岩芯钻探不同钻进工艺技术经济

岩芯钻探不同钻进工艺技术经济摘要：我总队在黑龙江省林口县大盘道大理岩矿区，进行的岩心钻探中，根据该矿区地质地层情况，岩性和岩石硬度，岩石的研磨性及完整程度，采用了多种岩芯钻探工艺，取得了不同的技术经济效果。通过对该矿区岩芯钻探不同的钻进工艺进行技术经济分析，为今后在不同的矿种进行岩芯钻探，达到最佳技术经济效果，提高岩芯钻探效率，降低岩芯钻探成本，提高经济效益，可供借鉴。关键词：岩芯钻探工艺；岩芯钻探效率；质量和成本；技术经济分析一、黑龙江省林口县大盘道大理岩矿区地质概况矿区地层该矿区出露下元古界麻山群西麻山组及柳毛组和第四纪（Q4）松散堆积物。在下元古界麻山群西麻山组[Ptix]的主要岩性有：灰黑色云母片岩；红柱云英片岩及二云石英片岩等。在柳毛组[Ptilm]主要岩性有：下部为透闪白云石大理岩和绢云石英片岩层等；中部为大理岩层等；上部为绢云石英片岩，大理岩层等。新生界第四系（Q4）全新统广布于矿区。残坡积层和冲积层，广布于本区。有腐植土，褐色亚粘土，砂砾石，大理岩和绢云石英片岩碎石组成。矿区常见的岩石类型大理岩和硅质大理岩；透闪白云大理岩；石英含量占5%---20%。岩石硬度为可钻性Ⅴ级～Ⅶ级；中等研磨性。绢云石英片岩；石墨片岩；石英含量占30%---70%。岩石硬度为可钻性Ⅷ级～Ⅹ级；强研磨性。云母石英片岩；花冈伟晶岩等；石英含量占70%以上。岩石硬度为可钻性Ⅸ级～Ⅹ级；强研磨性。二、岩芯钻探钻进工艺的选择根据黑龙江省林口县大盘道大理岩矿区各类岩石的特性，在四年的岩芯钻探施工期内，逐步采用了五种钻进工艺；基本满足了该矿区地质对岩芯钻探的技术要求，取得了良好的技术经济效果。有的钻孔覆盖层较厚，约52.91米，有的钻孔地层岩石岩性变化频繁，软、硬互层。岩石硬度变化大，在Ⅲ级～Ⅹ级之间。有的钻孔地层花岗岩脉侵入，造成大理岩矿体支离破碎，岩石的完整度差；给岩心钻探施工增加了难度。因此，针对上述地层地质条件，先后选择的钻进工艺有：∮75毫米～∮150毫米大口径硬质合金钻进工艺；∮56毫米小口径金刚石钻进工艺；TK—54型金刚石液动冲击回转钻进工艺；S59毫米绳索取芯钻进工艺；TK60S绳索取芯液动冲击回转钻进工艺。三、各种钻进工艺的性能及适用范围∮75毫米～∮150毫米大口径硬质合金钻进工艺。这种钻进工艺适用于Ⅰ～Ⅵ级、部分Ⅶ级软—中硬，弱研磨性地层；第四纪(Q4)覆盖层。∮56毫米小口径金刚石钻进工艺。这种钻进工艺适用于Ⅳ～Ⅻ级中硬—坚硬，弱到中研磨性地层。其特点是：对于岩石硬度，适用范围广；在较完整地层，岩矿芯采取率高（90%以上），岩矿芯完整程度好。相对于大口径硬质合金钻进工艺，钻孔直径较小，有利于钻进效率提高和钻孔壁的稳定。TK—54型小口径金刚石液动冲击回转钻进工艺。这种钻进工艺适用于Ⅶ～Ⅻ级硬—坚硬，弱到强研磨性地层。其特点是：对于硬度大、强研磨性地层，相对于56毫米小口径金刚石钻进工艺，钻进效率高。是克服坚硬“打滑”岩层的一种有效的钻进工艺。同时又克服了钻进较破碎岩层的岩芯堵塞。提高了纯钻进和回次进尺时间。提高了纯钻率和钻进效率，降低了单位成本。S59毫米绳索取芯钻进工艺。是在小口径金刚石钻进工艺的基础上发展起来的一种钻进工艺。这种钻进工艺的特点是：在正常钻进情况下，可以不提钻采取岩矿芯；提高了纯钻时间和减少了辅助时间。纯钻率可达35%～50%以上。有利于复杂地层和破碎地层的孔壁稳定，减少孔内事故。同时也减轻了工人的劳动强度。特别是在中、深度以上钻孔（即：200米以上的钻孔），更显示出了它的优越性。TK60S绳索取芯液动冲击回钻钻进工艺。这种钻进工艺是在S59毫米绳索取芯钻进工艺基础上发展起来的。其特点是：克服了S59毫米绳索取芯钻进工艺在坚硬“打滑”岩层(岩石硬度可钻性在Ⅸ级～Ⅻ级的地层)回次间隔时间短，小时效率低，单位成本高的弱点。是目前较为先进的和理想的一种钻进工艺。特别是在中、深度以上钻孔坚硬“打滑”岩层钻进时，更显示了这种钻进工艺的优越性；具有广阔的发展前景。