声波钻机技术--岩土工程勘察与环境修复中应用

一、声波钻机介绍

1、概述
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。

图1 声波钻进基本原理图

图2：Eijkelkamp声波钻机

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。

图3 声波钻进采集岩土芯样

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。
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、核废物泄漏区、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，如荷兰Eijkelkamp公司，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目前处于空白。
5，荷兰Eijkelkamp公司声波钻机介绍

5.1，SmallRotoSonic小型声波钻机 型号：SRS-PL

主要性能描述：

• 用于钻探和覆盖层取样
• 典型深度为30m
• 为世界上最小的旋转声波钻机
• 有长冲程和短冲程可选

应用领域：

• 环境钻探与取样
• 岩土工程取样与测试
• 地震爆破井钻探
• 岩土施工钻探

5.2、SmallRotoSonic小型声波钻机 型号：SRS-ML

主要性能描述：

• 用于钻探和覆盖层取样
• 典型深度为30m
• 有长冲程和短冲程可选

应用领域：

• 环境钻探与取样
• 岩土工程取样与测试
• 地震爆破井钻探
• 岩土施工钻探

5.3、CompactRotoSonic紧凑型声波钻机 型号：CRS DUO

主要性能描述：

• 用于钻探和取样
• 客采取覆盖层和硬层（卵石层和岩层）
• 典型深度为60m
• 基岩层可采用4速旋转钻头

应用领域：

• 环境工程钻探与取样
• 矿产开发
• 岩土工程取样和测试
• 地震爆破井钻探
• 岩土施工钻探
• 地热钻探

5.4、MidRotoSonic中型声波钻机 型号：MRS

主要性能描述：

• 用于覆盖层和硬层（卵石层和岩层）钻进和取样
• 典型深度：125m
• 可选择4速旋转钻头和金刚钻钻头

应用领域：

• 环境工程钻探与取样
• 矿产开发
• 岩土工程取样和测试
• 地震爆破井钻探
• 岩土施工钻探

5.5、LargeRotoSoni大型声波钻机 型号：LRS DUO

主要性能描述：

• 用于覆盖层和硬层（卵石层和岩层）钻进和取样
• 典型深度：200m

应用领域：

• 环境工程钻探与取样
• 矿产开发
• 岩土工程取样和测试
• 地震爆破井钻探
• 岩土施工钻探
• 地热钻探

6. 声波钻机独创的水锁取样

备注：1，阀门系统 2， 进水口 3，活塞 4，刃脚或环形钻头 5，水柱

在钻孔之前，水锁(AquaLock)取样器被充满水(5)， 这样活塞(3)就被锁定在刃脚的底部。当你振动将其向下推进，以及在刃脚及还未准备取样之前， 水锁(AquaLock)一直是空的。你可以通过钻杆降低顶杆以解锁活塞(3)， 这样就可打开水锁顶部的阀门； 如此， 活塞就可以自由移动， 同时可得到不受扰动的试样。
取样之后，弹簧顶管被移除，以允许阀门关闭， 这样可以造成真空； 如此，在水锁取样器回收过程中就可以保持试样。一旦被回收之后，你可以在活塞后面施加高压水，以取出试样。
7、安全不是昂贵的，而是无价的

• 可进行完全无线电控制的操作
• 只选用优秀品牌组件
• 钻井液泄压阀
• 钻井时重量补偿
• 钻井时悬浮功能
• 悬浮三脚夹钳
• 可选双路加载
• 可选绞车用液压可展开的，可摇摆的起重机臂
• ManipAll （不需要手或者绞车来操作管子或者套管） 专利号. N2014409
• 钻头的互锁式护罩
• 绝缘引擎盖
• 试运行前所有钻机的现场测试
• 现场培训

8，声波钻机的应用领域