青海野馬泉礦區(qū)巖石可鉆性的分析和應(yīng)用

段隆臣，劉 鵬，高元宏，徐國輝

(1.中國地質(zhì)大學(xué)〈武漢〉工程學(xué)院，湖北 武漢430074;2.青海省巖心鉆探工程技術(shù)中心，青海 西寧810000)

0 前言

青海省野馬泉礦區(qū)屬柴達(dá)木盆地西南緣半干旱荒漠化草原區(qū)，位于東昆侖山脈西段?？傮w地勢南高北低，南部為淺山，北部為平原區(qū)，平均海拔3900 m。區(qū)內(nèi)上部覆蓋層主要為第四系沖積物、洪積物、風(fēng)積砂、強風(fēng)化花崗巖和砂礫巖等，厚度40.0～160.0 m不等。覆蓋層以下的常見巖層為矽卡巖、泥碳質(zhì)灰?guī)r、碳質(zhì)灰?guī)r、結(jié)晶灰?guī)r、花崗閃長巖、二長花崗巖、大理巖、硅化大理巖等。由于該區(qū)地質(zhì)作用強烈，破碎、裂隙地層所占比例較高。在前期的鉆探施工中，鉆頭的壽命普遍不高，鉆探成本高。為了提高鉆進(jìn)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，需要了解該區(qū)的巖石可鉆性，以進(jìn)行鉆頭的優(yōu)選。

常用的巖石可鉆性測試方法有巖石力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)法、實際鉆進(jìn)速度法、模擬鉆進(jìn)速度法和碎巖比功法等［1、2］。由于該區(qū)大部分地層裂隙發(fā)育，所取得的巖心難以進(jìn)行巖石力學(xué)性質(zhì)測試或微鉆試驗。因此，常用的力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)法難以采用。研究發(fā)現(xiàn)［3、4］，確定巖石中的石英含量、石英粒度、長石含量、長石粒度等4個指標(biāo)，通過計算可以初步得出巖石的可鉆性，用于金剛石鉆頭的選型。

1 室內(nèi)試驗

由圖1巖樣圖片可以看出，該礦區(qū)巖石比較破碎，難以用常規(guī)力學(xué)實驗得出巖石的可鉆性。但通過計算可初步得出巖石的可鉆性［5～7］。通過薄片分析進(jìn)行巖石定名、確定礦物粒徑;并通過XRD半定量測試確定巖石中礦物的含量［8］。

1.1 薄片分析

通過巖石薄片分析法進(jìn)行巖石定名、結(jié)構(gòu)分析等。顯微鏡下的巖石薄片(偏光鏡)如圖2和圖3，定名后巖石如表1所示。根據(jù)薄片分析，可以大致了解野馬泉礦區(qū)各個孔段的巖石名稱以及礦物粒度，詳細(xì)的礦物含量分析通過XRD測試確定。

從圖2、圖3中可以看出，4、6、7、8、10號巖樣中礦物質(zhì)的粒度均較大，1、2、3、5、9、11、12號巖樣晶粒都比較細(xì)，計算巖石可鉆性需要測定上述巖石中各個礦物的含量。

圖1 現(xiàn)場巖樣圖片

圖2 顯微鏡下巖石薄片1(偏光鏡)

1.2 XRD 檢測

巖石樣品在德國Bruker AXS D8－Focus X射線衍射儀上進(jìn)行物相半定量分析。測試條件:CuKα射線，Ni濾波，40 kV，40 mA，LynxEye192 位陣列探測器，掃描步長 0.01°2θ，掃描步速 0.05 s/步;環(huán)境條件:溫度24℃;濕度36%。

XRD檢測結(jié)果如表2所示。

1.3 可鉆性分級

中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)工程學(xué)院巖石可鉆性實

圖3 顯微鏡下巖石薄片2(偏光鏡)

表1 巖石名稱及結(jié)構(gòu)表

表2 XRD檢測表 /%

驗室在全國范圍內(nèi)收集了96種巖石，進(jìn)行了一系列的試驗研究，并研究了巖石的組成結(jié)構(gòu)和巖石表面性質(zhì)之間的關(guān)系。通過薄片分析和XRD測試確定礦物含量、結(jié)構(gòu)和粒度;通過研磨性試驗和硬度試驗，得出了在一定條件下巖石的研磨性和硬度等巖石表面性質(zhì)與巖石主要礦物含量、巖石結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，得出了試驗數(shù)據(jù)，并建立了模型［9］。