四、不同钻进工艺钻进效率、钻孔质量和经济分析（一）大口径硬质合金钻进工艺在黑龙江省林口县大盘道大理岩矿区，第四系（Q4）覆盖层广布于该矿区，最厚达52.91米。有腐植土、褐色亚粘土、砂砾石、大理岩和绢云母石英片岩碎石组成。地层破碎、裂隙发育；孔壁不稳定，坍塌掉块现象严重。当钻进到大理岩矿层时，脉岩侵入较多；岩层不完整；局部岩层岩石硬度较大。从技术经济角度，在这类地层采用了大口径硬质合金钻进工艺。施工中采用高固相（＞4%）、黏度较大的优质泥浆；在冲洗液漏失较严重地层，配以单层或多层不同级别套管辅助使用，较为顺利地钻进这类地层。另一方面，在这类地层钻进，岩矿芯采取效率、钻孔质量和钻进效率受到影响。为了提高钻进效率（台月效率）和保证钻孔质量（钻孔质量六大指标），选择与所钻地层相适应的钻进参数是关键。根据该矿区上述地层，所选用的钻进参数如表3—1：大口径硬质合金钻进参数表3—1通过四年工期的钻探施工，表3—1中的钻进参数，基本是合理的。台月效率和钻孔质量逐年提高。施工期内大口径硬质合金钻进台月效率见图3—1：根据统计资料，平均台月效率第一年为：158.75米/台月；第二年为：182.15米/台月；第三年为：246.10米/台月；第四年为：286.24米/台月。钻孔质量（六大质量指标）为：在该矿区共完成钻孔27个；一级甲孔率为22.22%，一级乙孔率为40.74%，二级孔率为37.04%.综上所述，台月效率和钻孔质量偏低。主要原因：一是此种钻进工艺特性所致；二是受所钻地层岩石岩性决定。硬质合金（YG8）这种碎岩材料，受其硬度和强度所限，只能钻进Ⅶ级硬度以下的岩石。在第四纪复杂破碎地层钻进，钻头硬质合金易磨损和崩刃；导致切削岩石速度降低、小时效率低；统计资料表明：最低平均小时效率为1.30米/小时；最高平均小时效率为2.93米/小时。进而影响台月效率。大口径硬质合金钻进钻孔质量经济分析钻孔质量偏低，一级甲孔率仅为22.22%。钻孔六大质量指标之一，岩矿芯采取率；它是评价钻孔质量主要指标；规程要求大于75%。在第四纪覆盖层、地表破碎岩层和Ⅶ级以下岩层钻进时，一般采用无循环水干钻或投卡料采取岩芯。由于机械振动和岩矿芯相互磨耗（磨耗比大），导致岩矿芯采取率常低于75%，达不到质量要求。该矿区完成的主要经济指标为：四年工期累计完成钻探工作量为2,480.07米；总费用为355,727.00元；平均单位成本为143.43元；平均单位材料成本为39.62元。材料成本占单位成本27.62%（通常合理占比为20%～25%）。影响成本比率主要是研磨材料（硬质合金钻头）和油燃料。在该矿区共使用了999个合金钻头；平均钻头成本为9.97元/米。平均钻头进尺仅为2.48米/个，钻头使用寿命短。共消耗油燃料27.28吨；单位耗油成本为11.66元/米，单位进尺油耗高。这种工艺钻进效率较低和材料消耗较高，导致单位钻探成本高。（二）∮56毫米小口径钻进工艺在该大理岩矿区的矿床腹部,B+C级储量块段，岩层较完整，中等研磨性；硬度为可钻性Ⅴ～Ⅵ级。在钻探范围内，厚度达264.51米。在这类地层钻进，采用56毫米小口径金刚石钻进，岩矿芯采取路达90%以上。小时效率和台月效率相对硬质合金钻进较高。矿区的主要围岩和脉岩为：石英片岩，硅化大理岩，花冈伟晶岩。岩石结构致密，抗压强度大，强研磨性；硬度为可钻性Ⅹ级左右。在钻探范围内，厚度达69.42米。小时效率和台月效率相对很低。所选用的钻进参数如表3—2：小口径金刚石钻进参数表3—2通过四年的∮56毫米小口径金刚石钻进，所选择的钻进参数是合理的。钻孔质量、钻进效率高于硬质合金钻进。施工期内小口径金刚石钻进台月效率见图3—2：根据统计资料，平均台月效率第一年为：378.45米/台月；第二年为：398.66米/台月；第三年为：421.96米/台月；第四年为：468.76米/台月。钻孔质量（六大质量指标）为：在该矿区共完成钻孔27个。一级甲孔率为83.33%；一级乙孔率为16.67%。