杭 程

（江蘇華東地質(zhì)工程有限公司，江蘇南京 210033）

印尼塔里阿布島鐵礦項目巖心鉆探施工技術(shù)

杭 程

（江蘇華東地質(zhì)工程有限公司，江蘇南京 210033）

在印尼塔里阿布鐵礦項目巖心鉆探施工中，其地層既具有泥巖、頁巖、粘土巖的遇水膨脹、坍塌，又有凝灰?guī)r、火山灰?guī)r的遇水溶解及硅化石英巖的“打滑”，以及粉狀鐵礦取心難的特點。易出現(xiàn)卡鉆、粘鉆等孔內(nèi)事故。通過大膽的探索，形成了針對該地區(qū)巖心鉆探施工的一套施工工藝，取得了良好的鉆探技術(shù)效果。詳細介紹了印尼塔里阿布島鐵礦項目巖心鉆探施工技術(shù)。

巖心鉆探;液動潛孔錘;內(nèi)螺旋取心工具;底噴鉆頭;印尼塔里阿布鐵礦

1 礦區(qū)簡況

塔里阿布鐵礦位于印度尼西亞北馬魯古省蘇拉群島縣塔里阿布島，礦區(qū)距首都雅加達約2000 km、蘇拉維西省盧武克縣約170 km，該島屬海島山地，礦區(qū)海拔大部分在225～425 m，最高處625 m，最低155 m。該區(qū)總體為熱帶雨林氣候，溫暖濕潤，雨量充沛。

2 地層情況

該區(qū)域出露的地層主要有石炭系、二疊系、侏羅系和白堊系。

石炭系為變質(zhì)巖，出露有Pzm下巖組和Pzmm上巖組，主要由片麻巖、片巖、角閃巖、千枚巖、變砂巖、結(jié)晶灰?guī)r等組成。

二疊系主要由流紋巖、熔結(jié)凝灰?guī)r、火山灰和火山角礫巖組成。

侏羅系主要由礫巖、砂巖、頁巖組成，夾有煤線、石膏線以及黃鐵礦團塊。

侏羅系至下白堊系主要由粘土巖、頁巖組成，局部夾砂巖、泥灰?guī)r和礫巖等組成。

第三系為灰?guī)r、泥灰?guī)r、礁灰?guī)r等組成。

第四系為礁灰?guī)r以及地表粘土、砂石等。

3 鉆孔孔身結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)地質(zhì)設(shè)計的要求，鉆孔孔深一般在400 m以淺，傾角均為90°。

典型孔身結(jié)構(gòu)設(shè)計見圖1。

4 礦區(qū)鉆探施工難點

根據(jù)地層情況，分析認為巖心鉆探施工中將出現(xiàn)以下難題:（1）取心難，表層的表土或強風(fēng)化大理巖類、上部粉礦帶及礦化帶邊緣的矽卡巖破碎層均出現(xiàn)巖心采取率不足的現(xiàn)象;（2）卡鉆、粘鉆等孔內(nèi)事故頻發(fā)，由于地層中含有遇水膨脹、坍塌的泥巖、頁巖及粘土巖以及遇水溶解的凝灰?guī)r、火山灰?guī)r，同時存在砂巖夾泥化帶、變質(zhì)砂巖中夾雜硅化石英脈及溶洞等特點，容易造成孔內(nèi)卡鉆事故;（3）鉆進中的打滑現(xiàn)象，硅化石英巖及花崗巖的存在，在鉆進施工中使金剛石鉆頭中的金剛石不出刃，即金剛石鉆頭胎體不消耗，便出現(xiàn)鉆頭打滑，使施工鉆進效率降到最低。

圖1 塔里阿布島典型鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計圖

5 施工技術(shù)措施及革新

5.1 鉆孔施工技術(shù)措施

5.1.1 鉆進工藝選擇

（1）表土、強風(fēng)化大理巖、粉礦帶及礦化帶邊緣的矽卡巖破碎層為破碎、取心難的地層，采用單管干燒及內(nèi)螺旋取心工具鉆進工藝;（2）泥巖、頁巖及變質(zhì)砂巖中夾雜硅化石英脈等地層中，采用金剛石繩索取心加底噴鉆頭鉆進工藝;（3）硅化石英巖及花崗巖等地層中，采用金剛石繩索取心加液動錘鉆進工藝。

以上施工方法中金剛石繩索取心為其核心工藝，該工藝具有鉆進效率高、地質(zhì)效果好、鉆頭壽命長、有利于復(fù)雜地層鉆進、孔內(nèi)安全和便于測斜工作、減輕勞動強度、降低鉆探成本等特點。

