声波钻进和宝长年LS250声波钻机

颜纯文

(中国地质装备集团有限公司，北京 100102)



声波钻进和宝长年LS250声波钻机

颜纯文

(中国地质装备集团有限公司，北京 100102)

声波钻进是一种新的钻探技术方法，由于具有钻进速度快、岩土样保真度高、施工安全性好和环境污染少等优点，被广泛应用于环境钻探、矿物勘探、岩土工程勘察与施工等领域。本文主要介绍了声波钻进的工作原理、钻进过程、主要优点、应用领域，以及美国宝长年公司最新研制的LS250小型声波钻机的主要特点和技术性能参数。

声波钻进；钻机；振动器；勘探；勘察

0 引言

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进行钻探或其他钻孔作业的一种新型钻探技术。 国外在20世纪70年代研制成功适用于钻进的小功率振动器后，由于具有钻进速度快，岩土样品保真度高等优点，80年代开始在美国的环境钻探中得到广泛应用；90年代后经过不断改进而日趋成熟，钻探工作量不断增加，出现了许多声波钻进承包商和一些声波钻机制造商，如美国的宝长年(BoartLongyear)公司、加拿大的声波钻机(Sonic Drill)公司和MIP钻井公司、英国的声波钻进供应商(Sonic Drilling Suppliers)公司、以及日本的利根钻探(Tone Boring)公司等。

目前，除美国外，声波钻进技术在加拿大、英国、荷兰、澳大利亚、日本等国家也得到了广泛应用，应用范围几乎包括所有的钻探领域，主要是环境钻探、砂矿勘探、地震爆破孔钻进、水文水井钻进、岩土工程勘察与施工等。

在我国，无论是声波钻进的应用还是声波钻机的研制目前可以说还是处于起步阶段。2011年8月，中国煤炭地质总局第二勘探局与中国地质大学(北京)联合研制出YSZ-50型声频振动钻机，并先后成功应用于尾矿坝勘查、大坝监测、钢板桩施工。随后，无锡金帆钻凿设备股份有限公司引进日本利根公司声波动力头技术，研制了YGL-S100和YGL-S50型声波钻机。中国地质大学(武汉)和无锡金帆钻凿设备股份有限公司还针对松散地层专门研制声波钻机配套钻具，提高了声波钻进绳索取心的效率和质量。

1 声波钻进工作原理及应用

1.1 工作原理

声波钻进是利用高频共振能量将岩心管和套管推进到岩土层中。钻进时，共振能量通过钻柱传递到钻头工作面，同时低速回转的钻柱将能量平均分配到钻头工作面上。由于振动频率属于较低的机械波振动范围，能够引起人的听觉，因此称之为声波钻进。

声波钻进的主要设备是声波动力头(见图1)，它比标准的回转动力头大，由液压马达驱动，主要包括回转机构和振动器(见图2)。振动器由两个旋转方向相反的摆轮组成，能够产生可调节的高频振动。动力头的高频振动和低速回转作用，再加上向下的压力，使钻管柱和环形钻头不断向岩土层推进。另外，动力头内获得专利的空气弹簧隔离系统可将振动和钻机本身隔离，而将该能量直接传递到钻柱上。

图1 声波钻机动力头

图2 声波振动器示意图

钻机操作人员可以控制振动器产生的工作能量大小，以便与所钻进的地层相匹配，达到最佳的钻进速度。当振动器的振动频率与钻柱的自然谐振频率一致时，就会产生共振。此时，钻柱的作用就像飞轮或弹簧一样，把最大的共振能量直接传递到钻头工作面。高频振动作用使钻头的切削刃以切削、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层颗粒液化，使钻进变得更加容易。同时，振动作用把土层颗粒从钻具的侧面移开，从而大大降低了钻具与孔壁之间的摩擦阻力，因此钻进速度极快，在许多地层中钻速可高达300 mm/min。

1.2 技术优势

与其他钻进方法相比，声波钻进技术具有如下优点：

(1)钻进速度快。与传统的覆盖层钻进相比，声波钻进有效地结合振动、回转和加压钻进，特别是振动作用可将土粒排开，并使土壤产生液化，从而可以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速度快3～5倍，在某些地层中可高达9倍。

(2)岩土样品保真度好。声波钻进时对周围地层的干扰小，可在覆盖层和软岩中采集直径大(100～300 mm)、代表性强、保真度好的连续岩土样品，从而可准确确定地层接触界面的深度，岩土物性和成分，以及污染物含量。

(3)环境污染少。一般情况下，声波钻进不需采用泥浆和添加剂或其他洗孔介质，钻进产生的废弃物比常规回转钻进少70%～80%，大大减少了钻井液对环境的污染。

(4)施工风险小。声波钻进和取样一般都采用双管系统，岩心管与外层套管先后单独推进，提取岩心后立即将外套管跟进到先前取心的孔底。这样外套管能够很好地保护孔壁，防止钻孔坍塌，同时还可隔离含水层，避免交叉污染。

(5)钻进成本低。与传统的钻进方法相比，声波钻进由于速度快，缩短了施工周期，降低了劳动力费用；而且钻进时产生的废物少，减少了现场清理的费用；加上获取的岩土样品准确，地质信息可靠，带来了较好的间接效益。

