MGD-S50Ⅱ型声频振动钻机应用试验及优化研究

陆卫星，吴浩，任晓飞

(中国煤炭地质总局第二勘探局绿色勘查技术装备研究院，河北涿州 072750)

0 引言

2016年，中国煤炭地质总局第二勘探局绿色勘查技术装备研究院钻机研发团队在第一代YSZ-50型声频环保钻机的基础上，优化整机结构布局、液压系统、电控系统和声频动力头部件，研发成功MGD-S50Ⅱ型声频环保振动钻机，技术性能进一步提升。

为进一步检验MGD-S50Ⅱ型声频环保振动钻机在极限负载条件下的工作稳定性，优化完善钻机并研制声频环保钻机配套钻具，2019年中煤地第二勘探局集团有限责任公司设立“MGD-S50Ⅱ型声频振动钻机极限深度试验及优化研究”科研项目，以检验设备性能并优化设计钻机。

1 钻机特点及研究内容

1.1 钻机特点

①引入工业设计学理念，具有固定操作台及可旋转操作台，提高了操作的舒适度和安全性；②采用模块化设计、方便产品的系列化改型及整机部件更换与维修[1,2]；③优化集成液压系统，采用液压先导控制技术及电控技术，大幅度提升钻机的操控性能；④配备超高频动力头，振动力大，处理孔内事故能力强，配有低速大扭矩马达，可实现振动、回转、振动+回转钻进方式，钻进速度快，比常规钻探提高100%～200%，遇软土层钻进效率更高；⑤取样质量高，采样率高，对样品扰动小，可连续获取大直径的样品；⑥配有多种取样钻具，适用于软土、硬土、砂卵石、岩石等各类地层，地层适应性广；⑦可滑移桅杆，提高了钻机的工作稳定性，自行走履带底盘，爬坡能力强，搬迁移动灵活。

1.2 研究内容

1.2.1 总体方案

(1)开展极限振动深度试验。测试不同地层的声频振动极限深度试验，研究不同地层的声频振动钻探技术方法，监测不同地层的钻进压力，获取声频振动钻探速度和取样率数据，设计和研发适用不同地层的钻杆、钻具和钻头[3,4]。

(2)优化改进钻机。检测钻机的技术参数，测试钻机尤其声频动力头在极限负载条件下的工作稳定性，测试钻机在不同地质工况的适应性，进一步优化完善钻机结构。

1.2.2 技术路线

采取技术路线：极限深度试验→钻机测试+样品采集+数据汇总分析→试验报告+改进技术完善优化钻机+项目验收+产品推广。

1.3 场地试验及推广应用

1.3.1 污染场地调查及环境监测井建造

在山东滨州成功开展首例环境污染场地调查试验应用，实验现场见图1，得到南京贻润环境科技有限公司的认可，获得高度评价。一是钻孔深度深，超过现场Geoprobe钻机，承担了深层验证孔的勘探任务；二是取样质量高，样品无污染；三是取样直径大，能够获取直径80 mm样品，而Geoprobe环保钻机利用塑料管取样钻机仅能获取直径28 mm样品；四是振动下入和起拔套管的速度快，效果好，处理复杂地层能力强。

图1 山东滨州污染场地调查

1.3.2 山西尾矿库勘察

圆满完成山西尾矿库闭库勘察野外试验应用，得到北京建设综合勘察研究设计院的高度认可，提交“尾矿坝闭库勘察野外试验应用报告”，取得“工程应用评价报告”。工程试验过程中不需泥浆，最大程度地避免了对赤泥库坝体的损坏；整体取样质量高，实现静压或超高频振动钻探的薄壁取样，对土体扰动较小；钻进速度快，比常规SH30钻机快一倍；钻孔深度较深(>35 m)，且有大量块石和卵石， SH30钻机无法施工，MGD-S50Ⅱ钻机可驱动螺旋钻具和刮刀钻头破除块石和卵石后下入半合管取样；与相比常规钻机SH30比较，操作舒适、行走安全、大量节约人力成本。