5.1.2 設(shè)備及鉆具選擇

設(shè)備主要包括:塔機一體的立軸回轉(zhuǎn)式XY-44T型鉆機，BW-250、BW-150型泥漿泵，75、15 kW發(fā)電機等。

鉆具主要包括:PQ、HQ及NQ系列鉆桿及鉆具，HW、NW系列套管。

鉆頭為金剛石繩索取心多環(huán)槽切齒鉆頭及底噴式鉆頭。

5.1.3 鉆進技術(shù)參數(shù)選擇

（1）鉆壓。在選擇鉆壓時需要考慮地層條件、鉆頭的新舊程度、孔內(nèi)的鉆壓損失及繩索取心金剛石鉆頭唇面比普通金剛石鉆頭要厚等因素，因此所提供的鉆壓要比普通金剛石鉆頭鉆壓略大，一般情況下增大20%左右，即施工中鉆壓采用10～12 kN。

（2）轉(zhuǎn)速。首先要考慮轉(zhuǎn)速與金剛石磨損量之間的關(guān)系是比較復(fù)雜的，其間存在一個合理值，即在一定的轉(zhuǎn)速下，金剛石的磨損量為最小，轉(zhuǎn)速過慢或過快，金剛石磨損量都會增加，所以確定合理轉(zhuǎn)速，既能提高鉆進效率，又能減少金剛石磨損量;其次應(yīng)考慮巖層性質(zhì)、沖洗液的種類及鉆孔結(jié)構(gòu)的特點，施工中鉆頭的線速度控制在1.77～2.75 m/s之間。

（3）沖洗液量和泵壓。由于繩索取心鉆進環(huán)狀間隙小，而唇面積大，按照鉆頭唇面單位面積上沖洗液耗量計算出的是較大的，因此為了充分冷卻鉆頭，及時排出巖粉，應(yīng)選用較大的沖洗液量，一般泵量選用90或52 L/min;泵壓是由沖洗液量、沖洗液種類、鉆孔的環(huán)狀間隙及鉆孔的深度等因素決定的，繩索取心鉆進環(huán)狀間隙較小，沖洗液循環(huán)阻力較大，要求的泵壓較高，現(xiàn)場采用的泵壓0.7～1.5 MPa。

5.1.4 巖（礦）心采取技術(shù)

表土、強風(fēng)化大理巖、粉礦帶及礦化帶邊緣的矽卡巖層采用單管干燒及內(nèi)螺旋取心工具技術(shù);泥巖、頁巖及變質(zhì)砂巖中夾雜硅化石英脈，硅化石英巖及花崗巖等巖層中，主要采用金剛石繩索取心技術(shù)。這些技術(shù)的使用對保證巖（礦）心采取率，提高鉆進效率起到很重要的作用。

5.1.5 防斜和糾斜措施

（1）開孔時采用鉆進參數(shù)應(yīng)為輕壓、慢轉(zhuǎn)、適當(dāng)泵量等，并逐漸加長巖心管;（2）鉆具級配分為114 mm系列、HQ系列及NQ系列三級;（3）當(dāng)發(fā)現(xiàn)孔斜有可能超標(biāo)時，要及時采取有效措施糾斜，可以使用扶正器或造斜器等進行處理。

5.1.6 沖洗液的應(yīng)用

由于泥漿添加劑的出口難度較大，在施工中一般使用植物膠、聚丙烯酰胺等作為沖洗液的主要原料。

（1）ZK12904孔鉆遇非常破碎地層，在鉆進過程中出現(xiàn)了如下問題:①孔內(nèi)掉快多，正常鉆進10～20 m就得水泥封孔處理;②正常鉆進時經(jīng)常出現(xiàn)堵水現(xiàn)象。為此采用的泥漿配方為:3%左右的植物膠+1%左右的聚丙稀酰胺。經(jīng)過施工證實孔內(nèi)的以上問題得到了很好的解決。

（2）ZK13103孔鉆遇縮徑和易垮塌地層，在鉆進時主要表現(xiàn)為:①孔內(nèi)縮徑，當(dāng)掃空到底后泵壓上升到6 MPa左右，無法正常鉆進;②孔內(nèi)巖粉較多，鉆進的阻力非常大。為此采用的泥漿配方為:2%左右的植物膠+1%左右的聚丙稀酰胺+0.1%左右的火堿。使用該泥漿進行循環(huán)后鉆壓開始下降，并下降到1 MPa左右，阻力逐漸減小，孔內(nèi)排出大量巖粉，成功穿過縮徑和易垮塌地層。

