老挝纳勐铜多金属矿区坚硬“打滑”地层钻进方法

老挝纳勐铜多金属矿区坚硬“打滑”地层钻进方法
李锋;刘跳民;裴森龙;闫新亮;刘伯成
【摘要】在老挝纳勐铜多金属矿区存在一层坚硬致密的弱研磨性的“打滑”地层,钻头消耗极大,钻进效率极低,严重影响了施工进度.文章结合项目的生产实际情况,对钻进参数进行优化,选取适宜于该地层的金刚石钻头进行钻进试验,经过实践验证,大大提高了钻进效率,在该地层取得了良好的应用效果.总结了生产实践中取得的成功经验,对以后在该类型地层进行钻探施工,可以起到很好的指导作用.
【期刊名称】《矿产勘查》
【年(卷),期】2016(007)006
【总页数】5页(P1023-1027)
【关键词】坚硬打滑地层;齿轮钻头;老挝;纳勐铜多金属矿
【作者】李锋;刘跳民;裴森龙;闫新亮;刘伯成
【作者单位】北京中色资源环境工程股份有限公司,北京 100012;有色金属矿产地质调查中心,北京100012;有色金属矿产地质调查中心,北京100012;北京中色资源环境工程股份有限公司,北京 100012;北京中色资源环境工程股份有限公司,北京100012
【正文语种】中文
【中图分类】P634
2. 有色金属矿产地质调查中心，北京 100012)
老挝纳勐铜多金属矿位于老挝万象省赛松奔县东部29 km处,项目工作区海拔
890～1733 m，位于老挝最高山普比亚山(Phu Bia)(2819 m)东麓，为典型山地。

地势大体为北高南低，山高坡陡，沟壑纵横，植被发育，通行困难。

南边为东西向小型山间断陷盆地，该盆地受东西向基底地层控制，浮土广布。

气候为典型的热带季风型气候，分为旱季和雨季，雨季集中在4月中旬至9月下旬，进入雨季无法
进行钻探施工。

矿区主要地层情况：上部岩层主要为灰—深灰色厚层夹中厚层细粒结晶灰岩、巨
厚层条纹条带状灰岩，夹薄—中厚层白云质灰岩，含泥质灰岩、薄层结晶灰岩，
薄层含燧石条带灰岩，条纹条带状灰岩、水波纹状灰岩。