1.3.3 开展场地极限振动深度试验应用

在河北涿州完成15个场地勘探孔，其中孔径115 mm的单孔最大钻深52.85 m，取得良好的工程应用效果。

整个试验过程揭露的地层划分为8大层和1个亚层，第1层地下水位埋深在12～13 m处，试验区地层自上而下依次为：

①层杂填土，杂色，以砖块、灰渣、混凝土碎块及石子等为主，层位标高0～-1.3 m；

②层粉土，褐黄色，稍湿，稍密，层位标高-1.3 ～-14.2 m；

③层淤泥，灰色，很湿，层位标高-14.2 ～-15.2 m；

④层黏土，褐黄色和黄褐色，很湿，可塑，层位标高-15.2 ～-29.5 m；

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 ～-31.8 m；

⑥层粗砂夹卵石，杂色，饱和，密实，亚圆为主，卵石占50%以上，一般直径3～5 cm，最大直径6 cm，钻进困难，层位标高-31.8～-39.7 m；

⑦层黏土，黄褐色，可塑，层位标高-39.7 ～-51.25 m；

⑧层砂土夹卵石，黄褐色，可塑，层位标高-51.25～-52.25 m。

通过试验检验了钻机在极限振动深度下的工作性能，主要表现在：①取样质量高，全孔采取无泥浆声频钻探方式，获取了原状、连续的粉土、黏土和粉砂样品，样品质量高；②钻探速度快，平均钻速5 m/h，循环钻速达9 m/h；③取样直径大，代表性强，能获取直径96 mm样品，远大于其他直推式环保钻机的取样直径；④整机结构美观，布局合理，性能优越。

2 MGD-S50Ⅱ型钻机特点及创新

2.1 钻机特点

①高频振动钻进，不用泥浆、泡沫等介质，绿色环保；②可适应复杂地层，无污染，取样质量高、扰动小、直径大，取样率高；③钻进速度快，振动起下套管速度快；④振动钻进解决卡钻问题，处理孔内事故能力强。

2.2 主要创新点

广泛开展不同地质环境的极限振动深度试验及应用推广试验，持续的优化完善钻机[5,6]。钻机的主要创新点包括：①创新采用侧面橡胶减振结构、侧面防松螺栓紧固方式，提高优化提高声频动力头的工作可靠性；②研制成功双管塑料管钻具、半合管钻具、半合管钻具快速固定装置、合页板钻头和金属爪簧片钻头等适用于复杂地层的钻杆、钻具和钻头；③通过优化增设动力头侧移机构和动力头提引器，提高钻探效率；④创新使用刮刀钻头及螺旋钻杆、套管内振动下入半合管钻具等复杂地层的声频振动钻探工艺方法[7-9]。

3 与国内外同类技术的综合比较

表1为MGD-S50Ⅱ型声频振动钻机的技术参数与无锡双帆钻凿设备有限公司的YGL-S50型声波钻机、美国Geoprobe 7822DT环保取样钻机及荷兰荷兰SonicSamp Drill公司CRS型声波钻机的对比表。由表1可见，MGD-S50Ⅱ型声频振动钻机的主要技术参数部分超过YGL-S50型声波钻机。在滨州场地试验应用中，MGD-S50Ⅱ型声频振动钻机的钻深和取样直径远超过在同一现场施工的美国Geoprobe环保钻机，MGD-S50Ⅱ钻机的主要技术参数达到国际领先的荷兰SonicSampDrill公司同类产品的技术性能，但在动力头可靠性和整机美观性等方面仍有差距。

表1 MGD-S50Ⅱ型声频环保钻机与国内外常用类型环保钻机各类参数对比表

4 第三方评价

中国煤炭地质总局第二勘探局集团有限责任公司自主研发的MGD-S50Ⅱ型声频振动环保钻机近几年来开展多项场地极限深度试验与野外应用试验推广，获得市场多方认可，并获得使用方的工程应用评价报告。

