美国声波钻进规程ASTM D6914/D6914M-16浅析

2018-11-21孙平贺徐金鉴张绍和

钻探工程 2018年10期

韩萌，孙平贺，3，徐金鉴，曹函，3，隆威，张绍和，王旭

(1.有色金属成矿预测与地质环境监测教育部重点实验室，湖南长沙 410083； 2.中南大学地球科学与信息物理学院，湖南长沙 410083； 3.美国亚利桑那州立大学，坦佩 85282； 4.南京大学地球科学与工程学院，江苏南京 210002)

0 引言

声波钻进技术(Sonic Drilling)将高频振动力、回转扭矩和钻进压力三者结合为一体，实现钻进成孔工艺过程。20世纪40年代美国和前苏联对该技术展开了相关研究工作，如对超声波钻进过程中的声波能量耦合原理并进行了特性分析等[1-2]。德国帕德博恩大学还研究了一种新型超声波钻进取样装置[3]，直至20世纪末形成了较为完善的技术和设备体系[4-6]。国内对这一技术研究起步较晚，包括对超声波换能器原理、超声物理应用研究等，为声波钻进奠定了基础[7-8]。相关研究机构对超声波在深空钻探中的应用及实验展开了分析[8-9]。但由于声波高频振动头技术的限制，声波钻进技术应用推广受到极大限制[10]。近些年，无锡金帆通过合作和创新，推出了系列声波钻机，极大地推动了该技术的市场应用[11-12]。

相比传统回转钻进技术，声波钻进具有钻进速度快、岩心保真好、环境污染小、施工安全高、适用地层广、综合成本低等优点，在国外被广泛应用于工程勘察、环境调查、浅源地热、基础工程、矿山治理等领域。为了提高声波钻进施工质量和过程控制，北美最大的工程标准学术团体——美国材料与实验协会(American Society for Testing and Materials, ASTM)，于2004年制定了第一部声波钻进规程D6914-04，成为设计、施工及设备制造商的参考标准。协会于2010年对规程做了进一步修订，形成D6914-04(2010)版。2016年11月，协会对该规程完成了第二次修订，同年12月颁布了最新声波钻进规程D6914/D6914M-16。本文根据2016版规程内容，从适用范围、设备选择、技术注意事项等方面进行了阐述。

1 技术原理

声波钻进是根据地层的固有频率或频率组，利用振动器的高频振动和低速回转作用，实现破碎钻进成孔的过程，而地层的固有频率取决于其矿物组成和厚度。在声波钻进中，钻头是上部钻具综合作用力的承载体，一定速度的回转可以保证钻机能量均匀分配到钻头的底唇面上，控制钻头磨损以及维持钻孔垂直，如图1所示。

同时，当振动器与钻柱谐振频率重叠时，会产生共振现象，此时钻头受到的能量达到峰值。一方面实现断裂、剪切地层岩石的作用，还可以使周围钻屑颗粒向外围扩展，保证用于现场分析和实验室测试的岩样完整性，降低钻具与孔壁的摩擦阻力，提高机械钻进效率。声波钻进采样装置包括薄壁管、对开式岩心管和地下水原位取样装置。

2 钻进设备

2.1 近钻头部分

图1 声波钻进原理

声波钻进近钻头部分包括正弦波发生器、发生器驱动机构、减少摩擦和控制钻头热量的润滑系统、振动隔离装置、钻杆回转机构以及钻杆的连接装置。正弦波发生器须产生足够的能量推动钻杆完成碎岩和剪切作用，如图1所示。正弦波发生器使用偏心反转平衡砝码在0°和180°时振幅最大，如图2和图3所示。通过液压推动，一般在0～185 Hz运行并提供全方位能量输出，推进长度高达12 in(1 in=25.4 mm，下同)。根据石油供应商要求，润滑系统应配备足够容量的冷却器，以保持流体温度处于允许范围内。隔振系统主要起到保护作用，确保向钻柱提供最大的振动能量而不损坏钻机，钻杆上施加的振动须与钻机隔离，如图2和图3所示，可使用充气弹簧、手动弹簧或其他方法。

