新型鎢合金鍍層防堵巖芯管的研究和應用

歐陽志勇，秦承春

（1.北京探礦工程研究所，北京100083；2.山東省第七地質礦產勘查院，山東臨沂276006）

新型鎢合金鍍層防堵巖芯管的研究和應用

歐陽志勇*1，秦承春2

（1.北京探礦工程研究所，北京100083；2.山東省第七地質礦產勘查院，山東臨沂276006）

具有高表面硬度、耐磨性和耐腐蝕性能的鎢合金鍍層技術，應用于生產繩索取芯巖芯管，在山西、山東、四川等破碎地層鉆探施工中，延長巖芯管壽命，增加回次長度，降低勞動強度，因而提高了鉆探效率。

鎢合金鍍層；巖芯管；破碎地層；回次長度

北京探礦工程研究所在2014年基于鎢合金鍍層技術研制和開發了新型繩索取芯巖芯管，用于硬脆碎地層取芯鉆探施工。鎢合金內鍍層巖芯管應用于山西、山東和四川等多地的繩索取芯鉆探施工中，取得了顯著的技術經濟效果，有效地減少了巖芯堵塞，提高了取芯回次長度，增加了打撈巖芯的時間間隔，降低了工人勞動強度，延長了純鉆進時間，因此提高了破碎地層鉆探的臺月效率。

1　鎢合金鍍層技術

1.1簡介

20世紀60年代，美國開始金屬表面電鍍鎢合金的研究，20世紀70年代開始用于軍事工業，該技術于20世紀90年代在我國石油系統開始應用。

鎢合金鍍層金屬成分為：W：4%～8%，Ni：80%～90%，P：3%～14%，該合金為非晶態合金，具有長程無序、短程有序的組織結構，結構致密，各向同性，沒有晶界、位錯和缺陷，因此，鍍層合金具有顯微硬度高、耐磨性好、耐酸堿鹽腐蝕，且與基體材料結合好的特點。

鎢合金鍍層性能優異，而且電鍍工藝中電鍍液主要是鎳鹽和鎢鹽，與現在常用的金屬表面鍍硬鉻工藝相比，電鍍液不含六價鉻，工藝環保無污染，很有發展前景。

1.2鎢合金鍍層試樣技術性能指標

鍍層硬度：62～71（HRC）；

鍍層厚度：0.065～0.085mm；

表面粗糙度：Ra≤0.4μm；

耐蝕性：中性鹽霧實驗300h，鍍層無變化，5%Na2S溶液浸泡200h，鍍層無變化，堿性溶液浸泡200h，鍍層無變化；

耐磨性：（GCr15鋼球與試樣的摩擦副線性磨損量）鎢合金鍍層試樣磨損量比電鍍鉻試樣降低一倍以上，見表1。

表1　4種鍍層耐磨性實驗

2　礦區概況（以山西靈丘腰站鐵礦為例）

山西靈丘腰站鐵礦位于靈丘縣東14km腰站、喬莊一帶，區內地貌系中山區，地形切割強烈。本區大地構造位置處于華北地臺北緣、山西斷隆與燕山臺褶帶西端接壤地帶，經歷了多期變質、變形及巖漿侵位，形成一系列不同形態、不同方向、不同性質和不同期次的斷裂和北東向的褶皺。區內巖漿活動頻繁，從老至新依次有：五臺期變質石英閃長巖、呂梁期輝綠（玢）巖、燕山期花崗斑巖等。所以，礦區屬于典型的硬脆碎難鉆進地層，基本上全孔破碎，鉆進效率低下，事故多發。圖1為礦區表露破碎巖層，圖2、圖3為破碎巖芯。

3　鉆探工藝

3.1鉆探設計要求

圖1　礦區表露破碎巖層

圖2　破碎地層巖芯（ZK7201）

圖3　破碎地層巖芯（ZK6802）

2014年山東省第七地質礦產勘查院在該礦區施工2個鉆孔ZK6802孔和ZK7201孔，均為礦產地質鉆探。ZK6802孔設計孔深為1100m，ZK7201孔設計孔深為1000m，終孔直徑75mm。2孔均為斜孔，孔斜78°，頂角偏斜不大于2°/100m，測量間距為50m。下套管后必須測斜，如有偏斜必須糾正。

3.2鉆探設備機具的選配

根據鉆孔設計要求并綜合考慮礦區地層情況、工期要求、鉆孔質量要求等因素，ZK6802孔使用阿特拉斯CS3001鉆機施工，配套使用BW160型泥漿泵；ZK7201孔使用CHU-5鉆機施工，配套使用BW160型泥漿泵。2臺鉆機均使用機臺自帶桅桿鉆塔。

鉆桿：?114mm繩索取芯鉆桿700m，?89mm繩索取芯鉆桿1200m，鐓粗加厚型?71mm繩索取芯鉆桿2500m。

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

鉆具：?150mm單管鉆具（0.5m）4套；長鉆具?150mm、?108mm、?91mm單管鉆具（4.5m）4套；?122mm、?96mm、?77mm繩索取芯鉆具8套。