在建立的模型的基礎(chǔ)上，在巖石類別相同的情況下，只需要測定待測巖樣的石英含量、石英粒度、長石含量、長石粒度等4個指標(biāo)，即可計算得到待測巖樣的可鉆性級別［10］。1、9號巖樣中沒有石英和長石，采用HRC55的鋼鋸條刻劃測定;其它巖樣采用模型計算得出?？摄@性級別如表3。

表3 所取巖樣可鉆性級別

2 鉆頭初步優(yōu)選試驗

青海野馬泉礦區(qū)在以往的鉆探生產(chǎn)中，鉆頭平均壽命在40 m左右，在確定了青海野馬泉礦區(qū)巖石可鉆性的條件下，結(jié)合礦區(qū)大壓力、高線速度的施工工藝條件，設(shè)計并制造了一批試用鉆頭，進(jìn)行現(xiàn)場試鉆。

2.1 試驗一

在ZK8017進(jìn)行試驗，設(shè)計孔深300 m，終孔口徑75 mm;鉆機(jī)采用北京天和眾邦YDX－3A型全液壓動力頭鉆機(jī);采用金剛石繩索取心鉆進(jìn);鉆壓20 kN，轉(zhuǎn)速 840 r/min，泵壓 1.5 MPa，泵量 65 L/min;采用胎體硬度HRC30的孕鑲金剛石鉆頭;平均鉆進(jìn)壽命217 m，平均機(jī)械鉆速6 m/h。

鉆頭使用后在基恩士表面形貌儀下的形貌觀察如圖4，由于胎體硬度較大，胎體對金剛石的包鑲能力好;如圖5所示，金剛石出刃高度通常在172 μm左右，很少存在金剛石脫落現(xiàn)象，鉆頭壽命長，但是金剛石出刃較慢，磨鈍的金剛石不容易脫落，導(dǎo)致機(jī)械鉆速較低。

圖4 HRC30金剛石鉆頭表面形貌

圖5 HRC30鉆頭金剛石出刃高度圖

2.2 試驗二

在相同的工藝條件下進(jìn)行，采用了胎體硬度HRC20的孕鑲金剛石鉆頭，平均鉆進(jìn)壽命150.4 m，平均機(jī)械鉆速8 m/h。通過圖6可以發(fā)現(xiàn)，金剛石掉落比較嚴(yán)重，掉落后留下的凹坑深有289 μm，如圖7所示;由于胎體硬度較小，胎體對金剛石的包鑲能力較弱，金剛石出刃快，機(jī)械鉆速高，但是鉆頭壽命較短。

圖6 HRC20金剛石鉆頭表面形貌圖

圖7 HRC20鉆頭金剛石出刃高度圖

2.3 試驗三

采用了胎體硬度HRC25的孕鑲金剛石鉆頭，平均鉆進(jìn)壽命184.2 m，平均機(jī)械鉆速7 m/h。從圖8和圖9中可以看出，金剛石出刃高度在220 μm左右，很少存在非正常掉落情況。

圖8 HRC25金剛石鉆頭表面形貌圖

圖9 HRC25鉆頭金剛石出刃圖

2.4 小結(jié)

通過野馬泉礦區(qū)野外試鉆，發(fā)現(xiàn)HRC30的金剛石鉆頭壽命長，但是機(jī)械效率較低;HRC20的金剛石鉆頭機(jī)械效率高，但是壽命較短;綜合考慮，選用HRC25的金剛石鉆頭最能滿足施工單位高效長壽命的要求。

3 結(jié)論

(1)巖石可鉆性分級是一個復(fù)雜的課題，研究它的目的在于指導(dǎo)生產(chǎn)。在建立有數(shù)據(jù)庫的情況下，通過計算和比對，簡便易行，能夠取得工程實踐滿意的結(jié)果。

(2)在有限的條件下，例如巖樣小、巖石不規(guī)則等特征情況下，可以利用巖石的組成、結(jié)構(gòu)等因素，得出巖石的可鉆性。巖石雖然有地域性的差異，但是計算確定的巖石可鉆性可以達(dá)到指導(dǎo)鉆頭選型的目的。

(3)對于生產(chǎn)單位而言，鉆進(jìn)效率和鉆頭壽命一樣重要，可以通過調(diào)整胎體硬度或相關(guān)力學(xué)性質(zhì)來實現(xiàn)。在實驗室研究時可用基恩士表面形貌儀觀察金剛石的出刃，了解胎體對金剛石的包鑲能力。通過室內(nèi)外試驗找到了適合野馬泉礦區(qū)胎體硬度等力學(xué)性質(zhì)的合理值。它既能滿足高效率，也能滿足長壽命的要求。

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