孕鑲金剛石鉆頭在圍山城礦區(qū)鉆探施工中的應(yīng)用研究

程 成，陳 濤，吳國皎

（1.河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第五地質(zhì)勘查院，河南 鄭州 450000；2.河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局測繪地理信息院，河南 鄭州 450000）

勘探深度已經(jīng)從淺部和中部轉(zhuǎn)變?yōu)樯畈靠碧剑渲饕繕?biāo)是在“第二勘探空間”中發(fā)現(xiàn)隱藏和深部的礦物。使用鉆探工具直接從地下深處進(jìn)行巖心鉆探是估算礦物儲(chǔ)量的直接方法[1]。為了有效地獲得巖心，鉆頭必須具有優(yōu)異的性能，并且特定的地層需要鉆頭的更高性能。河南省桐柏縣圍山城金銀礦深部及外圍普查項(xiàng)目的地層特點(diǎn)為：巖石硬度大，部分石英含量高；巖石弱研磨性，巖粉少且細(xì)；巖石強(qiáng)度高，造巖礦物細(xì)。

圍山城礦區(qū)巖石的研磨性主要為3～4 級(jí)，可鉆性為7～9級(jí)。影響鉆頭壽命的主要因素是鉆深和鉆頭速度。通過參考先前的研究，針對該礦區(qū)的巖性特征，整合和分析2019 年至2020 年在該礦區(qū)收集的鉆探數(shù)據(jù)和礦體樣品，檢查該礦區(qū)的孕鑲金剛石鉆頭的鉆探效果，選擇合適的鉆頭和鉆進(jìn)參數(shù)，提高本礦區(qū)的鉆進(jìn)效率，并推廣到其他礦區(qū)的鉆探施工中，具有良好的生態(tài)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

1 工程概況

1.1 項(xiàng)目來源與位置

“河南省桐柏縣圍山城金銀礦深部及外圍普查”是根據(jù)《河南省自然資源廳關(guān)于下達(dá)2019 年度省財(cái)政地質(zhì)勘查項(xiàng)目工作任務(wù)的通知》（豫自然資發(fā)[2019]22 號(hào)）文件而開展的地質(zhì)勘查項(xiàng)目。鉆探工作由河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第五地質(zhì)勘查院承擔(dān)[2]。工作區(qū)位于河南省南部桐柏縣朱莊至陳莊一帶，面積約28.74 平方公里。

1.2 自然地理概況

工作區(qū)距桐柏縣城35 公里，有柏油公路直達(dá)，工作區(qū)內(nèi)村村通硬化公路縱橫交錯(cuò)，交通條件十分便利。

工作區(qū)位于桐柏山北麓，屬丘陵—低山區(qū)。本區(qū)屬溫帶氣候，四季分明，雨量充沛，植被發(fā)育，本區(qū)屬非地震活動(dòng)區(qū)。

1.3 地質(zhì)背景概況

工作區(qū)由在不同構(gòu)造條件下形成的多個(gè)構(gòu)造地層體組成，它們具有各自獨(dú)立的結(jié)構(gòu)特征以及變形，變質(zhì)和構(gòu)造演化的序列。出露地層主要為下古生界大栗樹組、上古生界歪頭山組和第四系。

工作量及成果情況：

圍山城礦區(qū)2019-2020 年度鉆探工作量為：15000m。工作區(qū)內(nèi)累計(jì)獲得(333)+(334)?金屬資源量金6884 千克、銀402 噸、鉛71793 噸、鋅69625 噸。

2 孕鑲金剛石鉆頭選擇

2.1 孕鑲金剛石鉆頭的優(yōu)選方法

2.1.1 現(xiàn)場對比試驗(yàn)選擇

根據(jù)目的和需要，選擇不同技術(shù)參數(shù)的鉆頭在礦區(qū)或同一地層進(jìn)行鉆頭適應(yīng)性、時(shí)效、壽命等指標(biāo)的對比試驗(yàn)，探討各鉆頭參數(shù)對鉆探成本效益的貢獻(xiàn)率，求證合適的鉆頭性能參數(shù)或鉆頭品種。

