河南鋁土礦勘探高肋骨PDC鉆頭雙管鉆探工藝探討

潘廣燦， 張金來

(河南省有色金屬地質(zhì)礦產(chǎn)局第四地質(zhì)大隊，河南鄭州 450016)

河南省鋁土礦主要分布于京廣鐵路以西的地區(qū)，北界從修武到山西垣曲，大致平行于豫晉邊界，長約150km，自垣曲向西南經(jīng)夏縣、平陸南部到陜縣長約74km;南界從平頂山北至三門峽一線，長約200km，河南省是我國重要的鋁土礦資源基地之一(袁躍清，2005)。鋁土礦是國民經(jīng)濟發(fā)展的重要資源，隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，對鋁資源的需求在不斷增加，作為鋁土礦大省的河南近年不斷加大省內(nèi)鋁土礦資源的勘查力度。近三年來我單位在河南完成鋁土礦勘探進尺3萬余米，在勘探過程中發(fā)現(xiàn)采用普通合金鉆探、繩索取心鉆探及普通金剛石雙管鉆進鉆探工藝時，施工事故率高、效率低，而采用高肋骨PDC鉆頭雙管鉆探工藝取得了較好的效果，通過對比分析提出了在河南鋁土礦勘探中采用高肋骨PDC鉆頭雙管鉆探工藝的適宜性，特提出與同行交流。

1 河南鋁土礦勘探地層特點

河南鋁土礦成礦時代一般與上覆地層的時代一致，大多數(shù)學(xué)者認(rèn)為河南鋁土礦屬于中石炭本溪組，也有學(xué)者認(rèn)為屬于上石炭統(tǒng)的太原組(趙錫巖等，2002)。本溪組地層發(fā)育鋁土礦、粘土礦、粘土頁巖、鐵質(zhì)粘土巖等。上石炭系太原組主要巖性有下部的生物碎屑灰?guī)r、中粗粒砂巖、鋁土礦;中上部為粘土巖、粘土質(zhì)頁巖、炭質(zhì)頁巖、砂巖、灰色泥巖等，鋁土礦是一套含鐵富鋁的粘土巖組合，礦體呈似層狀、透鏡狀、溶斗狀產(chǎn)出，一般為單層，連續(xù)性與基底起伏情況和構(gòu)造變化情況有關(guān)。礦石主要由硬水鋁石組成，礦石結(jié)構(gòu)以豆鮞狀、致密狀、蜂窩狀為主，具有高鋁、高硅、低鐵的特點。上覆巖層還有二疊系下統(tǒng)山西組(底部為炭質(zhì)頁巖夾薄層砂巖;中下部為砂巖，底部常含礫石，稱‘大占砂巖’;上部為灰黑色砂質(zhì)頁巖、炭質(zhì)頁巖、煤層及煤線，含煤1～3層等)、二疊系下統(tǒng)下石盒子組(主要由砂巖、泥巖和煤層等組成)(陳旺，2007)。巖性一般為軟－中硬不等粘土巖、泥巖類，部分巖層因硅化的原因可鉆性較差，巖層中的粘土類巖在遇水時易膨脹，孔壁不穩(wěn)定。

2 鋁土礦勘探常見鉆探工藝

鋁土礦勘探常見的鉆探工藝是普通合金鉆探、繩索取心鉆探和普通金剛石雙管鉆探。

普通合金鉆進優(yōu)點是工藝技術(shù)易掌握。研磨材料為硬質(zhì)合金(八角柱狀)，為適應(yīng)不同物性巖石的鉆進效率，主要從改變鉆頭體結(jié)構(gòu)參數(shù)，合金形狀及鑲焊角度。但普通合金鉆探工藝轉(zhuǎn)速低，合金硬度不適宜礦區(qū)部分硅化的巖層，材料消耗大，巖心采取率低，鉆進時效低(焦映輝等，2010)。通過試驗百米事故率1.02%，月進尺200m左右。