3.3鉆孔結構設計

鉆孔施工嚴格按照《巖芯鉆探規程》（DZ/T0227-2010）之標準及地質設計要求進行。

根據腰站礦區區域地質構造、地層情況、巖性以及該礦區以往地質鉆探經驗等因素，并綜合考慮存在巖溶裂隙發育、斷裂破碎帶較多等情況，鉆孔結構做如下設計：

開孔采用?150mm復合片鉆頭，單管鉆進至30m左右穿過第四系地層，下入?146mm套管進行封堵；第一次變徑采用?122mm金剛石繩索取芯工藝鉆進至約320m，穿過巖溶裂隙發育地層，下入?108mm反絲套管封堵裂隙及溶洞；第二次變徑采用?96mm金剛石繩索取芯工藝鉆進至約500m，下入?89mm反絲套管；第三次變徑采用?77mm金剛石繩索取芯工藝鉆進至終孔。

3.4鉆孔完成情況

2孔鉆探施工均按照相關鉆探規程及地質設計要求、孔身結構設計完成，各項鉆探指標均符合設計要求。巖溶裂隙發育、斷裂破碎帶等復雜地層的鉆探及泥漿工藝不做贅述。ZK6802孔終孔孔深1129.16m，ZK7201孔終孔孔深1000.00m。

3.5現場鎢合金鍍層管情況

現場巖芯管試驗段采用?77mm/46mm金剛石鉆頭，試驗鎢合金鍍層巖芯管規格：?54mm×3×3000mm，基材采用鋼級DZ60冷拔鋼管，牌號：45MnMoB。

4　現場試驗效果

4.1提高回次進尺

試驗采取對比試驗方法，機臺每天白班（八點班）正常鉆進即開始對比試驗，普通巖芯管和鎢合金鍍層巖芯管交替使用，記錄巖芯情況和回次長度數據。

試驗數據記錄11d，共計32回次，試驗記錄統計見表2。

表2　試驗記錄統計表

從試驗記錄可以看出，鎢合金鍍層巖芯管在該礦區的使用效果非常明顯，在部分破碎巖石地層，回次長度提高50%，在破碎巖石地層，回次長度提高100%。

這次試驗后，在山東金礦勘探中小規模推廣應用鎢合金鍍層巖芯管，鉆孔巖層裂隙和夾層較多，鎢合金鍍層巖芯管體現較好使用效果，在其它鉆進條件相同情況下，回次進尺大幅度提高，鉆機臺月效率相應提高15%～20%。

4.2現場使用方便可靠

繩索取芯液動錘在破碎地層鉆探是一個不錯的選擇，但也有對泥漿要求高、沖錘和砧子等壽命短、能量輸出轉換受限等問題。鎢合金鍍層巖芯管是在普通巖芯管內表面鍍附厚度約為0.07mm的鎢合金層，所以對現場正常的鉆探工藝和設備沒有任何特殊要求。現場只需更換一根相同尺寸的鎢合金鍍層內管即可，操作簡便易行，效果立顯。

4.3鎢合金鍍層巖芯管使用壽命長

破碎巖石在普通巖芯管里容易卡堵，打撈上來后巖芯也不易倒出，現場很多時候需要用鐵榔頭大力敲擊振動，造成巖芯管變形報廢。在腰站礦區，一個千米鉆孔，可能會用10根以上普通巖芯管。相比較而言，鎢合金鍍層巖芯管只需2～3根，每根壽命大于400m。這是由于鎢合金鍍層巖芯管內表面硬度高、光潔度高，破碎巖石在管內阻力小，倒出巖芯不需大力敲擊，靠巖芯自重或只需木榔頭輕振即可，延長了內管使用壽命。在試驗現場，一根內管在400m進尺后，依然能正常使用。如圖4所示，上部為新鍍層巖芯管徑向斜剖面，下部為使用400m后的舊鍍層巖芯管軸向直剖面。

5　結論

（1）新型鎢合金鍍層巖芯管有效防止破碎地層鉆探中巖芯堵塞，顯著提高回次進尺，減少鉆探工作的輔助時間，增加了純鉆進時間，降低工人的勞動強度，相應提高鉆探的臺月效率。

圖4　新舊鎢合金鍍層巖芯管剖面圖

（2）新型鎢合金鍍層巖芯管，鍍層與基體結合強度高、耐磨性高，耐腐蝕性強，內表面光滑，倒出巖芯順利，防止鐵錘敲擊，延長巖芯管的使用壽命，比普通巖芯管壽命提高3～4倍。

（3）新型鎢合金鍍層巖芯管操作簡便可靠。在破碎地層取芯鉆探中，無需新增加孔內鉆探工具或涂抹潤滑脂等措施，僅需簡單更換內鍍層巖芯管即可。

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TE921

A

1004-5716（2016）06-0014-03

2016-02-25

2016-02-25

中國地質調查局項目北方重要盆地砂巖型鈾礦調查與勘查示范項目子項目重點成礦帶碎巖與取芯技術研究與應用示范（12120113097300）。

歐陽志勇（1969-），男（漢族），重慶合川人，高級工程師，現從事鉆探工藝技術的研究與開發工作。