2.1.2 統(tǒng)計(jì)分析選擇

通過對鉆頭歷史使用資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)合地層巖石可鉆性合理選擇鉆頭類型，從而更好地用好鉆頭，達(dá)到提高鉆速、降低成本的目的。

2.2 圍山城礦區(qū)鉆頭的優(yōu)選結(jié)果

金剛石鉆頭的性能結(jié)構(gòu)參數(shù)有鑲嵌類型、胎體性能、金剛石的質(zhì)量和粒度、金剛石濃度、水口形狀及其數(shù)量和大小、底唇形狀等。根據(jù)巖石的硬度，研磨性和完整性等規(guī)格，以高效率，長壽命，低消耗以及安全性為標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合圍山城礦區(qū)的地層巖性特征，確定適合的鉆頭類型。金剛石鉆頭的主要性能和結(jié)構(gòu)參數(shù)，見表1。

表1 孕鑲金剛石鉆頭主要性能結(jié)構(gòu)參數(shù)表

3 孕鑲金剛石在本項(xiàng)目的應(yīng)用實(shí)例與研究

3.1 圍山城礦區(qū)的設(shè)備和地層情況

圍山城礦區(qū)各鉆孔結(jié)構(gòu)、地層情況及常用鉆頭基本相同，調(diào)研的鉆孔ZKYW3204、ZKYW2802 鉆進(jìn)地層主要為黑云變粒巖（大部分硅化）、構(gòu)造角礫巖，選擇的主要鉆探設(shè)備XY—44A 型。

3.2 鉆進(jìn)參數(shù)對機(jī)械鉆速的影響

3.2.1 鉆速對機(jī)械鉆速的影響

金剛石鉆進(jìn)時(shí)，轉(zhuǎn)速越高，則機(jī)械鉆速也越高。在不同巖石中金剛石鉆進(jìn)時(shí)機(jī)械鉆速隨轉(zhuǎn)速的變化而變化，只是由于巖石性質(zhì)不同，隨鉆頭轉(zhuǎn)速增加機(jī)械的增幅不同而己，越是軟的巖石，增幅越大，巖石越硬增幅越小[3]。

通常以圓周線速度來規(guī)定鉆頭的轉(zhuǎn)速。以孕鑲金剛石鉆頭為例。由于所用金剛石粒度很小，一般為30～60 目，金剛石的出刃微小，可以利用的切入量較小，因此其主要依靠較高轉(zhuǎn)速來獲得較高的機(jī)械轉(zhuǎn)速。

確定孕鑲金剛石鉆頭以圓周速度來衡量比較合理和直觀，孕鑲金剛石鉆頭的圓周速度應(yīng)依據(jù)鉆進(jìn)不同的巖石和條件在1.5m/s～3.0m/s 之間選擇。

3.2.2 鉆壓對機(jī)械鉆速的影響

金剛石鉆進(jìn)的機(jī)械鉆速與鉆壓有密切關(guān)系，在一定范圍內(nèi)機(jī)械鉆速是隨著鉆壓的增大而增加的，但因孔底碎巖機(jī)理的不同而不同的。當(dāng)鉆壓很小時(shí)，達(dá)不到破碎巖石的強(qiáng)度極限，破碎過程主要依靠金剛石與巖石間的摩擦力引起巖石表面磨損而實(shí)現(xiàn)，為表面研磨破碎。當(dāng)鉆壓增大到巖石抗壓入強(qiáng)度時(shí)，機(jī)械鉆速大大提高，并隨鉆壓的增大約呈直線增長。此時(shí)，巖石碎屑以體積破碎帶的形式表現(xiàn)出來，其中機(jī)械鉆速隨著鉆頭重量的增加而迅速增加，但與此同時(shí)，每米單位的鉆石消耗也隨著鉆頭重量的增加而增加。

3.2.3 現(xiàn)場鉆進(jìn)參數(shù)對機(jī)械鉆速的影響

在圍山城礦區(qū)現(xiàn)場統(tǒng)計(jì)的不同鉆速和鉆壓對機(jī)械鉆速的影響如下：

（1）鉆壓為5MPa 時(shí)，鉆速達(dá)到1.87m/s 之前，機(jī)械鉆速隨鉆速的增加而增加，當(dāng)鉆速超過1.87m/s 后，機(jī)械鉆速隨鉆速的增加而減小。究其原因，當(dāng)鉆速超過1.87m/s 時(shí)，由于鉆壓低，較為新鮮的金剛石不能進(jìn)行出刃不，從而不能有效地破碎巖石，降低了機(jī)械鉆速；

