新型钨合金镀层防堵岩芯管的研究和应用

2016-09-16欧阳志勇秦承春

西部探矿工程 2016年6期

关键词：镀层绳索套管

欧阳志勇，秦承春

（1.北京探矿工程研究所，北京100083；2.山东省第七地质矿产勘查院，山东临沂276006）

新型钨合金镀层防堵岩芯管的研究和应用

欧阳志勇*1，秦承春2

（1.北京探矿工程研究所，北京100083；2.山东省第七地质矿产勘查院，山东临沂276006）

具有高表面硬度、耐磨性和耐腐蚀性能的钨合金镀层技术，应用于生产绳索取芯岩芯管，在山西、山东、四川等破碎地层钻探施工中，延长岩芯管寿命，增加回次长度，降低劳动强度，因而提高了钻探效率。

钨合金镀层；岩芯管；破碎地层；回次长度

北京探矿工程研究所在2014年基于钨合金镀层技术研制和开发了新型绳索取芯岩芯管，用于硬脆碎地层取芯钻探施工。钨合金内镀层岩芯管应用于山西、山东和四川等多地的绳索取芯钻探施工中，取得了显著的技术经济效果，有效地减少了岩芯堵塞，提高了取芯回次长度，增加了打捞岩芯的时间间隔，降低了工人劳动强度，延长了纯钻进时间，因此提高了破碎地层钻探的台月效率。

1　钨合金镀层技术

1.1简介

20世纪60年代，美国开始金属表面电镀钨合金的研究，20世纪70年代开始用于军事工业，该技术于20世纪90年代在我国石油系统开始应用。

钨合金镀层金属成分为：W：4%～8%，Ni：80%～90%，P：3%～14%，该合金为非晶态合金，具有长程无序、短程有序的组织结构，结构致密，各向同性，没有晶界、位错和缺陷，因此，镀层合金具有显微硬度高、耐磨性好、耐酸碱盐腐蚀，且与基体材料结合好的特点。

钨合金镀层性能优异，而且电镀工艺中电镀液主要是镍盐和钨盐，与现在常用的金属表面镀硬铬工艺相比，电镀液不含六价铬，工艺环保无污染，很有发展前景。

1.2钨合金镀层试样技术性能指标

镀层硬度：62～71（HRC）；

镀层厚度：0.065～0.085mm；

表面粗糙度：Ra≤0.4μm；

耐蚀性：中性盐雾实验300h，镀层无变化，5%Na2S溶液浸泡200h，镀层无变化，碱性溶液浸泡200h，镀层无变化；

耐磨性：（GCr15钢球与试样的摩擦副线性磨损量）钨合金镀层试样磨损量比电镀铬试样降低一倍以上，见表1。

表1　4种镀层耐磨性实验

2　矿区概况（以山西灵丘腰站铁矿为例）

山西灵丘腰站铁矿位于灵丘县东14km腰站、乔庄一带，区内地貌系中山区，地形切割强烈。本区大地构造位置处于华北地台北缘、山西断隆与燕山台褶带西端接壤地带，经历了多期变质、变形及岩浆侵位，形成一系列不同形态、不同方向、不同性质和不同期次的断裂和北东向的褶皱。区内岩浆活动频繁，从老至新依次有：五台期变质石英闪长岩、吕梁期辉绿（玢）岩、燕山期花岗斑岩等。所以，矿区属于典型的硬脆碎难钻进地层，基本上全孔破碎，钻进效率低下，事故多发。图1为矿区表露破碎岩层，图2、图3为破碎岩芯。

3　钻探工艺

3.1钻探设计要求

图1　矿区表露破碎岩层

图2　破碎地层岩芯（ZK7201）

图3　破碎地层岩芯（ZK6802）

2014年山东省第七地质矿产勘查院在该矿区施工2个钻孔ZK6802孔和ZK7201孔，均为矿产地质钻探。ZK6802孔设计孔深为1100m，ZK7201孔设计孔深为1000m，终孔直径75mm。2孔均为斜孔，孔斜78°，顶角偏斜不大于2°/100m，测量间距为50m。下套管后必须测斜，如有偏斜必须纠正。

