岩层

图2　破碎地层岩芯（ZK7201）

图3　破碎地层岩芯（ZK6802）

2014年山东省第七地质矿产勘查院在该矿区施工2个钻孔ZK6802孔和ZK7201孔，均为矿产地质钻探。ZK6802孔设计孔深为1100m，ZK7201孔设计孔深为1000m，终孔直径75mm。2孔均为斜孔，孔斜78°，顶角偏斜不大于2°/100m，测量间距为50m。下套管后必须测斜，如有偏斜必须纠正。

3.2钻探设备机具的选配

根据钻孔设计要求并综合考虑矿区地层情况、工期要求、钻孔质量要求等因素，ZK6802孔使用阿特拉斯CS3001钻机施工，配套使用BW160型泥浆泵；ZK7201孔使用CHU-5钻机施工，配套使用BW160型泥浆泵。2台钻机均使用机台自带桅杆钻塔。

钻杆：∅114mm绳索取芯钻杆700m，∅89mm绳索取芯钻杆1200m，镦粗加厚型∅71mm绳索取芯钻杆2500m。

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

钻具：∅150mm单管钻具（0.5m）4套；长钻具∅150mm、∅108mm、∅91mm单管钻具（4.5m）4套；∅122mm、∅96mm、∅77mm绳索取芯钻具8套。

3.3钻孔结构设计

钻孔施工严格按照《岩芯钻探规程》（DZ/T0227-2010）之标准及地质设计要求进行。

根据腰站矿区区域地质构造、地层情况、岩性以及该矿区以往地质钻探经验等因素，并综合考虑存在岩溶裂隙发育、断裂破碎带较多等情况，钻孔结构做如下设计：

开孔采用∅150mm复合片钻头，单管钻进至30m左右穿过第四系地层，下入∅146mm套管进行封堵；第一次变径采用∅122mm金刚石绳索取芯工艺钻进至约320m，穿过岩溶裂隙发育地层，下入∅108mm反丝套管封堵裂隙及溶洞；第二次变径采用∅96mm金刚石绳索取芯工艺钻进至约500m，下入∅89mm反丝套管；第三次变径采用∅77mm金刚石绳索取芯工艺钻进至终孔。

3.4钻孔完成情况

2孔钻探施工均按照相关钻探规程及地质设计要求、孔身结构设计完成，各项钻探指标均符合设计要求。岩溶裂隙发育、断裂破碎带等复杂地层的钻探及泥浆工艺不做赘述。ZK6802孔终孔孔深1129.16m，ZK7201孔终孔孔深1000.00m。

3.5现场钨合金镀层管情况

现场岩芯管试验段采用∅77mm/46mm金刚石钻头，试验钨合金镀层岩芯管规格：∅54mm×3×3000mm，基材采用钢级DZ60冷拔钢管，牌号：45MnMoB。

4　现场试验效果

4.1提高回次进尺

试验采取对比试验方法，机台每天白班（八点班）正常钻进即开始对比试验，普通岩芯管和钨合金镀层岩芯管交替使用，记录岩芯情况和回次长度数据。

试验数据记录11d，共计32回次，试验记录统计见表2。

表2　试验记录统计表

从试验记录可以看出，钨合金镀层岩芯管在该矿区的使用效果非常明显，在部分破碎岩石地层，回次长度提高50%，在破碎岩石地层，回次长度提高100%。

这次试验后，在山东金矿勘探中小规模推广应用钨合金镀层岩芯管，钻孔岩层裂隙和夹层较多，钨合金镀层岩芯管体现较好使用效果，在其它钻进条件相同情况下，回次进尺大幅度提高，钻机台月效率相应提高15%～20%。

4.2现场使用方便可靠

绳索取芯液动锤在破碎地层钻探是一个不错的选择，但也有对泥浆要求高、冲锤和砧子等寿命短、能量输出转换受限等问题。钨合金镀层岩芯管是在普通岩芯管内表面镀附厚度约为0.07mm的钨合金层，所以对现场正常的钻探工艺和设备没有任何特殊要求。现场只需更换一根相同尺寸的钨合金镀层内管即可，操作简便易行，效果立显。

4.3钨合金镀层岩芯管使用寿命长

破碎岩石在普通岩芯管里容易卡堵，打捞上来后岩芯也不易倒出，现场很多时候需要用铁榔头大力敲击振动，造成岩芯管变形报废。在腰站矿区，一个千米钻孔，可能会用10根以上普通岩芯管。相比较而言，钨合金镀层岩芯管只需2～3根，每根寿命大于400m。这是由于钨合金镀层岩芯管内表面硬度高、光洁度高，破碎岩石在管内阻力小，倒出岩芯不需大力敲击，靠岩芯自重或只需木榔头轻振即可，延长了内管使用寿命。在试验现场，一根内管在400m进尺后，依然能正常使用。如图4所示，上部为新镀层岩芯管径向斜剖面，下部为使用400m后的旧镀层岩芯管轴向直剖面。

5　结论

（1）新型钨合金镀层岩芯管有效防止破碎地层钻探中岩芯堵塞，显著提高回次进尺，减少钻探工作的辅助时间，增加了纯钻进时间，降低工人的劳动强度，相应提高钻探的台月效率。

图4　新旧钨合金镀层岩芯管剖面图

（2）新型钨合金镀层岩芯管，镀层与基体结合强度高、耐磨性高，耐腐蚀性强，内表面光滑，倒出岩芯顺利，防止铁锤敲击，延长岩芯管的使用寿命，比普通岩芯管寿命提高3～4倍。

（3）新型钨合金镀层岩芯管操作简便可靠。在破碎地层取芯钻探中，无需新增加孔内钻探工具或涂抹润滑脂等措施，仅需简单更换内镀层岩芯管即可。

［1］刘广志.金刚石钻探手册［M］.北京：地质出版社，1991：347-394.

［2］罗冠平.SYZX75型绳索取心液动锤在肃北德勒诺尔铁矿区的应用［J］.探矿工程（岩土钻掘工程），2012，39（1）：47-49.

［3］熊文英，刘钧泉，罗韦因.替代镀硬铬的几种新工艺［J］.电镀与涂饰，2006，25（4）：50-53.

［4］罗永贵.SYZX绳索取心液动锤在小秦岭金矿田复杂地层深部钻探中的应用［J］.探矿工程（岩土钻掘工程），2013，40 （3）：7-9.

［5］雷丹，林琳，张国超，等.电沉积钨合金镀层的研究现状与应用进展［J］.全面腐蚀控制，2012，26（6）：2-6.

［6］刘炯.山西省灵丘县腰站铁矿地质特征［J］.华北国土资源，2012，47（2）：104-107.

TE921

A

1004-5716（2016）06-0014-03

2016-02-25

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中国地质调查局项目北方重要盆地砂岩型铀矿调查与勘查示范项目子项目重点成矿带碎岩与取芯技术研究与应用示范（12120113097300）。

欧阳志勇（1969-），男（汉族），重庆合川人，高级工程师，现从事钻探工艺技术的研究与开发工作。