浅谈提高石英砂岩钻进效果的途径

【摘 要】本文提出了在石英砂岩钻探时应采取冲击回转钻进的施工方法及如何优化钻进工艺。

【关键词】石英砂岩；冲击回转转进；优化工艺

一、选用合理的钻进方法

凡具有勘探价值的石英砂岩矿床，一般皆赋存于接近地表的浅部。因此，钻孔所钻岩石，基本上都是较为坚硬而致密的石英砂岩，或极为坚硬而致密的石英岩化的石英砂岩。石英砂岩含SiO2一般皆在95%以上。根据以往的钻探工作实践，用钢粒钻进石英砂岩，不仅效率低，而且岩心采取率低。金刚石钻进岩石英砂岩，虽较为理想，但由于石英砂岩坚硬“打滑”，金刚石钻进的优势也难以充分发挥。而工作中采用金刚石冲击回转钻进的方法，最为有效。三年来，我们采用金刚石冲击回转钻进方法勘探了赤峰市部分地区、敖汉旗部分乡镇等几个石英砂岩矿区，钻探工作量逐年增加，效率逐年提高，成本逐年下降，在8～9级石英砂岩中，采用金刚石冲击回转与回转钻进相比较，小时效率提高129.3%；台月效率提高5.85倍；回次进尺提高98.2%；台班进尺提高5.06倍；岩心采取率提高8.22%倍；单个钻头进尺提高6.19倍；每米钻头成本从180元降至65.1元，材料成本从58.73元，降至41.97元，可见经济效益较为显著。2009年在敖汉旗东部的石英岩状石英砂岩矿床中，对采用金刚石冲击回转与金刚石回转钻进两种方法进行对比，也证明冲击回转比回转钻进石英岩状石英砂岩效果好。其平均实效提高0.7～3.7倍；平均回次进尺提高2.5～6.2倍；平均台班进尺提高1.5～6.9倍；采芯率提高5%～13%。金刚石冲击回转钻进，效果之所以好，主要是冲击回转钻进硬岩的优势得到了较好的发挥。

二、选择适用的人造金刚石钻头

（1）在经济合理的情况下，金刚石的粒度越粗、强度越大、磨耗比越高越好。冲击回转用金刚石的粒度，通常为60～80目。（2）金刚石的浓度应根据石英砂岩的硬度、性质合理选择。在石英砂岩特别硬，钻头“打滑”的情况下，为使金刚石有效克服石英砂岩的抗压阻力，每粒金刚石上分配到较大的压力，只要金刚石能均匀地覆盖住整个切削唇面，金刚石的浓度低一些为好。因为冲击回转钻进中金刚石主要是在动载荷下碎岩，所以胎体的硬度在钻进石英砂岩，钻头不“打滑”的情况下，应高一些为好，其包镶能力强一些；同时，应合理掌握钻进参数，尽可能减少钻进过程中金刚石被动载荷破坏。现在通常采用的金刚石钻头，金刚石大都是以等浓度、等强度分布于胎体之中。因此钻进石英砂岩的金刚石钻头，大都被磨成微喇叭口状，即钻头内唇磨损严重，内径磨大。其原因，一是在高速回转的工作条件下，钻头底面上内，外圈金刚石线速度不同。也就是说，吃入同样的深度，内圈金刚石的切削长度比外圈短，因此，内圈金刚石的工作条件比外圈差；二是石英砂岩极为坚硬，每次取心后，孔底总要残留一段短岩心柱。这段约10mm～20mm的残留硬岩心柱，在每个回次初，都得套扫才能转入正常钻进。（3）胎体的耐磨性要与所钻石英砂岩相适应。一般而言，石英砂岩越硬，胎体应越软。特别是“打滑”层，胎体软金刚石出刃好，钻速高。但是，胎体太软，钻头寿命短，消耗大。同时，为适应冲击回转钻进动载荷的冲击，胎体的抗弯速度和冲击韧性应高些。（4）钻头的唇面形状和保径形式要根据石英砂岩的性质合理选择。当前，各厂生产的常规等浓度、等强度、均匀分布的圆弧及平底型人孕金刚石钻头，制造简便，对一般岩石具有较为普遍的适应性，但对钻进极为坚硬的石英砂岩来说，金刚石钻头易“致残早衰”，因此必须打破常规，使钻头的结构或形式多样化，以提高金刚石钻头钻进石英砂岩的实效和寿命。

三、优化钻进工艺

（1）根据底层复杂程度，把孔口管下到基岩中0.1m以上。必要时，开孔前应把孔口管人工埋好，并用水泥浇固，因石英砂岩矿区地表的覆盖物以易垮塌的石英砂岩漂砾为主，开孔时，遇漂砾钻进困难，穿过后漂石随着钻具摆动或串动。我队在南口施工zk2孔时，曾被迫移了两次孔未打至基岩，最后还是人工挖至基岩，下好空口管。（2）要合理设计钻孔结构。因我队施工钻孔一般较浅，通常是三径成孔，开孔大一径，以小一径成孔，隔一径，以备孔壁出现不稳定情况，便于扩孔后下入套管，按原径终孔。（3）钻进中出现探头石时要及时护孔。钻进中出现探头时，下钻则受阻，若石英砂岩太硬时，扩孔下套管难度大，用R型地勘速凝早强水泥从孔口注入不稳定孔段即可解决问题。遇到较为复杂的地层，为避免在石英砂岩中扩孔，处灌水泥外，尚可用优质泥浆的或化学浆液，植物胶交联液等去处理。（4）正确掌握钻进参数。压力、转速与常规金刚石钻进相同。但冲击回转钻进的水量是不可忽视的问题。根据近几年采用TK型冲击器的体验，和对TK冲击器性能的掌握，除了应根据石英砂岩的硬度适时调整冲击器的自由行程外，尚需调整好泵量或泵压。如石英砂岩极为坚硬或“打滑”时，冲击频率应大些。按TK型冲击器性能，冲击频率要大，宜取其自由行程的下限（4-0.3mm），并相应提高泵量、泵压。实践证明，泵量72L/min以上，泵压达到4.0～5MPa，甚至更高时，钻效最佳。（5）为提高冲击回转钻进的效果，所配双层岩心管的长度不宜过长，根据回次进尺长度，以2m～3m为宜。