繩索取心鉆探由于具有特殊的鉆具結(jié)構(gòu)及取心方法，鉆探轉(zhuǎn)速大、巖心采取率高，尤其適用于礦體埋藏較深的鉆孔，具有勞動強度低、鉆探效率高等優(yōu)點，但是，繩索取心鉆探工藝的鉆桿和鉆具直徑接近，使用φ71mm、φ50mm的繩索取心鉆桿，施工鉆孔孔徑一般為φ76mm、φ56mm(朱永寧等，2007;王偉，2008;中華人民共和國地礦部，1983;王文忠，2006)，繩索取心鉆桿和孔壁的間隙一般為2～3mm，而鋁土礦勘探所鉆粘土類巖層在遇水時一般易產(chǎn)生膨脹，孔壁巖層及巖屑極易粘附鉆桿，造成孔內(nèi)泥漿排渣不暢，發(fā)生卡鉆事故。通過試驗:在河南鋁土礦勘查鉆探過程中采用繩索取心鉆探工藝百米事故率達0.98%，事故率偏高，月進尺為245m左右。

普通金剛石雙管鉆進，特別是采用了人造電鍍金剛石鉆頭鉆進，因其金剛石對軟、硬地層有較好的適應(yīng)性(長春地質(zhì)學(xué)院等，1977)，鉆探轉(zhuǎn)速大，可以解決鋁土礦區(qū)部分硅化的巖層鉆進效率低的問題，采用雙管鉆進可以使巖心采取率增高，同時由于鉆桿比鉆具直徑小，使用φ42mm、φ50mm的鉆桿、鉆孔孔徑一般為φ50mm、φ60mm，鉆桿和孔壁的間隙為5mm左右，明顯比繩索取心鉆具大，粘土類巖層膨脹而使鉆桿粘附孔壁的可能性明顯降低，但鉆具和孔壁的間隙很小(約1～2mm左右)，鉆具仍較易粘附孔壁、泥漿排渣仍不夠暢通，一旦泥漿性能有所下降或泥漿排渣能力有所下降同樣容易發(fā)生卡鉆事故。通過試驗:百米事故率達0.78%，事故率仍然有些高，月進尺為280m左右。

3 高肋骨PDC鉆頭雙管鉆探工藝

聚晶金剛石復(fù)合體(Polycrystalline Diamond Compacts簡稱PDC)是0.1mm至數(shù)毫米厚的金剛石微粉與1mm至數(shù)毫米厚的硬質(zhì)合金基體(襯底)在超高壓高溫條件下復(fù)合而成的超硬復(fù)合材料。該材料具有金剛石的耐磨性和強度以及硬質(zhì)合金基體材料的韌性和可焊接性，是一種優(yōu)良的切削工具與耐磨材料，廣泛地用于機械加工工具、石油與地質(zhì)鉆頭、砂輪修整工具等(陳石林等，2004)。PDC鉆頭是美國石油鉆井界70年代末到80年代初的一項重大技術(shù)成就，我國從80年代中后期開始引進和生產(chǎn)PDC鉆頭，90年代得到推廣應(yīng)用，它給石油鉆井技術(shù)帶來劃時代的進步(錢書紅，2003);因而廣泛用于地質(zhì)、石油及煤田鉆探中，在軟至中硬巖層中獲得了非常好的使用效果(羅德等，2010)。PDC鉆頭是復(fù)合聚晶金剛石切削鉆頭，是以大切入量的切削方式鉆進，一般認(rèn)為，PDC鉆頭破碎巖石的方式是以切削破碎、剪切破碎為主，擠壓破碎為輔，這種切削作用與金屬切削類似，在軸向荷載和水平荷載作用下，對于硬度較小的彈－塑性巖石，鉆頭的復(fù)合片切削刃極易吃入地層，同時切削刃前的巖石在扭轉(zhuǎn)力(切向力)的作用下不斷產(chǎn)生塑性流動而實現(xiàn)切削破碎(李田軍等，2011)。此類鉆頭的碎巖機理與硬質(zhì)合金鉆頭的很相近，其主要不同點是切削具與所鉆巖石的硬度差大于硬質(zhì)合金與巖石的硬度差，硬度差大對于破碎巖石十分有利。PDC鉆頭的切入量較大，目前都按硬質(zhì)合金鉆頭破碎巖石機理分析孔底碎巖過程，如圖1。

