东昆仑成矿带强研磨性地层岩石力学性质研究

庞怀玮，汪洪民，高元宏，刘海声

(1.青海省第二地质勘查院，青海 西宁 810000；2.青海省岩心钻探工程技术研究中心，青海 西宁 810000)

青海省东昆仑成矿带是支撑青海矿产资源经济的重要矿产地之一[1]，以往的钻探勘探发现东昆仑成矿带钻进地层研磨性较强普遍存在，致使钻进过程中钻头寿命极低，部分矿区钻头寿命甚至只有3 m[2]。岩石物理力学性质是反映岩石可钻性的重要指标之一[3]，明确各矿区目前钻进过程中遇到的岩石矿物组成、硬度、研磨性等特性，有助于准确完成钻头选型工作，使钻头能够良好的匹配地层岩性，进一步有效增加钻头碎岩效率，提高使用寿命。因此，开展东昆仑矿区强研磨性地层岩石物理力学性质研究十分必要且很迫切。

为了更好地掌握东昆仑成矿带强研磨性地层物理力学特性，采用现场调研、样品采集并进行室内实验的技术方案，从哈日扎、沱沱河、沟脑、五龙沟和铜金山等7个矿区的不同钻孔、不同孔深取样42组，开展岩石矿物薄片显微分析及鉴定工作，分析岩石的矿物组成、结构。在此基础上研究岩石的硬度、研磨性等，以期为后续设计优化适用于东昆仑强研磨性地层的高效钻头提供岩石学方面的依据。

1 区域地质背景

青海东昆仑属于秦祁昆成矿域[4]，位于青海省中西部。该区域构造活动频繁且多期叠加[5]。矿区强研磨性地层岩石以花岗岩为主，可见英云闪长岩、石英安山岩、花岗质碎裂岩、糜棱岩、千枚岩、二长片岩、石英砂岩及灰岩等。花岗岩岩石样品中长石以及石英含量占比很高，两者占比可到达岩石矿物80%～90%，初步推断，石英及长石含量较高是造成部分矿区花岗岩岩石研磨性较强的一个重要因素。

2 地层岩石硬度

岩石的硬度尤其是压入硬度指标，更能反映钻进过程中的实际情况[6]。本次实验仪器为HYY-B岩石压入硬度仪，选用具有代表性、完整、无明显裂痕的岩心，岩样尺寸为直径50 mm×50 mm，运用公式(1)计算岩石硬度指标：

(1)

式中：Hy为压入硬度值，MPa；P为岩石发生破碎时的压力值，N；S为压头的底面积，mm2。

在岩样上间隔一定距离取点进行试验，得到的岩石压入硬度试验结果见表1。采取的岩石的硬度等级集中在5～8级，岩石硬度相对较高。其中1、3、7、15、18、21号6组岩石石英含量均超过30%，长石含量60%以上，矿物粒径较小，且长石中多见紧密的聚片双晶结构，岩石硬度等级达到8级，相对较硬。8号岩石石英含量较低，1%左右，且岩石中多含有生物碎屑，硬度等级为5级，中硬。综合分析可看出，岩石中石英及其他坚硬矿物含量愈多，矿物颗粒越细，结构越致密，则岩石的硬度相对较大(见图1)。

图1 青海东昆仑成矿带强研磨性地层岩石照片

表1 岩样压入硬度试验结果及硬度分级

3 地层岩石研磨性

本文采用标准件测定法，并选取钻磨的方法使岩石和标准件产生摩擦。所用的标准件是直径8 mm、长度70 mm的钢杆，硬度为HB≈250，含碳量0.9%，不淬火。此钢杆一段为实心，另一端上有直径为4 mm、深10 mm的小孔。根据试验要求，在试验前，应将岩石表面进行抛光磨平处理，减少对磨件的磨合时间，降低试验的偶然误差。试验时，施加的正压力为150 N，转速为400 r/min，钢杆作为“钻头”，在岩石端面处钻进10 min，以钢杆的损失重量平均值作为岩石研磨性指标。

根据研磨性试验原理，研磨性指标用A表示，计算公式(2)是：

(2)

式中：qi为每根钢杆试验后两端损失重量之和，mg；n为试验钢杆根数。

按研磨性指标A将岩石分成8级，将试验所得出的岩石研磨性数据统计列出(见表2)。采取的岩石的研磨性等级集中在Ⅳ-Ⅵ级，岩石的研磨性相对较强。沱沱河孔莫陇矿区采取的8号岩石样品为含生物屑砂屑微晶灰岩，方解石含量98%，石英含量仅1%，研磨性Ⅳ级，中等研磨性。哈日扎矿区3号矿物长石含量53%，石英35%，为交代残余及鳞片花岗结构，研磨性Ⅵ级，强研磨性。综合分析可看：出如果岩石中的矿物成分中具有高硬度的颗粒(如石英)，随着石英含量的增高，随着石英矿物的均布性加大，则其研磨性加大，或者组成岩石的胶结物性质不同，也会明显地影响着岩石的研磨性。在岩石中，石英颗粒的形状与尺寸也对岩石研磨性起着影响，即使石英含量相同，但如颗粒形状不同、粒径不同、配比的均匀度不同，则表现的研磨性也有很大的差异。

表2 岩石研磨性试验结果统计及研磨性分级

4 结 语

1)岩石样品硬度大多在5～8级之间，平均硬度在7级左右，岩石的硬度相对较高。结合岩石薄片分析认为，岩石中石英及其他坚硬矿物含量愈多，矿物颗粒越细，结构越致密，则岩石的硬度相对较大。

2)岩石研磨性实验表明，岩石的研磨性等级集中在Ⅳ-Ⅵ级，岩石的研磨性相对较强。岩石中石英等高硬度颗粒含量增高，均布性加大，研磨性加大；岩石的胶结物性质、颗粒的形状与尺寸亦是影响岩石研磨性的重要因素。