图2 碟形弹簧封闭式钻头结构

2.2 钻具部分

图3 空气弹簧封闭式钻头结构

声波钻具主要包括钻杆、套管、岩心管、采样器钻头、套管钻头、直剪取样探头、水样取心管等。个体或公司拥为特定工程项目设计的钻具系统，如果能获得高质量岩心和高效钻进，也适用于本钻进规程。

同传统的回转钻进一样，钻杆用于传递综合作用力并回收岩心管，通用尺寸为直径2～4 in，长度2、5、10 ft以及20 ft(1 ft=30.48 cm,下同)；套管标称外径为4～12 in。当相同尺寸钻杆搭配不同尺寸岩心管时，套管和钻杆之间空间大小不确定。

岩心管主要用于采集地层样本并清理套管内部。液体或固体岩心管都有不同的直径和长度，其尺寸应与套管内径相匹配并满足项目要求。岩心管安装有切割片，穿透地层时可保证垂直度。常见岩心管主要包括以下几类。

(1)固体岩心管。固体岩心管是两端有螺纹的固体管材，有多种尺寸和长度，标准采样运行长度为10～20 ft，可调整采样运行长度来获得最佳岩心采取率，组合岩心管可增加取样长度。在某些地层中，随着进尺增加，岩心采取率有降低的趋势，另一些地层中反倒有升高的趋势。振动会使在松散未固结的砾石地层取得的样品致密，同时在松散地层和软土中取心时会压密地层土。

(2)对开式岩心管。对开式岩心管是两端有螺纹、纵向可分开的管材，两部分岩心管有突出和凹槽部分，用于互锁以防止岩心管分开，有多种直径和长度。即使穿透地层时对开式岩心管受到震动作用，但对其影响不大，有利于观察岩样。对开式岩心管在坚硬地层中有分开趋势，同时也取决于施工方法；获取岩心后质量很大，需要特定技术移取。内衬、透明丁基、聚乙烯基塑料或不锈钢可用于对开式岩心管和固体岩心管。

(3)在岩土工程勘察中，标准取样设备可与声波钻进结合使用。D1586(ASTM标准编号，下同)标贯实验用于声波钻进时应配备套管和140 lb(1 lb=453.59 g,下同)自动锤；液压驱动的D6519和手动或固定活塞、薄壁管岩心管D1587与声波钻进结合使用应配备有大容量泵；岩土钻掘中声波钻一般都配备绞车线。

套管钻头与套管连接部分组合，其作用是引导套管穿透地层，并带走钻屑。套管钻头可遵循以下3种基本设计方向之一。

(1)“挤入”将大部分岩心挤入钻孔和套管内，在密实、干燥或粘性好的地层可得到很好的应用，有助于减少地层压实和摩擦。

(2)“挤出”将大部分岩心挤出孔壁，在松散、颗粒状的砾石和淤泥地层中可得到更好的应用。

(3)“中性”允许钻头选择阻力最小的路径。不同的地层可选配不同钻头，钻头表面均匀间隔分布硬质合金齿，图4显示了典型的硬质合金齿分布方式；硬质合金钻头在众多地层中得到很好的应用，被认定为普遍通用钻头，其极适合于声波钻进时发生的冲击作用。其它配置包括胎体上的焊接硬质合金片、切削齿等。

图4 套管钻头结构

区别于套管钻头，岩心管钻头设计可承受较小压密作用和摩擦力，使岩心通过钻头进入岩心管。钻头一般由锯齿状硬质合金齿、粗糙内表面或固定容器组成，以协助保存岩样。岩心管钻头直径应小于岩心管内径in，这样岩心会以最小阻力进入岩心管，减少了对岩心的不必要扰动。钻头唇面应设计为最有利于钻进地层，如在含有卵砾石的密实地层中可采用硬质合金齿，松软地层中锯齿形有利于排除钻屑。钻头唇面类型和取心方法的选择取决于地层特征，并应随钻进过程进行优化，减少岩心扰动的同时以获得最高岩心采取率。

声波钻进也是一种直推式钻进方法，可用于环境勘察中的原位保真取样钻进。原位取水样钻具的锯齿形内管和外部驱动管件连接于一点，该点直径与外部驱动管直径相同，以防产生空隙，造成含水层之间交叉污染。安装过程中，内部滤网通过装有O形圈的外部驱动管与地层密封。当进入岩层时，土体摩擦力作用于该点，向外拉动外部驱动管可使内部滤网外露，内管直径为2～4 in或更大，以增大取心能力，使用高容量泵可从深部地层快速采样。采水样探头可安装一次性结构设计，以进行压力灌浆或安装小直径监测井，探头采用密封形式安装在声波套管内的充气隔离器中。