4.1 建设综合勘察设计院有限公司应用评价

2018年5月，在山西铝业上封村赤泥库闭库勘察中用于坝体钻孔取心，取得良好使用效果，获得建设综合勘察设计院有限公司应用评价：①不需泥浆，最大限度地避免了对赤泥库坝体的损坏；②取样质量高，实现静压或超高频振动钻探的薄壁取样，对土体扰动较小；③钻进速度快，比常规SH30钻机快一倍；④地层适用范围广、钻孔深度大，钻孔深度较深(>35 m)，且有大量的块石和卵石，SH30钻机无法施工，MGD-S50Ⅱ型声频振动环保钻机可驱动螺旋钻具和刮刀钻头破除块石和卵石后下入半合管取样；⑤相比SH30等常规钻机，操作舒适、行走安全、节省人力；⑥通过进一步大幅提高钻探效率、配套各类地层的专用取样钻具、降低成本，必将会在尾矿坝勘察、环境地质调查等新兴市场领域得到更多的推广和应用。

4.2 南京贻润环境科技有限公司应用评价

2018年9月，参与了生态环境规划院滨州污染场地调查项目，取得良好的使用效果，获得南京贻润环境科技有限公司应用评价：①钻孔深度深，超过Geoprobe钻机，承担了深层验证孔的勘探任务；②取样质量高，样品无污染；③取样直径大，能够获取直径80 mm样品，而Geoprobe环保钻机利用塑料管取样钻机仅能获取直径28 mm样品；④振动下入和起拔套管的速度快，效果好；⑤通过进一步优化卷扬和动力头让开机构，大幅减少辅助时间，提高钻探效率，必将在环境污染调查市场具有重要的推广应用价值。

4.3 北京市地质勘察院应用评价

2019年5月，在北京安泰科技厂区污染场地调查项目中，圆满完成“获取6 m钻孔深度范围内原状连续的地层样品”目标任务，取得良好的使用效果，获得北京市地质勘察院应用评价：①取样质量高，全孔采取无泥浆声频钻探方式，获取了原状、连续的粉土、黏土和粉砂样品，样品质量高；②钻探速度快，平均钻速5 m/h，循环钻速达9 m/h；③取样直径大，代表性强，能获取96 mm直径样品，取样直径远大于普通直推式环保钻机；④整机结构美观，布局合理，性能优越；⑤建议进一步优化采用清洁的动力系统和相关结构，必将在环保调查领域具有重要的市场推广应用价值。

5 项目推广应用

5.1 不同地质环境的推广应用试验

完成山东滨州饱和软土地区9个深层勘探孔，单孔单日最大钻深33 m，累计进尺近600 m，获取连续、无污染、大直径的深部地层样品，得到环境系统应用单位的好评并获“工程应用证明”[10]。

完成山西尾矿库闭库勘察试验应用，在黄土及卵、砾石堆筑坝体完成22个勘探钻孔，单孔最大钻深44 m，累计进尺800余米，获取300余组原状样，得到国家综合甲级勘测单位好评并获“工程应用评价报告”。

开展河北涿州场地极限振动深度试验应用，完成15个场地勘探孔，单孔最大钻深52.85 m，超过最初50 m的设计指标。

5.2 优化完善钻机研发匹配的套管钻具

在多场地极限试验过程中优化完善钻机近20余处，主要改进点采用了可旋转操作台，让操作者视野更宽，有效降低了孔口盲区，让操作更加安全。增加了顶部桅杆的的高度，卷扬提升钻杆效率大大提高，此外还设计研发各类配套钻杆、钻具和钻头等20余种。通过这次极限深度试验及推广应用，明确了钻机的下一步改进方向和市场推广方向。通过工业性试验，逐步认识到在提高钻探效率的同时，适当减少加钻杆和卸钻杆的辅助时间，以达到综合提高钻进的效率是钻机未来重点研究的领域。未来研究尝试使用绳索取心工艺，减少起下钻杆的时间，争取进一步提高钻探效率[11,12]。

6 结语

随着MGD-S50Ⅱ型声频振动钻机极限深度试验及优化研究项目的进行和深入，为声频环保钻机的进一步研发积累了宝贵的实践经验，也为以后的研究方向也探索出适合的发展道路。当前国内声频钻机的研发和应用已经处于快速发展阶段[13-15]，美国的 Prosonic 公司、加拿大的Sonic drill公司、荷兰Eijkelkamp公司等国外厂商的钻机性能及外观设计也有着很高的参考价值，有不少值得借鉴的设计思维和优化理念。