3.2钻探设备机具的选配

根据钻孔设计要求并综合考虑矿区地层情况、工期要求、钻孔质量要求等因素，ZK6802孔使用阿特拉斯CS3001钻机施工，配套使用BW160型泥浆泵；ZK7201孔使用CHU-5钻机施工，配套使用BW160型泥浆泵。2台钻机均使用机台自带桅杆钻塔。

钻杆：∅114mm绳索取芯钻杆700m，∅89mm绳索取芯钻杆1200m，镦粗加厚型∅71mm绳索取芯钻杆2500m。

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

钻具：∅150mm单管钻具（0.5m）4套；长钻具∅150mm、∅108mm、∅91mm单管钻具（4.5m）4套；∅122mm、∅96mm、∅77mm绳索取芯钻具8套。

3.3钻孔结构设计

钻孔施工严格按照《岩芯钻探规程》（DZ/T0227-2010）之标准及地质设计要求进行。

根据腰站矿区区域地质构造、地层情况、岩性以及该矿区以往地质钻探经验等因素，并综合考虑存在岩溶裂隙发育、断裂破碎带较多等情况，钻孔结构做如下设计：

开孔采用∅150mm复合片钻头，单管钻进至30m左右穿过第四系地层，下入∅146mm套管进行封堵；第一次变径采用∅122mm金刚石绳索取芯工艺钻进至约320m，穿过岩溶裂隙发育地层，下入∅108mm反丝套管封堵裂隙及溶洞；第二次变径采用∅96mm金刚石绳索取芯工艺钻进至约500m，下入∅89mm反丝套管；第三次变径采用∅77mm金刚石绳索取芯工艺钻进至终孔。

3.4钻孔完成情况

2孔钻探施工均按照相关钻探规程及地质设计要求、孔身结构设计完成，各项钻探指标均符合设计要求。岩溶裂隙发育、断裂破碎带等复杂地层的钻探及泥浆工艺不做赘述。ZK6802孔终孔孔深1129.16m，ZK7201孔终孔孔深1000.00m。

3.5现场钨合金镀层管情况

现场岩芯管试验段采用∅77mm/46mm金刚石钻头，试验钨合金镀层岩芯管规格：∅54mm×3×3000mm，基材采用钢级DZ60冷拔钢管，牌号：45MnMoB。

4　现场试验效果

4.1提高回次进尺

试验采取对比试验方法，机台每天白班（八点班）正常钻进即开始对比试验，普通岩芯管和钨合金镀层岩芯管交替使用，记录岩芯情况和回次长度数据。

试验数据记录11d，共计32回次，试验记录统计见表2。

表2　试验记录统计表

从试验记录可以看出，钨合金镀层岩芯管在该矿区的使用效果非常明显，在部分破碎岩石地层，回次长度提高50%，在破碎岩石地层，回次长度提高100%。

这次试验后，在山东金矿勘探中小规模推广应用钨合金镀层岩芯管，钻孔岩层裂隙和夹层较多，钨合金镀层岩芯管体现较好使用效果，在其它钻进条件相同情况下，回次进尺大幅度提高，钻机台月效率相应提高15%～20%。

4.2现场使用方便可靠

绳索取芯液动锤在破碎地层钻探是一个不错的选择，但也有对泥浆要求高、冲锤和砧子等寿命短、能量输出转换受限等问题。钨合金镀层岩芯管是在普通岩芯管内表面镀附厚度约为0.07mm的钨合金层，所以对现场正常的钻探工艺和设备没有任何特殊要求。现场只需更换一根相同尺寸的钨合金镀层内管即可，操作简便易行，效果立显。

4.3钨合金镀层岩芯管使用寿命长

破碎岩石在普通岩芯管里容易卡堵，打捞上来后岩芯也不易倒出，现场很多时候需要用铁榔头大力敲击振动，造成岩芯管变形报废。在腰站矿区，一个千米钻孔，可能会用10根以上普通岩芯管。相比较而言，钨合金镀层岩芯管只需2～3根，每根寿命大于400m。这是由于钨合金镀层岩芯管内表面硬度高、光洁度高，破碎岩石在管内阻力小，倒出岩芯不需大力敲击，靠岩芯自重或只需木榔头轻振即可，延长了内管使用寿命。在试验现场，一根内管在400m进尺后，依然能正常使用。如图4所示，上部为新镀层岩芯管径向斜剖面，下部为使用400m后的旧镀层岩芯管轴向直剖面。