2.3 声波钻机

同回转钻进的钻机相似，声波钻机也是载具承载，其动力可由车载发动机或辅助发动机输出。声波钻机配有钻塔，用于上下移动钻头、向钻柱施加给进和收回压力以及搬运装备，钻机也可配备自动化装置。声波钻机采用液压驱动，钻塔、钻井液泵、夹持机构和其他辅助设备也需动力驱动，因此，电源须提供驱动所有系统所需的马力，马力要求基于设备的实际钻深能力。同时，运载车辆须具有足够的自重以支撑钻机质量。

钻塔根据实际钻深的不同其高度有所不同，但要求钻塔应具有足够的拉伸力，一般为钻具重力的1.5倍。声波钻机可采用几种不同尺寸的夹持器。针对近水平声波钻机，由于其可向上倾斜90°钻进，使钻杆或套管与主轴连接，最后提升回归原位与钻柱连接。其它钻进形式可采用杆式夹持机构，钻杆或套管为挂钩连接，钢丝绳绞车可用于钻杆脱扣，使用绞盘方式的设备通常配有一个滑轮，可拉伸20ft长的钻杆，以减少岩心管取回时间。声波钻机同样配有钻杆拧卸装置，装置上部应能双向旋转以关闭和打开接头，接头喉部须足够大以容纳最大尺寸的钻具。同时间隙应可以调节，下部构件应能够承受工具最大总重，高速旋转装置可加速拧开钻杆。

声波钻机配备的泥浆泵有多种用途，如：泵送钻井液进行润滑、排出钻屑、冷却钻头等，也可进行钻孔灌浆以及设备清洗等。在某些地层钻进中，钻井液在平衡地层压力方面更为明显，如饱和土层，但实际工程中钻井液主要目的是保持套管清洁。声波钻进中对钻井液消耗较少，通常不做回收处理。根据声波钻孔深度，建议至少配备一个泥浆泵，如果需要辅助泥浆泵，需提供200 psi(1400 kN/m2)的泵送或清洁能力，渐进式腔体或蠕动泵在声波钻进中应用效果较好。同时，泥浆泵应配备压力指示仪和泄压阀，以保护泵免受损坏并防止地层破裂。空气压缩机也可在声波钻进中应用，但应注意同钻进地层相匹配，其气压可由钻孔深度、孔径确定，具体参数参考D5782。声波钻机的辅助工具包括杆式起重设备、管件扳手、钻井液搅拌机以及用于维护和修理的手持式工具，还应配备便携式或液压式电弧焊机、乙炔炬、蒸汽清洁器和便携式发电机、便携式流体泵和泥浆储存罐等。

3 成孔工艺

3.1 钻前准备

通过举行安全会议和项目信息会议，审查完整的安全工作程序；审查公用事业许可信息；钻探人员应着防护安全装备；需进行一般性现场勘察，并在设备进场之前检查钻孔位置，检查所有地下和高架设施的位置；注意可能妨碍钻机操作的任何障碍物；查看钻孔位置的行程路径以确保设备安全运行；干扰钻机的辅助设备或耗材应从钻机上移除；调平千斤顶，并应具有足够大小的接地垫，以分散负载并防止沉降导致钻具未对准；钻头水平后，应抬起并固定桅杆；若需收集钻井液，应放置流体储存罐；根据需要定位服务车辆，以获得有效的工具处理和钻井支持；根据需要连接各种泵和定位工具。

声波钻进可采用湿式或干式两类工艺。具体工艺方法的选择取决于项目要求、地层和钻孔设计深度。将岩心管连接到钻头，并将钻头和岩心管同钻杆头部紧密连接，检查钻机垂直度。

3.2 取样钻进

在钻头穿过表层土、路面或其它覆盖层后，从钻孔中取出岩心管并取出覆盖层岩心样品，重新下钻后，启动声波钻机。注意钻进深度变化，记录钻深增量，精确到0.1 ft。尽量在偶数英尺处结束取样钻进，或者为了便于钻孔测量，以0.5 ft增量结束钻进。

