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声波钻进技术
双击自动滚屏 发布者:admin 发布时间:2012-2-8 1:43:50 阅读:1607次 【字体:

(水文地质工程地质技术方法研究所 叶成明)
1、基本概念
声波钻进(sonic Drilling),又称为回转声波钻进或振动钻进。它是利用高频振动力、回转力和压力,三者结合在一起使钻头切入土层或软岩,加深钻孔,进行钻探或其它钻孔工程的一种新型钻探技术方法。
声波钻进的主要设备是振动头,也就是振动器。振动头能够产生可以调节的高频振动和低速回转作用,再加上向下的压力,使钻柱和环形钻头不断向岩土中推进。振动头产生的振动频率通常为50-185Hz,转速100-200rpm。钻柱的低速回转保证能量和磨损平均分配到钻头的工作面上。当振动与钻柱的自然谐振频率叠合时,就会产生共振。此时钻柱的作用就像飞轮或弹簧一样,把极大的能量直接传递给钻头。高频振动作用使钻头的切刃以切削、剪切、断裂的方式排开其钻进路径上的物质,甚至还会引起周围土粒液化,让钻进变得非常容易。另外,振动作用还把土粒从钻具的侧面移开,降低钻具与孔壁的摩擦阻力,也大大提高了钻进速度,在许多地层中钻速高达30.5cm/min。
2、声波钻进的优点
声波钻进技术具有如下优点:
① 钻进速度快。声波钻进是振动、回转和加压钻进的有效结合,特别是振动作用使土粒排开和土壤液化,从而获得较高的钻进速度。一般情况下,声波钻进比常规回转钻进和螺旋钻进快3-5倍。
② 岩土样保真度好。声波钻进可在覆盖层和软基岩中采集直径大、代表性强、保真度好的连续岩土样。
③ 环境污染少。通常情况下,声波钻进不采用泥浆和其它洗孔介质,钻进产生的废物比常规钻进少70%-80%。从而减少钻进液对环境的污染。
④ 施工安全性好。声波钻进和取样采用双管系统,岩心管与外层套管单独进行,提取岩心后立即将外套管跟进到先前取心的孔底,外套管能够很好地保护孔壁,防止孔壁坍塌。同时还可隔离含水层,避免交叉污染。
图4 声波钻进步骤
⑤ 适应地层范围广。声波钻进方法可以在各种覆盖层,如砂土、粉砂土、粘土、砾石、粗砾、漂砾、冰碛物、碎石堆、垃圾堆积物(包括木头、钢板、混凝土、沥青等)和软基岩,如砂岩、灰岩、页岩、板岩等,有效采集连续岩心样品。
⑥ 钻进成本低。由于钻进速度快,缩短了施工周期,降低了劳动力费用;钻进产生的废物少,减轻了现场清理费用。
3、声波钻进应用领域
由于声波钻进上述优点,决定了声波钻进可应用于诸多钻探领域,具体如下:
① 环境钻探。环境钻探往往在垃圾填埋场、军事基地、油罐场、公共加油站、农药堆放场、核废物泄露区、工业废液泄放和渗漏区等地进行。需要钻进方法具有钻进速度快、施工安全性好、适应地层范围广和能采集高保真样品等特点,声波钻进技术无疑是环境钻探最佳的选择。
② 岩土工程勘察。声波钻进可在覆盖层和软基岩中采集直径大、代表性强、保真度好的连续岩土样。能够准确确定地层厚度、岩土物性和成分以及污染物含量,为岩土工程勘察获取准确的岩土力学性质、水文地质和地球化学信息等提供了理想的手段。
③ 矿产勘探。进行砂金矿床勘探时,声波钻进方法可非常成功地采集连续砂金矿样,另外,在石油和天然气地震勘探中,声波钻机是理想的地震勘探孔钻探设备。
④ 水文水井钻探。声波钻进打井速度快,判定含水层准确,双管系统有利于过滤器安装,钻孔干净可减少洗井时间和最少的流体废物处理量。
⑤ 岩土工程施工。声波钻进可用于建立混凝土灌注桩、设置钢桩、土钉、埋设锚桩、安放阳极、打水力压裂孔、灌浆孔、锚索孔等。