(6)适应性广。声波钻进方法适用于各种覆盖层和软岩层，如砂土、粉砂土、黏土、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)、砂岩、灰岩、页岩、板岩等，可有效采集连续、干扰小的岩土样品。

1.3 应用领域

由于具有上述无可比拟的优点，决定了声波钻进可应用于诸多钻探领域，主要包括：

(1)采矿。由于可在松散地层精确取样，因此可用于堆浸或尾矿取样、监测井施工和水样采集、降水或绳索取心。

(2)环境钻探。由于钻进过程中连续下入套管，并且不使用或使用少量钻井液，消除了交叉污染的风险，能采集高保真的样品(见图3)，因而是环境钻探最佳的选择。

(3)岩土工程勘察。可在覆盖层和软岩中钻取保真度好的连续岩土样，为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。

(4)矿产勘探。进行砂金矿床勘探时，声波钻进可非常成功地采集连续砂金矿样；在石油和天然气地震勘探中，声波钻进也是爆破孔施工的理想钻进方法。

(5)水文水井钻探。声波钻进的打井速度快，判定含水层准确，双管系统有利于过滤器安装，钻孔清洁可减少洗井时间和废弃物处理量。

(6)岩土工程施工。可用于混凝土灌注桩、钢板桩、土钉、锚桩、压裂孔、灌浆孔、锚索孔等工程施工。

图3 声波钻进采集岩土样品

2 声波钻进过程

根据地层条件、取样对象和取样要求不同，声波钻进可采用几种钻进方法，最常用的是采用内层钻管和外层套管的双管系统。内层钻管包括钻杆、岩心管和钻头，外层套管包括套管和钻头。钻进时，外层套管既可与内层钻管同时向下推进，也可超前内层钻管推进；或者内层钻管先向下推进一定深度后，再推进外层套管和采集非扰动的连续岩土样品并提出钻孔，此时外层套管可对钻孔起到保护作用，防止钻孔坍塌，并且可防止多层含水层的交叉污染。

典型的声波钻进施工步骤(见图4)如下：

图4 典型的声波钻进施工步骤

步骤1：推进内层钻管

先用声波的方法将内层钻管推进到未受干扰的地层，取心的过程中不使用压缩空气、泥浆或者水。

步骤2：推进外层套管

内层钻管推进一定深度后(一般可以超前1.5～6 m)，同样用声波的方法将外层套管推进到土层，以保证提取岩土样时孔壁的稳定。

步骤3：提取岩土样

外层套管保持在原位不动，将岩心管提出地面并将岩土样取出。

步骤4：再次推进内层钻管

重复上述步骤，直至设计深度。

3 宝长年公司LS250小型声波钻机

目前，美国宝长年公司研制了LS250和LS600两种型号的声波钻机，适用于不同的地层条件和钻进深度，其技术性能参数见表1。

最新研制的LS250型小型声波钻机(见图5和图6)是一款结构紧凑型钻机，非常适用于环境监测、岩土工程勘察、水井施工和采矿等领域，具有很强的适用性和可靠性，该钻机的主要特点包括：

(1)互锁的回转围栏打开时，动力头的回转速度自动降低，提高了安全性，也可根据欧洲最新的安全标准EN16228获得CE认证；

(2)钻机的结构紧凑，可放在集装箱内运输，钻机垫的尺寸小；

(3)钻杆处理装置允许在水平方向上钻杆或套管，然后执行机构再将钻杆或套管从垂直方向与动力头连接，进一步提高了施工的安全性；

(4)采用先导控制液压系统，使钻机的操作和维护方便；

(5)采用铰接的桅杆和肘节钻具，使桅杆可左右、前后移动，钻孔的定位精度高，可在45°～90°之间进行钻进，而且省去了移动钻机的时间；

(6)倾斜的动力头更方便钻杆处理，循环时间更短；获得专利的气袋装置可将振动与钻机隔离，而直接传递到钻孔底部，因而钻进效率更高；

表1 LS250和LS600声波钻机的主要技术性能参数

续表1

续表1

(7)橡胶履带宽度大(600 mm)、接地压力小(28 kPa)，适用于大多数环境敏感地表或不稳定地面，以及难进入施工现场；

(8)配置符合Tier 4i标准的发动机，空转时的噪音仅74 dB，满负荷钻进时不超过99 dB。

图5 LS250声波钻机

图6 小型声波钻机施工现场

4 结语

声波钻进是一种先进的施工新技术，具有钻进速度快、岩土样保真度好、施工安全性好和环境污染少等许多优点，在深厚覆盖层等复杂地层，尤其能显示出其独特的优势。在国外，声波钻进已广泛适用于环境勘察、砂金地质勘探、工程勘察以及地源热泵孔、大坝及尾矿监测孔、边坡加固、微型桩、水井孔等施工。在国内，声波钻进的应用刚刚起步，随着环境保护日益受到重视，其应用会越来越多。

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2016-08-28

颜纯文(1960-)，男，教授级高工，享受国务院特殊津贴专家，中国地质装备集团有限公司《地质装备》副主编，中国地质学会非开挖技术专业委员会副主任委员，长期从事岩土工程和非开挖技术科技信息分析研究工作，北京市朝阳区望京西园221号博泰大厦5层，Tel：010-64843889，Email：yan64843889@126.com。

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