3.2.1 固体取样钻进

在完成取样时应停止施加压力、停止声波钻头和岩心管回转，并按正确方向将岩心管中样品放入岩样收集袋中。样品袋尽可能靠近岩心管底部，以减少岩样下落距离，尽可能减少干扰；岩样通常保存在2～5 ft长的样品袋中，用于检查、记录和分析，样品袋长度不超过5 ft，因为收集的岩样质量越大，后期处理难度也越高；若岩样可扰动，则取样袋长度可大于5 ft。根据需要更换取样袋，直到从岩心管中取出所有岩样。回收岩样对后续实验非常重要，如果遵循规范，固体岩心管取心可获得精确的实验数据。针对特殊地层取样，可使用透明塑料岩心管衬里进行更精确的回收测量，如图5所示，也可使用固体岩心管采取水样。声波振动和钻头会对岩样和其他土体造成干扰，在测量岩样时应予以考虑。旋转岩心管对取出岩心是有利的，但是，只能在必要时使用，以避免扰动岩样或使其从采样器中掉落；某些地层中，可能需要启动声波钻头以便于取出岩心管。现场技术人员应意识到，所采取的任何技术措施都可能对岩心造成扰动，应尽可能避免不必要的扰动。

图5 采取的岩心

3.2.2 对开式岩心管取样钻进

使用对开式取样步骤与一体式岩心管相同，不同之处在于对开式岩心管不能承受重压或高摩擦阻力旋转，因此，现场操作时必须更为谨慎。取出岩样时，对开式岩心管可减少岩样干扰。关于岩样移除和清洁处理可参考ASTM其它标准。采用对开式岩心管可得到更准确的岩样数据。

3.3 套管钻进

在声波钻进中，套管的作用是维持孔壁稳定，以防止钻孔塌陷，同时也利于岩样回收、防止含水层交叉污染，提高岩心保真度，也可为钻孔测量提供可控环境。根据钻进的地层，使用干法安装套管或湿法安装套管。干法是在岩心管从钻孔中取出后进行安装，而湿法则是在岩心管提钻前进行。套管有多种常用长度和直径，其尺寸与岩心管的直径比例根据对环空的清洁度确定。钻井液的功用同普通回转钻进是一致的，不同的是，声波钻进过程中钻井液通常不再循环使用。

采用干法安装套管时，按照设定的取样间隔取出岩心管，并及时收集、处理岩心样品，将钻头连接到套管后下入到取样位置以下，然后再下入岩心管进行取心钻进。在某些地层中，可使用双倍长度的岩心管进行连续取样，同时注意保证岩心管清洁度。钻遇坍塌地层时，应测量位置并正确记录。湿法安装套管时，首先将岩心管下到预定深度，钻头与岩心管断开，钻杆中放置一个塞子以保护螺纹，并防止钻井液进入岩心管冲刷岩心。钻头上安装有相同长度的钻孔套管，并将其连接到岩心管上，利用压力、旋转和振动作用推进套管，同时启动泥浆泵，钻井液被泵送到套管柱中，通过润滑作用推动其直至岩心管底座。然后取出岩心管，收集、处理岩心样品后再次下入预定深度。岩心管提钻时，顶部与钻井液之间有少量接触。

由于声波钻孔受到套管的保护，因此可采用多种仪器设备对钻孔进行原位测试。含水层测试或地层其它物性特征的测试可参考ASTM标准，如：含水层参数测试可依据D4050。由于钻进过程周围对地层干扰小，使孔内测试数据更为真实可靠。地层原位测试可参考D4044及旁压测试D4719、十字板剪切测试D2573等。同时，传统回转钻进的钻头也可应用于声波钻进中，如金刚石钻头(D2113)。由于声波钻通常具有低转速特点，因此可通过使用齿轮驱动的速度倍增器、2速旋转马达、调整声波钻头输出方式等措施获得足够的钻进速度。通过压缩空气源，可将潜孔锤引入声波钻进中，实现高效成孔。标贯实验(D1586)中的分体式岩心管、薄壁管(D1587)等也都可在声波钻孔中应用。