岩芯钻探不同钻进工艺技术经济分析

　　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；强研磨性。用金刚石回转钻进工艺钻进，小时效率和台月效率很低。钻探称之为坚硬“打滑层”。为了解决这个难题，先后试验了先进的TK—54型和TK60S型两种型号的液动冲击器。目的是在回转钻进的基础上，增加液动冲击力；改变金刚石钻头的碎岩方式。由静压回转磨削碎岩改变为冲击静压回转复合型体积碎岩。比较有效地克服金刚石钻头“打滑”现象；从而提高了小时效率和台月效率。
　　液动冲击回转钻进工艺质量经济分析
　　钻孔质量为，一级孔甲孔率100%。液动冲击回转钻进工艺是提高钻孔质量的有效手段。它的应用，无论在普通岩层，还是在坚硬“打滑”岩层，是一种广谱的钻进工艺。在较破碎岩层，它可有效的防止岩芯堵塞，提高回次进尺，提高纯钻率和岩心采取率；从而提高了钻孔质量。
　　根据统计资料，在该矿区共计完成4个钻孔，累计完成钻探工作量236.69米（Ⅸ～Ⅹ级岩层）；主要应用在坚硬“打滑”岩层段。应用前，如上所述：平均小时效率为0.09米/小时；平均台月效率为15.62米/台月。应用后，平均小时效率为0.55米/小时；平均台月效率为93.72米/台月。平均小时效率和平均台月效率都提高了六倍。单位成本由3,517.50元/米，降低到586.50元/米。单位成本和单位材料成本降低5～6倍。
　　五、结论
　　综上所述：在黑龙江省林口县大盘道大理岩矿区四年工期岩芯钻探中，在不同岩层采用了多种钻进工艺，取得了比较系统的技术、质量和经济资料成果。从另一个角度讲，这个矿区也是一个岩芯钻探“试验场”，把当时岩芯钻探科研成果应用到生产实践中；取得了比较系统的试验数据；在今后岩芯钻探工作中，可供参考借鉴。在Ⅰ～Ⅲ级软地层，亦采用硬质合金回转钻进。在Ⅳ～Ⅶ级中硬—硬岩层亦采用金刚石回转钻进。在Ⅶ～Ⅻ级硬—坚硬岩层亦采用金刚石冲击-回转钻进。为今后在不同的矿区、矿种；不同的岩性，岩石的硬度，研磨性和地层的复杂程度；进行岩芯钻探，正确的选择钻进工艺，提高钻孔质量和钻进效率，降低岩芯钻探成本，使技术和经济有机地结合起来。不断地进行科技创新，把新技术、新成果应用到岩芯钻探中，取得最佳的技术经济效果。
　　
　　参考文献：
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　　[2]王兰荣《技术经济学》哈尔滨哈尔滨工业大学2000.（07）
　　[3]胡辰光《钻探工程技术及标准规范实务全书》2003.（12）
　　[4]王年友等绳索取芯钻探技术新发展----三合一组合钻具探矿工程2007.39（9）
　　[5]刘广志金刚石钻探手册【】北京地质出版社.1991.