MGD-S50Ⅱ型声频振动钻机场地试验及钻探工艺研究

赵晓冬

(中国煤炭地质总局第二勘探局，河北 涿州 072750)

0 引言

2011年中国煤炭地质总局第二勘探局(以下简称第二勘探局)与中国地质大学(北京)联合研制成功国内首台声频振动深度50m的YSZ-50型声频振动钻机，随后开展广泛试验，在广泛试验暴露问题的基础上，第二勘探局对整机结构、液压系统、电控系统和声频动力头进行优化设计，于2015年6月试制成功MGD-S50Ⅱ型声频振动钻机(图1)。

图1 MGD-S50Ⅱ型声频振动钻机Figure 1 MGD-S50II sonic frequency resonance drill

为了进一步验正钻机的极限振动深度能否达到设计指标，通过进一步的模拟施工现场的声频钻进试验，检验声频钻机实际的钻探工况应用，并测试不同地层的振动速度及其相适应的取样钻具，观测声频动力头的结构强度、温升和噪音变化情况，充分了解钻探油耗、液压系统、电控系统、操作系统及整机的稳定性等参数和数据，摸索声频钻探施工现场的工艺工法，以便更好的积累声频振动钻探技术经验。

1 试验区地层

本次试验揭露钻孔深度范围内的地层划分为7大层和1个亚层，第一层地下水位埋深在12～13m处。现对试验区地层自上而下分述如下：

①层，杂填土：杂色，以含砖块、灰渣、砼碎块及石子等为主，层位标高0～-1.3m，厚度1.3m。

②层，粉土：褐黄色，稍湿，稍密，层位标高-1.3～-14.2m，厚度12.9m。

③层，淤泥：灰色，很湿，层位标高-14.2～-15.2m，厚度1.0m。

④层，粘土：褐黄色和黄褐色，很湿，可塑，层位标高-15.2～-29.5m，厚度14.3m。

⑤层，细砂：灰褐色，饱和，中密，含石英、云母、长石等，层位标高-29.5～-31.8m，厚度2.3m。

⑥层，粗砂夹卵石：杂色，饱和，密实，次圆状为主，卵石占50%以上，一般直径3～5cm，最大直径6cm，钻进困难。层位标高-31.8～-39.7m，厚度7.9m。

⑦层，粘土：黄褐色，可塑，层位标高-39.7～-52.85m，厚度2.3m。

2 试验结果分析

2.1 声频振动极限深度

2017年11月7日到2017年11月17日(中途休整2日)，在河北涿州研制厂区内持续开展了极限深度试验，累计30.65h。终孔直径95mm，终孔深度52.85m，超过设计指标。

2.2 振动速度分析

2.2.1 不同地层的振动速度

通过现场录制的钻探视频，整理出不同地层下的振动速度(表1)。

表1 不同地层下的振动速度Table 1 Vibration velocity under different strata

从表1可知，④层振动速度最快，②层次之，⑤层再次之，⑥层最慢。

2.2.2 不同深度的振动速度

通过现场录制的钻探视频，整理出不同深度下的振动速度见表2。

表2 不同深度下的振动速度Table 2 Vibration velocity under different depths

由表2可知，对于粘土层，随地层深度的增加，振动速度在逐渐降低。

2.3 不同地层的配套取样钻具

因地层复杂多样，配套选用127mm套管、108mm半合管钻具、100mm捞砂筒钻具和89mm岩心管钻具连续完整地获取地层样品，取样率高达96%以上。

2.3.1 半合管钻具

针对回填土、粉土、黏土、粉质粘土和砂土等含水量较小的地层，采用108mm半合管钻具能够完整获取该类地层样品(图2)。

图2 半合管钻具取出的地层样品Figure 2 Strata samples taking by split core barrel

2.3.2 岩心管钻具

针对地层中的粗砂层夹卵石层，样品容易造成半合管的径向膨胀变形，而89mm岩心管全管钻具整体强度大，不易膨胀变形，取样质量好，卸掉钻头后，从岩心管中退出的样品见图3。

图3 粗砂夹卵石样品Figure 3 Samples of coarse sand intercalated with pebbles

2.3.3 捞砂筒钻具

针对地层中稀软的淤泥层，半合管钻具和岩心管均无法取出完整样品。采用100mm捞砂筒钻具成功捞取了淤泥样(图4)。

图4 稀软淤泥样品Figure 4 Samples of thin and soft silt

2.4 油料消耗

为了获知油料消耗方面的参数，统计施工期间的油料消耗情况(表3)。

表3 施工期间油料消耗统计Table 3 Statistics of oil consumption duringthe drilling operation period