岩石层纹和条带状构造发育。

顺层普遍含铁泥质，水波纹状灰岩顺微层含砂泥质。

岩石具不同程度的蚀变、重结晶。

局部大理岩化、碳酸盐岩化、硅化。

主要含矿层为厚—巨厚层条纹状大
理岩化结晶灰岩，灰白色细—粗晶大理岩，灰色厚—中厚层细粒结晶灰岩，局部
夹薄层泥质灰岩。

岩石普遍具平行的、密集的泥质和硅质条纹。

结晶灰岩中普遍含燧石结核、碎块和团块。

灰岩中夹10～15 m厚的硅质岩，硅质岩中普遍具褐铁
矿化、黄铁矿化。

本段灰岩为矿区主要矿化层。

岩石具强烈蚀变：夕卡岩化、大理岩化等。

图1为岩芯照片。

矿区设计钻孔25个，总计4000 m，设计孔深200～500 m，钻孔倾角50°～75°。

主要设备配备情况：XY-44钻机两台，BW-150水泵两台，康明斯6105系列发
电机组两套，HQ及NQ系列绳索取芯钻具4套。

2.1 施工中存在的困难
施工钻孔在穿过上部灰岩地层后，存在一层厚度达三四十米的硅化带、石英脉、花岗岩相互交替地层。

该层位结构致密，极其坚硬、呈弱研磨性，属于明显的“打滑”地层。

目前施工情况，最低的钻进时效在0.2 m·h-1，平均钻进时效在1 m·h-1左右，钻头消耗异常快，平均钻头寿命只有10 m左右。

该坚硬层厚度10～40 m，由于钻头打滑进尺慢，耗费了大量的时间和材料，导致整个钻探施工周期延长。

如
果按照这个速度施工，难以在雨季之前结束施工任务。

同时施工成本大大增加，经济效益下降。

因此必须选用高效的钻头并且摸索出一套有效的钻进工艺参数，以解决该技术难题，否则完成不了当年的施工任务，会给整个项目进展造成巨大不利影响。

2.2 现有技术措施及效果
为了解决这个难题，一开始我们以大钻压和高转速钻进，但是没有取得理想的效果。

后又在下钻之前用砂轮对钻头进行打磨，使金刚石出刃，这样刚下钻进尺比较正常，但钻进几十厘米以后，进尺又开始变得很慢。

为了避免提钻再磨钻头，我们采用在井内投料磨钻头的方式：找一些质地坚硬、研磨性强的石英砂岩破碎成直径为2 mm左右的颗粒，当进尺出现明显缓慢的时候，打捞取芯，在投入取芯内管之前，往钻杆内投入石英砂颗粒，投砂量控制在填入孔底15 mm左右的高度。

然后采用低转速，高钻压，小泵量进行研磨，间隔2～3 min将钻具上下窜动几次。

经过这样磨锐之后，钻进速度可以明显加快，但也是在钻进几十厘米以后，又重新出现打滑不进尺的情况。

而且由于用石英砂磨钻头体，钻头消耗很快，施工不了几米就需要更换钻头。

这样虽然可以勉强钻进，但是成本较高，而且综合效率依旧很低。

孕镶金刚石钻头破碎岩石的机理是钻头表面的金刚石出刃，在钻压的作用下，当单颗金刚石上承受的钻压超过岩石压入硬度时，金刚石刻入岩石，随着钻头的回转，对岩石进行微切削[2]。

切削出来的粗颗粒岩粉又对钻头胎体进行研磨。

前一个过
程主要是切削破碎岩石，后一个过程主要是磨蚀胎体。

在研磨性磨损过程中，不但研磨了岩粉，而且消耗了钻头胎体，使里层金刚石出刃。

里层金刚石出刃后就又可以对岩层进行切削破碎。

这两个过程相辅相成，相互促进，缺一不可。

由于“打滑”地层坚硬致密，岩石的压入硬度要比一般岩层高出许多，因此在坚硬“打滑”地层中金刚石进入岩石深度很小，所以钻头回转过程破碎岩石的量很少，产生的岩粉也很细，钻头胎体得不到应有的磨蚀，钻头表面金刚石颗粒很难出刃，钻头就在岩层
表面形成打滑不进尺。