5.1.7 鉆頭、擴孔器使用方法

（1）新鉆頭必須進行初磨（即輕壓、慢轉(zhuǎn)），同時不能采用磨損量較大、出現(xiàn)明顯偏磨、胎體有明顯裂紋、掉塊的鉆頭;（2）鉆進時，應(yīng)按鉆頭和擴孔器外徑的大小，排好順序輪換使用，即先使用外徑大的，后使用外徑小的;對于鉆頭來說，還應(yīng)同時考慮先用內(nèi)徑小的，后用內(nèi)徑大的。

5.1.8 事故的預(yù)防及處理

5.1.8.1 預(yù)防措施

以“杜絕人為事故為主，預(yù)防自然事故為輔”的方針，需要做到以下幾點:（1）做好現(xiàn)場記錄，包括井深，鉆桿數(shù)量，機上余尺等保證準(zhǔn)確無誤;（2）當(dāng)有事故征兆出現(xiàn)時，必須采取有效措施，不得盲目大意;（3）交接班時，必須清楚交接孔內(nèi)情況及本班使用的技術(shù)參數(shù)及采取了哪些施工措施;（4）發(fā)生事故時要及時報告，不得隱瞞。

5.1.8.2 處理方法

（1）先弄清情況，不能冒險蠻干;（2）分析弄清事故緣由和事故類型，采取先簡單后復(fù)雜，先輕后重的步驟;（3）要正確分析判斷，訂出處理方案，積極進行處理;（4）事故結(jié)束后進行分析總結(jié)。

5.2 施工技術(shù)革新

5.2.1 SYZX75型繩索取心液動錘技術(shù)

在施工硅化石英巖及花崗巖巖層中，出現(xiàn)鉆頭打滑、鉆進效率低等現(xiàn)象，針對這種情況下，項目引進了中國地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所研發(fā)生產(chǎn)的SYZX75型繩索取心液動錘，該液動錘曾獲兩項國家發(fā)明專利，集繩索取心與液動沖擊回轉(zhuǎn)鉆進為一體，將兩者的優(yōu)勢互補，有效的防止巖心堵塞、增加回次進尺，在硅化石英巖層中有效提高了鉆進效率，產(chǎn)生了良好的經(jīng)濟效益。

SYZX75型繩索取心液動錘鉆具是由雙噴嘴復(fù)合式液動潛孔錘與繩索取心鉆具結(jié)合而成，其主要工作原理是:采用了容積式?jīng)_擊方式，依靠閥錘及沖洗液之間構(gòu)成的液壓循環(huán)沖擊系統(tǒng)而工作的，其動作可以分為增壓和釋壓過程，液動錘的沖擊過程就是液壓系統(tǒng)的增壓、釋壓過程的反復(fù)循環(huán)，使沖擊功較傳統(tǒng)的液動錘得到很大提高。

液動錘技術(shù)在施工地區(qū)得到較成功應(yīng)用，實踐證明，液動錘技術(shù)具有以下特點:（1）提高了鉆進效率，巖心采取率100%，降低了材料消耗;（2）提高了鉆頭的壽命，壽命比原有施工狀況下提高50%以上;（3）減少了輔助時間，提高了鉆進時間利用率和鉆機的臺月效率等;（4）巖心采心率高、鉆孔質(zhì)量好、孔內(nèi)巖粉少，特別適用“打滑”地層。

5.2.2 內(nèi)螺旋取心工具

針對表土、強風(fēng)化大理巖、粉礦帶及礦化帶邊緣的矽卡巖破碎層等地層，具有怕水沖，易塌孔，取心難的特點。

施工中技術(shù)及操作人員因地制宜、共同努力，創(chuàng)造性發(fā)明了內(nèi)螺旋取心工具（見圖2），經(jīng)過現(xiàn)場使用有效地解決了表土、強風(fēng)化大理巖、粉礦帶及礦化帶邊緣的矽卡巖破碎層等地層取心難的問題。其主要作用原理就是取心管內(nèi)設(shè)置一個螺旋狀阻擋機構(gòu)，在鉆進過程中表土、強風(fēng)化大理巖、粉礦帶及礦化帶邊緣的矽卡巖破碎層等破碎、粉狀巖層沿鉆頭通過螺旋狀阻擋機構(gòu)進入取心管內(nèi)，在鉆具上提過程中，由于螺旋狀阻擋機構(gòu)的封堵，巖心將不出現(xiàn)掉落現(xiàn)象，有效的保證了鉆孔的巖心采取率。