由表3可知，该钻机的油料消耗为1.45L/m，相对常规钻机较小。

2.5 声频动力头的结构件强度、温升和噪音测试

动力头采用侧面减振方式，减振效果良好，动力头框架采用加厚钢板和角钢组焊成一整体结构，强度大，变形小，未发生疲劳损坏现象，回转轴承锁母采用径向螺钉固定方案后没有出现松动现象。

声频动力头派克马达的温升在8～13℃，依地层和深度而异。在相同时间内，地层越硬、温升越大。

本次声频振动钻探的最大噪音值约106db。

3 钻探技术综合评价

1)钻探速度快。在该厂区地层条件下，声频振动钻探的平均机械钻速可达2.8m/min，约为常规回转钻探或冲击钻探速度的2～3倍。

2)取样连续、样品质量好。由表1可知，每回次获取的样品长度都接近取样钻具的长度，样品质量好。

3)适应范围广。通过采用不同的钻具配置，声频振动钻探可钻取粘土、粉土、粉质粘土、砂土、和卵石(粒径在6cm以内)等多种地层。

4)应用优势明显。声频钻机采用无水钻探方式，可准确探查地层地下水位，与泥浆回转钻探相比，具有无法比拟的优势。对于要求无泥浆钻探的环境钻探场合，传统SH-30钻机的钻探深度只有30m，在30～50m深度内，声频钻机具有无可替代的优势。

5)解决了卡钻问题。在本次极限深度试验中，发生了钻杆和钻具在淤泥层卡钻的现象，使用动力头静力起拔没有效果，采用开启反向声频振动，成功将钻杆和钻具从孔底提出，显示出较大的优势。

4 改进建议

1)动力头。回转马达联接螺栓易松动，应采用防松螺栓及螺母；动力头前后压盖需开工艺槽，便于检修、维修。

2)底盘。履带行走不同步，调节控制履带的阀心流量，确保同步行走；桅杆背后滑板应缩短，以防滑移过程中切掉底盘前端的桅杆支撑垫块。

3)液压系统。液压系统实现了集成化技术和先导控制技术，液压传动效率更加高效节能。但是，夹持器进、出油管太紧，需留出自由伸展长度；拖链下端油管接头体间距偏小，不利于维修。

4)电控系统。电控系统实现了对发动机工作全过程监控，可以对发动机转速、水温、机油压力、发动机启停、电瓶电压等信号进行监测、检测及调节。对履带行走和桅杆起落时采用声光报警，提醒操作者和周边人员注意安全。

5)孔口操作台。孔口操作台实现了全方位无死角观察孔口情况，但是其支撑臂设计偏短，不利于操机人员观察孔口情况。

5 结论

通过声频振动钻机场地试验的顺利开展，获知了声频钻机的极限振动深度，获取了不同地层和不同深度的振动速度，摸索出不同地层的配套取样钻具，统计了声频振动油料消耗情况，全面测试了声频动力头的结构件强度、温升和噪音，这些重要数据的获取为钻机下步的改进定型、编制行业规范、开展特种勘探技术服务进而推向市场奠定了坚实基础。

[1]吴光琳.声波钻进技术的发展及其应用[J].探矿工程(岩土钻掘工程),2004, (3):39-41.

[2]陆卫星，任晓飞，吴浩，等.国内振动钻机的发展及应用[J].中国煤炭地质，2012，(7).

[3]任晓飞,赵振国,牛军辉,等.YSZ-50型声频振动钻机在尾矿坝勘察中的应用[J].地质装备,2013, (1):27-28.

[4]雷开先.声波钻机在环境地质调查中的应用研究[J].探矿工程(岩土钻掘工程),2013, (6): 4-7.

[5]李伟，吴浩，杨恺. MGD-S50Ⅱ型声频振动钻机的研制与试验[J].中国煤炭地质，2017，29(12)：75-77，95.

[6]史海岐,刘宝林.声频振动钻机及其液压系统的设计[J].探矿工程(岩土钻掘工程),2007, (7):44-46.

[7]吴浩,陆卫星,任晓飞,等.YSZ-50型声频振动钻机的研制[J].探矿工程(岩土钻掘工程),2012, (1): 9-13.

[8]华北勘察院.红星400型钻机试验报告[J].勘察技术, 1977,(4): 26-31.

[9]杨甘生,等.FD-300型液压传动顶驱式钻机生产试验简介[J].探矿工程,1997, (10):14-15.