4、国内外发展情况
在国外,声波钻进技术的研究始于二十世纪四十年代,1948年美国研制了一种称为“声钻”的孔底振动器,目的是提高钻进速度,但由于振动能量过高导致孔底部件损坏而未能成功。与此同时苏联也研制了“VIRO-DRILLING”系统,该钻进系统是一套地面振动器,靠振动作用钻进土层,钻进效率比常规回转提高3-20倍,但也因巨大的振动能量使钻进设备和钻具失效而未能得到应用。60年代美国壳牌石油公司制造出大功率的地面振动器,用于石油井服务工作,诸如套管起拔和油井修复等,另外还用于高速打桩。七十年代开始研究小功率振动器,较小振动功率(100Hp)振动器研制成果后,首先在北极地区结冰的湖底湿粘土和砂岩中,施工50m左右的石油和天然气地震勘探孔;随后用于砂金矿的连续取样,取得了非常好的效果。80年代后,环境保护日益受到全社会的重视,特别是美国,环境钻探工作十分活跃,由于声波钻进速度快、岩心样品保真度高、钻进过程不会产生二次污染,因此声波钻进成为其环境钻探不可缺少的手段。不久,声波钻进技术传播到加拿大。早期声波钻机的振动头没有专门化,所用的钻具为已有的标准钻具,非专用钻具,因此钻机、钻具的可靠性差,钻具常因高频振动而损坏。90年代以后,经过一系列的改进和多方面的应用试验,声波钻进技术才日趋成熟。钻探工作量不断增加,出现了许多声波钻进承包商,如美国的Boart Longyear公司环境钻探部、Bowser-Morner公司、Prosonic公司、加拿大的sonic Drilling公司等。声波钻进设备制造商也较多,如美国的Versa-Drill国际公司、Acker Drill公司、Gus Pech制造公司、加拿大的Sonic Drill公司、日本的利根公司等。目前,除美国外,声波钻进技术在加拿大、荷兰、非洲、澳大利亚、圭亚那和亚洲等国家和地区得到应用。应用范围包括地质勘探、水文水井钻进、滑坡勘察与治理、地震爆破孔施工等几乎所有的钻探领域。
在国内,声波钻进技术的研究和应用均处于空白。
5、国外应用实例
① 1981年,在美国阿拉斯加砂金矿区勘探中,曾用两台声波钻机进行钻探,钻孔直径89-250mm,钻孔平均深度90m,最大钻孔深度210m,取得了非常满意的钻探效果。
② 1996年,在美国哥仑比亚British东部的W.A.C.Bennett坝顶出现多处落水洞。此坝为容纳750亿立方码水的Williston水库拦水坝,坝长1.25英里,坝高600英尺,坝宽2600英尺,坝体由土石填筑而成。落水洞的出现预示着土石坝的内部结构已遭到严重侵蚀,大坝一旦决碮,水库下游将遭受灭顶之灾。美国政府迅速从世界各地召集来专家,共同研究形成落水洞的原因、估计大坝内部松散区域的范围、确定最佳的补救措施。于是起动了多种方法的大坝全面调查程序,包括非常规地球物理勘查技术、电子锥穿透试验等。但是,没有一种方法能提供工程师需要的落水洞区域的准确信息。在这种情况下,决定在大坝上钻孔,在大坝上钻探非常危险,原因是一旦通道被打开,随之而来的水流将无法阻止,很快大坝将决碮,如果钻探中采用钻进冲洗介质,由于水力压力,可能造成打开的通道破裂。为此,需要采用既能迅速提供连续岩土样,又不使用水或其它形式钻进冲洗液的钻探方法。起初曾采用空气潜孔锤钻进方法,但空气潜孔锤无法穿透深厚的大坝中心。最后,加拿大Sonic Drill公司采用Gus Pech制造公司生产的声波钻机十分顺利地完成了大坝调查钻探任务,施工钻孔15个,最大钻孔深度132m。
 
 
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