圖2 內(nèi)螺旋取心工具

5.2.3 底噴式金剛石鉆頭的使用

由于地層中存在的嚴(yán)重破碎、變層較快、夾泥夾砂易堵水、難排粉的復(fù)雜特點，施工技術(shù)人員引進使用了底噴式金剛石鉆頭（見圖3），解決了這一問題。

圖3 底噴式金剛石鉆頭

底噴式金剛石鉆頭和普通孕鑲金剛石鉆頭是不同的，其主要特點為:在水槽底部開孔狀水口，使沖洗液能直接通過水口進行循環(huán)，有效地解決了軟塑性巖層鉆頭泥包、排粉難、鉆進效率低、泵壓高的問題，且這種鉆頭切削進尺快、壽命長、取心效率高，適用于軟到中硬巖層。在施工區(qū)域的5～17線的砂巖、灰?guī)r、片巖、赤鐵巖等巖層得到了很好的應(yīng)用。

6 鉆探技術(shù)效果

印尼塔里阿布鐵礦巖心鉆探項目是我公司巖心鉆探施工跨出國門的第一個項目，自進場施工以來，已累計完成工作量近20000 m，完成的鉆孔情況見表1。

7 結(jié)語

印尼塔里阿布島鐵礦項目地層復(fù)雜，面對困難，項目施工的技術(shù)及操作人員以技術(shù)當(dāng)頭，從繩索取心工藝的常規(guī)操作到探索、嘗試新工藝、新方法，并大膽的使用、創(chuàng)造新技術(shù)、新產(chǎn)品、新工藝，使施工的技術(shù)水平得到不斷提高，有效增強了市場的競爭力。

表1 部分機臺施工統(tǒng)計表

經(jīng)過不斷的探索和總結(jié)，并不斷積累“破、碎、硬、卡”等復(fù)雜地層類型的施工經(jīng)驗，逐步摸索出一套針對熱帶雨林氣候和環(huán)太平洋島弧巖漿巖地震帶上復(fù)雜地層特有的鉆探方法，為在該地區(qū)的巖心鉆探項目起到很好的指導(dǎo)意義，同時也為其他類似于該類型地層的地區(qū)起到很好的借鑒作用。

［1］ 湯風(fēng)林，段隆臣，等.巖心鉆探學(xué)（第2版）［M］.武漢:中國地質(zhì)大學(xué)出版社，2009.

［2］ 張春波，等.繩索取心金剛石鉆進技術(shù)［M］.北京:地質(zhì)出版社，1985.

［3］ 胡郁樂，張紹和.鉆探事故預(yù)防與處理知識問答［M］.長沙:中南大學(xué)出版社，2010.

［4］ 石生明，等.SYZX75型繩索取心液動錘在堅硬致密“打滑”地層的應(yīng)用［J］.探礦工程（巖土鉆掘工程），2009，36（9）.

［5］ 蘇長壽，謝文衛(wèi)，楊澤英，等.系列高效液動錘的研究與應(yīng)用［J］.探礦工程（巖土鉆掘工程），2010，37（3）:27-31.

Core Drilling Technology in the Iron Mine Project of Taliabu Island，Indonesia

HANG Cheng（Jiangsu East China Geological Engineering Limited Company，Nanjing Jiangsu 210033，China）

During the core drilling operation in the iron mine project of Taliabu Island，Indonesia，the formations drilled were with the trait of hydrophilic expansion and collapse as mudstone，shale and clay rock;with the trait of hydrophilic dissolution as tuff and ash rock;with the trait of“slipping”as chloride quartzite，and with the trait of difficult coring as fine iron ore.Downhole accidents like jamming，sticking and so on easily happened.Through bold exploration，a set of specific core drilling procedures in this area was developed with good technical results.The paper introduced the core drilling technology for this project in detail.

core drilling;hydro-hammer;internal helical coring tools;bottom jetting bit;iron mine in Taliabu Island，Indonesia

P634.5

A

1672-7428（2012）01-0025-04

2010-09-16;

2011-11-10

杭程（1965-），男（漢族），江蘇人，江蘇華東地質(zhì)工程有限公司工程部經(jīng)理、高級工程師，探礦工程專業(yè)，從事巖心鉆探、石油鉆井等技術(shù)及施工管理工作，江蘇省南京市棲霞區(qū)棲霞街134號，15850632601@139.com。