圖1 破碎巖石機理Fig.1 Mechanism of crushing rock

PDC鉆頭因其效率高、壽命長而廣泛用于煤田地質(zhì)勘探孔、爆破孔、瓦斯抽防孔、抽排水孔及錨桿錨索孔，尤其在中硬均質(zhì)巖層中獲得了較好的技術(shù)經(jīng)濟效益。但現(xiàn)有普通PDC鉆頭在鉆進粘土類巖等中軟巖層時，存在糊鉆、鉆進效率低的問題，PDC鉆頭的應(yīng)用范圍和應(yīng)用量也受到限制，適當(dāng)增加PDC片的出刃高度，有利于排粉(李鎖智，2002)。高肋骨PDC鉆頭就是增加了PDC鉆頭端部肋骨復(fù)合片的出刃高度，將高肋骨PDC鉆頭引進到鋁土礦巖心鉆探也是一種有益的嘗試。高肋骨PDC鉆頭雙管鉆探工藝主要是將常規(guī)金剛石雙管鉆探工藝的普通金剛石鉆頭更換為高肋骨PDC鉆頭，由于高肋骨PDC鉆頭的肋骨復(fù)合片出刃大，成孔后鉆具與孔壁間隙也大(可達到5mm左右)，明顯降低鉆具與孔壁間的粘附力，并能明顯提高泥漿的排渣能力;同時雙管取心使巖心采取率也較高。通過試驗采用高肋骨PDC鉆頭雙管鉆探工藝能明顯地提高鉆探效率，百米事故率為0.35%，明顯降低了孔內(nèi)事故率，月進尺為400m左右。

3.1 高肋骨PDC鉆頭雙管鉆探工藝要點

(1)高肋骨PDC鉆頭雙管鉆探工藝一般適用于抗壓強度不太高的(低于68.9MPa)軟－中硬巖層，如泥巖、砂巖、以泥質(zhì)膠結(jié)為主礫巖、膏巖和灰?guī)r(如二疊系、石炭系地層)等，泥巖成分占巖石總量的40%以上時，應(yīng)用高肋骨PDC鉆頭雙管鉆探工藝效果最好。

(2)采用高肋骨PDC鉆頭雙管鉆探工藝時應(yīng)配備性能較好的泥漿。鋁土礦勘探時二疊系及石炭系地層中水敏性地層多，遇水易膨脹，鉆進時為保持孔壁穩(wěn)定，應(yīng)采用相應(yīng)的化學(xué)泥漿進行護壁。以下泥漿性能指標(biāo)可以作為參考:密度＜1.10g/cm3;漏斗粘度＜22s;固相含量＜12%;pH值8～9;失水量＜15ml/30min;泥皮厚度＜0.50mm;含砂量＜1%。泥漿性能指標(biāo)選定后，鉆進中要經(jīng)常測試、調(diào)整和維護。對于吸水膨脹縮徑地層，在泥漿中加大降失水劑和抑制劑用量。對于坍塌性地層，加入護壁劑，改善泥漿性能;對于漏失層，應(yīng)降低泥漿密度，添加骨架材料，必要時采用壓力注漿等方法封堵。泥漿維護的關(guān)鍵是控制泥漿的失水量，含砂量和固相含量可采用自然沉降、機械除砂、除泥和化學(xué)絮凝相結(jié)合的方法，使泥漿含砂量和固相含量控制在允許范圍內(nèi)。

(3)解決好鋁土礦層取心問題。鋁土礦的礦心采取比較困難，在礦層取心時采用小規(guī)程鉆進參數(shù)，配合“兩限、一補、一清潔”的鋁土礦層打礦措施，即限制礦層進尺0.5～0.8m，限制內(nèi)管長0.8～1.2m，當(dāng)?shù)V層及頂?shù)装寤卮尾扇÷实陀?5%時，須及時補取做到孔內(nèi)清潔，沉砂＜0.3m。掌握好“兩輕、一不準(zhǔn)”，即輕提、輕放，不準(zhǔn)在打墩鉆的礦層中提鉆，使取心質(zhì)量得到保證(楊平，1991)。

(4)高肋骨PDC鉆頭切削齒復(fù)合層厚度愈大，切削齒受到破壞的可能性就會愈小，鉆頭的壽命增加，但鉆頭切入地層所需的壓力也相應(yīng)增加，否則切削齒切入地層愈困難，勢必會影響鉆頭的性能。選擇合適的復(fù)合層厚度是鉆探效率提高的一個重要因素(周龍昌，2004)。通過對鋁土礦地層鉆探分析得出高肋骨鉆頭切削齒復(fù)合層厚度宜在5mm左右。