综上所述，台月效率和钻孔质量同比硬质合金钻进工艺，有着显著提高。因小口径金刚石钻进工艺所采用的天然表镶金刚石钻头，可钻进Ⅲ～Ⅶ级硬度、较完整地层。人造孕镶金刚石钻头可钻进Ⅴ～Ⅺ级硬度的复杂地层。金刚石本身的研磨硬度是硬质合金的六倍。所以在相同岩层条件下，单位时间内切削岩石的速度比高出硬质合金1—3倍。小时效率和台月效率高于硬质合金50%--200%以上。在该矿区石英片岩、硅化大理岩、花冈伟晶岩钻进中，因这类岩层坚硬，可钻性为Ⅸ～Ⅹ级；结构致密，研磨性强，抗压强度大。钻探上称之为坚硬“打滑层”。小时效率和台月效率都是很低的。人造金刚石钻头钻进这类岩层时，发生“打滑”现象。单位时间内切削速度很低；即：岩石的磨削量低。最低小时效率仅为0.09米/小时；最低台月效率仅为15.62米/台月。∮56毫米小口径金刚石钻进钻孔质量经济分析钻孔质量有着显著提高。一级甲孔率为83.33%；岩矿芯采取率均在90%以上。采用小口径金刚石双管单动钻具，机械振动和岩矿芯磨耗程度较小；完整度较高。因此，钻孔质量主要取决于岩矿芯采取效率。该矿区完成的主要指标为：四年工期累计完成钻探工作量为3,137.85米；总费用为：408,575.30元；平均单位成本为130.21元/米；平均单位材料成本为30.93元/米。材料成本占单位成本19.91%。同比硬质合金钻进材料成本降低7.71%。影响成本比率主要是研磨材料（金刚石钻头）和油燃料的消耗。在该矿区共使用天双表金刚石钻头21个；人双孕金刚石钻头24个；平均钻头进尺为69.73米/个；平均钻头成本为7.04元/米。共消耗油燃料为30.26吨；单位耗油成本为10.22元/米。同比硬质合金钻进研磨材料和油燃料的消耗分别降低为29.39%和12.35%。钻进效率的提高是降低单位成本的主要原因。（三）S59毫米绳索取芯金刚石钻进工艺在该矿区进行了三年工期的绳索取芯金刚石钻进，所钻岩石岩性同比小口径金刚石钻进。影响钻进效率的主要原因之一是纯钻进时间利用率；纯钻进时间利用率的高低，直接影响着台月效率。它的优点是：在正常情况下，可以不提钻取岩矿芯；相对减少了辅助时间，增加了纯钻时间；提高了纯钻时间利用率和台月效率。上述两种钻进工艺纯钻时间利用率在20%～30%；绳索取芯金刚石钻进工艺纯钻时间利用率在45%～55%以上。根据所钻岩层和绳索取芯钻进工艺特点，所选钻进参数如表3—3：绳索取芯钻进参数表3—3（3）通过三年工期的绳索取芯钻进，所选择钻进参数是合理的。施工期内绳索取芯钻进台月效率见图3—3：根据统计资料，第一年没有进行绳索取芯钻进；平均台月效率第二年为：446.40米/台月；第三年为：548.53米/台月；第四年为：679.89米/台月。台月效率同比小口径金刚石钻进工艺提高了27.18%～31.05%。显示出这种钻进工艺的优越性。S59毫米绳索去芯钻进工艺质量经济分析钻孔质量同比小口径金刚石钻进的钻孔还要高。在该矿区共完成钻孔15个；一级甲孔率100%。其中岩矿芯采取率在95%以上；尤其在破碎、复杂不完整岩层，采芯率高；更显示出其优越性。岩矿芯采取率高，钻孔质量高。同时对孔壁有一定的护壁作用；可较好的防止复杂破碎岩层坍塌、掉块，保证正常钻进，提高钻孔质量。根据统计资料，三年工期累计完成钻探工作量为：1,496.36米。总费用为：180,740.00元；平均单位成本为120.79元/米；平均单位材料成本为29.46元/米。材料成本占单位成本24.39%。在该矿区使用绳索钻头20.5个；平均钻头进尺为72.99米/个；平均钻头成本为6.99元/米；共计消耗油燃料为13.25吨；单位耗油成本为9.39元/米。同比小口径金刚石钻进工艺研磨材料和油燃料的消耗分别降低为：0.71%和8.12%。（四）TK—54型和TK60S型液动冲击回转钻进工艺在黑龙江省林口县大盘道大理岩矿区，围岩和脉岩主要有：硅化大理岩；石英片岩；花岗伟晶岩等。这类岩石结构致密，抗压强度大。可钻性Ⅹ级；强研