（2）鉆壓為8MPa，11MPa 時(shí)，機(jī)械鉆速基本隨鉆速的增加而呈直線增長關(guān)系。鉆壓為11MPa 時(shí)，機(jī)械鉆速最大；

（3）當(dāng)鉆壓為14 MPa 時(shí)，鉆速隨著鉆井速度的增加而降低。研究原因，當(dāng)鉆頭上的重量達(dá)到14MPa 時(shí)，隨著鉆孔速度的增加，將會(huì)重復(fù)磨損，并且孕鑲金剛石鉆頭的磨削效率將大大降低。

當(dāng)鉆孔速度恒定時(shí)，隨著鉆頭承受重量的增加，總的機(jī)械鉆速首先增加，然后減少。當(dāng)鉆壓小于11MPa 時(shí)，機(jī)械鉆速隨著鉆壓的增加而增加。

3.3 鉆壓對孕鑲金剛石鉆頭的出刃高度影響

圍山城礦區(qū)鉆進(jìn)試驗(yàn)的鉆頭基本性能為：鉆頭的胎體硬度為HRC30，金剛石的百分比濃度為75%；鉆頭水口8個(gè)，鉆頭的底店面面職10cm2。圍山城礦區(qū)對鉆壓對鉆頭出刃高度的影響進(jìn)行了研究，在轉(zhuǎn)速一定（1.26m/s）的情況下分別采集鉆壓為5MPa、8MPa、11MPa、14MPa 時(shí)相同型號(hào)、批次的孕鑲金剛石鉆頭各20 個(gè)，并據(jù)此計(jì)算出金剛石刀片高度的測量值，計(jì)算出平均值[4]。平均間隔為20μm，分別計(jì)算各個(gè)間隔中的金剛石數(shù)量，以獲得金剛石邊緣高度分布規(guī)律，并進(jìn)一步研究孕鑲金剛石鉆頭的平均金剛石邊緣高度與鉆頭壽命和鉆速之間的關(guān)系。

通過分析結(jié)果得出以下結(jié)論：鉆頭邊緣的菱形邊緣的高度呈現(xiàn)出相似的正態(tài)分布趨勢，“兩側(cè)較低，中間較高”，這種趨勢在正常鉆探條件下更為明顯，5MPa，1.26m/s 下金剛石出刃平均值為103.35μm，8MPa，1.26m/s 下金剛石出刃平均值為90.5μm，11MPa，1.26m/s 下金剛石出刃平均值為104.7μm，14MPa，1.26m/s 下金剛石出刃平均值為71.6μm。不同鉆進(jìn)參數(shù)下的金剛石出刃平均值分布規(guī)律：隨著鉆頭承受重量的增加，金剛石鉆頭的平均切削刃高度首先增加，然后會(huì)逐漸減小。因此，鉆頭的金剛石邊緣的平均高度在一定程度上反映了鉆孔效率和機(jī)械鉆速大小。

4 研究結(jié)論和現(xiàn)場驗(yàn)證

4.1 研究結(jié)論

通過前期鉆孔調(diào)研，圍山城礦區(qū)的巖石研磨性為3-4級(jí)，巖石的可鉆性為7～9 級(jí)。

根據(jù)現(xiàn)場數(shù)據(jù)和本文的論證與分析，在圍山城礦區(qū)，JS75 系列孕鑲金剛石鉆頭的最佳鉆井壓力為8MPa～11 MPa，最加鉆速在1.26m/s～1.87m/s 之間。

孕鑲金剛石鉆頭的金剛石出刃高度反應(yīng)了每轉(zhuǎn)的切入量，一定程度上可以反映鉆進(jìn)效率和機(jī)械鉆速的大小。

4.2 現(xiàn)場驗(yàn)證

在后續(xù)的鉆孔施工中根據(jù)本文結(jié)論進(jìn)行了驗(yàn)證，顯著提高了純鉆月效率，新的鉆進(jìn)參數(shù)對提高鉆進(jìn)效率效果顯著，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益。