(5)鉆速一般應(yīng)根據(jù)不同地層進行調(diào)整。因為在鉆進過程中鉆頭的磨損速度隨鉆頭鉆速的增加而增加，當(dāng)鉆速達到一定速度后鉆頭磨損會急劇增加，反而會使鉆頭的壽命縮短，因此鉆進過程中應(yīng)控制一定的鉆速(楊俊德等，2003)。在河南鋁土礦勘探時鉆速可按80～100r/min控制。

(6)在使用高肋骨PDC鉆頭時，應(yīng)保證鉆孔直徑與鉆頭直徑一致，避免高肋骨PDC鉆頭直徑比鉆孔直徑大而在孔壁上劃眼，下鉆時應(yīng)以沖放為主，轉(zhuǎn)動為輔。

(7)高肋骨PDC鉆頭下入前，應(yīng)保證孔內(nèi)干凈，不得有金屬殘留物及其它異物存在，以防止PDC鉆頭復(fù)合片損壞。在鉆頭和巖石相互作用的開始階段，由于巖石表面是光滑的自由面，巖石內(nèi)部沒有應(yīng)力隨著時間的增大巖石破碎緩慢增加當(dāng)鉆頭和巖石的接觸超過一定時間后巖石內(nèi)部裂紋已經(jīng)發(fā)展充分，鉆頭切削齒之間和射流之間的相互影響逐漸明顯，促使破碎速度明顯，增加隨著井底形狀的穩(wěn)定，巖石表面成梳齒狀或階梯狀破巖效率明顯大于鉆頭和巖石相互作用的開始階段鉆頭破巖的速度逐漸穩(wěn)定(汪志明等，2007)。高肋骨PDC鉆頭下到井底后，首先上提1m左右，輕壓慢轉(zhuǎn)，進行人工孔底造型，當(dāng)磨合鉆進0.5m后再按正常鉆進工藝參數(shù)鉆進(吳小建等，2006)。

(8)在使用高肋骨PDC鉆頭鉆進過程中，遇到破碎的地層時，應(yīng)適當(dāng)降低鉆壓，防止鉆頭復(fù)合層損壞從而影響鉆頭使用壽命，等鉆穿破碎地層后再正常鉆進。

(9)在PDC鉆頭使用后期因復(fù)合片磨損較多而不易切入地層時，可適當(dāng)提高鉆壓并維持較高的鉆速(閆永輝，2006)，這樣能在一定程度上提高鉆進效率。

(10)遇到下列情況之一應(yīng)提鉆:地層變化不大而機械鉆速和轉(zhuǎn)盤扭矩明顯升高或下降;有連續(xù)滑卡或憋鉆現(xiàn)象，機械鉆速很低;鉆頭使用后期巖性無明顯變化而機械鉆速明顯下降。

3.2 高肋骨PDC鉆頭鉆探的缺點及預(yù)防

高肋骨PDC鉆頭由于有復(fù)合片的存在，使鉆具與孔壁間隙較大，在鉆進時易發(fā)生孔斜，尤其是在傾斜鉆孔施工中更難控制，經(jīng)過反復(fù)總結(jié)，在開始20～30m保持鉆孔角度至關(guān)重要，一般采用較低鉆壓并在鉆具后面配備一定的導(dǎo)向裝置來解決。

4 結(jié)論

河南鋁土礦勘探地層多為二疊系、石炭系軟－中硬巖層，這類地層在遇水時易膨脹(尤其是粘土巖類地層)，孔壁不穩(wěn)定，在這類地層勘探時采用普通合金鉆進(巖心采取率低、鉆機效率低—)、繩索取心鉆探工藝(鉆桿與孔壁間隙過小)及普通雙管鉆探工藝(鉆具與孔壁間隙過小)時鉆探效率均不高，采用高肋骨PDC鉆頭雙管鉆探工藝可有效加大鉆桿、鉆具和孔壁之間的間隙，能明顯降低鋁土礦勘探中鉆桿及鉆具粘附卡鉆事故率，巖心采取率高，鉆探效率明顯提高。在河南鋁土礦勘探中采用PDC鉆頭雙管鉆探工藝是適宜的，相信在其它省區(qū)相似鋁土礦勘探及粘土巖類地層鉆探時也可參考選用高肋骨PDC鉆頭雙管鉆探工藝，這有待進一步的驗證。

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