由于“打滑”地层的岩石极硬，保持金刚石出刃的形状和足够的比压使刃部压入岩石是进行良好的切削破碎的必要条件。

影响比压的主要因素是钻压、钻头底唇面工作面积及金刚石浓度[5]。

提高比压主要有以下3种方式：一是提高钻压。

但钻压的大小要受到钻机、钻杆及钻具能力的制约。

二是降低钻头唇面面积。

三是减少钻头底面分布的金刚石颗粒数，使单个颗粒的比压增大。

影响钻头出刃的主要因素是钻头胎体硬度和金刚石颗粒大小及品级等。

胎体的硬度越低则越容易被岩粉磨损掉，金刚石颗粒的粒度越小则需要磨蚀它所需的岩粉颗粒粒度也就越小。

此外好的金刚石品级耐磨性好，相对寿命就长，胎体就可以有相对充足的磨蚀时间。

对坚硬“打滑”地层的特点及钻头碎岩机理进行分析后，结合现场条件我们从钻头选型和钻进技术参数这两个方法进行了改进。

4.1 钻头选型
钻头底唇面形状：金刚石钻头胎体底唇外形对钻进影响很大[4]。

之前使用的钻头底唇为平底型，金刚石自锐出刃缓慢，进尺也很慢。

底唇外形为尖齿、齿轮、高低齿型的，在同等钻压条件下了，大大减小了钻头胎体和岩石的接触面积，从而增大了克取岩石的比压。

钻头胎体硬度：在坚硬岩层钻进中，为了便于金刚石出刃，应该选择较低的胎体硬度，一般选用的胎体硬度为HRC15左右。

根据现场情况最终选用了核工业260厂生产的齿轮型钻头(图2)，该钻头底唇接触面小，比压大，下钻前不需要磨削，可以满足技术要求。

4.2 钻进参数
4.2.1 钻压
按照钻探施工工艺要求，在钻进坚硬致密的“打滑”地层时应尽可能采用较高的钻
压，以达到切入破碎岩石的目的[1]。

但是如果钻压过大会使钻杆弯曲，反而会导致孔底实际压力不确定。

如果钻机施加于钻杆的压力大于钻杆柱稳定能承受的临界压力，钻杆发生了弯曲，钻进压力就不能完全通过钻杆柱传递到孔底，一部分压力消耗在了孔壁，孔底的实际压力就很难确定。

钻进回转过程中，由于钻杆弯曲加大了和孔壁的摩擦，消耗了大量的功率，破坏了孔壁，进而也会造成钻孔弯曲和钻杆过度磨损。

采用齿轮钻头钻进，齿面会随着钻进不断磨损，底唇面和孔底的接触面积不断增大，因此要不断增加钻压，才能保持较好的钻速。

因此在施工中要首先保证钻杆和钻具垂直不弯曲，压力尽量从小开始，再根据孔深及钻杆柱刚度情况逐步调节，找到最适合的钻压，不然会适得其反。

4.2.2 转速
转速不宜过快，由于在坚硬致密岩层中，金刚石切入量比较小，过快的转速容易造成金刚石过度磨损、抛光，发生人为打滑现象[4]。

转速应控制在300 r/min-1左右。

4.2.3 泵量
该坚硬致密地层钻进中产生的岩粉较少，因此，采用较小的泵量就可以达到冷却钻头的目的。

过大的泵量会使孔底岩粉冲洗的比较干净，不利于岩粉磨蚀钻头胎体，新鲜金刚石更不容易出刃。

因此最终综合采用了中高钻压，低转速，低泵量的钻进工艺参数。

平底型钻头和齿轮钻头的施工指标见表1、表2，使用效果对比见图3、图4。

胎体硬度：10～15;平均时效:1.26 m·h-1 ;平均寿命:36.20 m;单价:510元/个；经济指标：(时效×寿命)/单价为0.09。

胎体硬度：10～15；平均时效：2.59 m·h-1; 平均寿命：21.20 m;单价：460元/个;经济指标：(时效×寿命)/单价为0.12。

比较发现，使用齿轮状钻头以后，平均时效是之前的2倍，钻头经济指标提高
30%。

更换了钻头和采用了改进后的钻探施工工艺后，钻探效率明显的提高，使我们在雨季到来之前顺利完成了设计的钻探任务。

总计完成进尺4208 m，平均月台效636 m。

完成钻孔数据见表3。

通过优化钻头选型和改进钻进工艺参数，提高了生产效率，说明针对坚硬“打滑”地层采用恰当的施工工艺和适宜的钻头可以有效地解决这类地层的问题。

但是通过对比也发现，齿轮钻头的寿命相对于平底钻头要短。

只是由于本次施工钻孔平均孔深较浅，所以提钻等辅助时间相对影响不明显。

以后加高钻头的工作层、选用高等级的金刚石以提高钻头寿命。

其次在国外施工，尽量多准备一些适用性比较强的钻头，以避免由于材料缺乏在当地无法购买带来的不利影响。

【相关文献】
[1] 刘广志.金刚石钻探手册[M].北京:地质出版社,1991.
[2] 鄢泰宁,孙友宏,彭振斌,等.岩土钻掘工程学[M].武汉:中国地质大学出版社,2001.
[3] 张丽,杨凯华.金刚石钻头钻进坚硬致密弱研磨性岩层的研究现状与进展[J].金刚石与磨料磨具工程，2003，(1)：30-32.
[4] 罗文来,张延军,李运海,等.打滑岩层回转钻进采用低工艺规程初探[J].探矿工程(岩土钻掘工程)，2010,37(7):4-8.
[5] 孙秀梅,刘建福.坚硬“打滑”地层孕镶金刚石钻头设计与选用[J].探矿工程(岩土钻掘工程)，2009,36(2):75-78.。