趙曉冬

(中國煤炭地質(zhì)總局第二勘探局，河北 涿州 072750)

0 引言

2011年中國煤炭地質(zhì)總局第二勘探局(以下簡稱第二勘探局)與中國地質(zhì)大學(xué)(北京)聯(lián)合研制成功國內(nèi)首臺(tái)聲頻振動(dòng)深度50m的YSZ-50型聲頻振動(dòng)鉆機(jī)，隨后開展廣泛試驗(yàn)，在廣泛試驗(yàn)暴露問題的基礎(chǔ)上，第二勘探局對整機(jī)結(jié)構(gòu)、液壓系統(tǒng)、電控系統(tǒng)和聲頻動(dòng)力頭進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，于2015年6月試制成功MGD-S50Ⅱ型聲頻振動(dòng)鉆機(jī)(圖1)。

圖1 MGD-S50Ⅱ型聲頻振動(dòng)鉆機(jī)Figure 1 MGD-S50II sonic frequency resonance drill

為了進(jìn)一步驗(yàn)正鉆機(jī)的極限振動(dòng)深度能否達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)，通過進(jìn)一步的模擬施工現(xiàn)場的聲頻鉆進(jìn)試驗(yàn)，檢驗(yàn)聲頻鉆機(jī)實(shí)際的鉆探工況應(yīng)用，并測試不同地層的振動(dòng)速度及其相適應(yīng)的取樣鉆具，觀測聲頻動(dòng)力頭的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、溫升和噪音變化情況，充分了解鉆探油耗、液壓系統(tǒng)、電控系統(tǒng)、操作系統(tǒng)及整機(jī)的穩(wěn)定性等參數(shù)和數(shù)據(jù)，摸索聲頻鉆探施工現(xiàn)場的工藝工法，以便更好的積累聲頻振動(dòng)鉆探技術(shù)經(jīng)驗(yàn)。

1 試驗(yàn)區(qū)地層

本次試驗(yàn)揭露鉆孔深度范圍內(nèi)的地層劃分為7大層和1個(gè)亞層，第一層地下水位埋深在12～13m處?，F(xiàn)對試驗(yàn)區(qū)地層自上而下分述如下：

①層，雜填土：雜色，以含磚塊、灰渣、砼碎塊及石子等為主，層位標(biāo)高0～-1.3m，厚度1.3m。

②層，粉土：褐黃色，稍濕，稍密，層位標(biāo)高-1.3～-14.2m，厚度12.9m。

③層，淤泥：灰色，很濕，層位標(biāo)高-14.2～-15.2m，厚度1.0m。

④層，粘土：褐黃色和黃褐色，很濕，可塑，層位標(biāo)高-15.2～-29.5m，厚度14.3m。

⑤層，細(xì)砂：灰褐色，飽和，中密，含石英、云母、長石等，層位標(biāo)高-29.5～-31.8m，厚度2.3m。

⑥層，粗砂夾卵石：雜色，飽和，密實(shí)，次圓狀為主，卵石占50%以上，一般直徑3～5cm，最大直徑6cm，鉆進(jìn)困難。層位標(biāo)高-31.8～-39.7m，厚度7.9m。

⑦層，粘土：黃褐色，可塑，層位標(biāo)高-39.7～-52.85m，厚度2.3m。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 聲頻振動(dòng)極限深度

2017年11月7日到2017年11月17日(中途休整2日)，在河北涿州研制廠區(qū)內(nèi)持續(xù)開展了極限深度試驗(yàn)，累計(jì)30.65h。終孔直徑95mm，終孔深度52.85m，超過設(shè)計(jì)指標(biāo)。

2.2 振動(dòng)速度分析

2.2.1 不同地層的振動(dòng)速度

通過現(xiàn)場錄制的鉆探視頻，整理出不同地層下的振動(dòng)速度(表1)。

表1 不同地層下的振動(dòng)速度Table 1 Vibration velocity under different strata

從表1可知，④層振動(dòng)速度最快，②層次之，⑤層再次之，⑥層最慢。

2.2.2 不同深度的振動(dòng)速度

通過現(xiàn)場錄制的鉆探視頻，整理出不同深度下的振動(dòng)速度見表2。

表2 不同深度下的振動(dòng)速度Table 2 Vibration velocity under different depths

由表2可知，對于粘土層，隨地層深度的增加，振動(dòng)速度在逐漸降低。

2.3 不同地層的配套取樣鉆具

因地層復(fù)雜多樣，配套選用127mm套管、108mm半合管鉆具、100mm撈砂筒鉆具和89mm巖心管鉆具連續(xù)完整地獲取地層樣品，取樣率高達(dá)96%以上。

2.3.1 半合管鉆具

針對回填土、粉土、黏土、粉質(zhì)粘土和砂土等含水量較小的地層，采用108mm半合管鉆具能夠完整獲取該類地層樣品(圖2)。

圖2 半合管鉆具取出的地層樣品Figure 2 Strata samples taking by split core barrel

2.3.2 巖心管鉆具

針對地層中的粗砂層夾卵石層，樣品容易造成半合管的徑向膨脹變形，而89mm巖心管全管鉆具整體強(qiáng)度大，不易膨脹變形，取樣質(zhì)量好，卸掉鉆頭后，從巖心管中退出的樣品見圖3。

圖3 粗砂夾卵石樣品Figure 3 Samples of coarse sand intercalated with pebbles

2.3.3 撈砂筒鉆具

針對地層中稀軟的淤泥層，半合管鉆具和巖心管均無法取出完整樣品。采用100mm撈砂筒鉆具成功撈取了淤泥樣(圖4)。

圖4 稀軟淤泥樣品Figure 4 Samples of thin and soft silt

2.4 油料消耗

為了獲知油料消耗方面的參數(shù)，統(tǒng)計(jì)施工期間的油料消耗情況(表3)。

表3 施工期間油料消耗統(tǒng)計(jì)Table 3 Statistics of oil consumption duringthe drilling operation period

由表3可知，該鉆機(jī)的油料消耗為1.45L/m，相對常規(guī)鉆機(jī)較小。

2.5 聲頻動(dòng)力頭的結(jié)構(gòu)件強(qiáng)度、溫升和噪音測試

動(dòng)力頭采用側(cè)面減振方式，減振效果良好，動(dòng)力頭框架采用加厚鋼板和角鋼組焊成一整體結(jié)構(gòu)，強(qiáng)度大，變形小，未發(fā)生疲勞損壞現(xiàn)象，回轉(zhuǎn)軸承鎖母采用徑向螺釘固定方案后沒有出現(xiàn)松動(dòng)現(xiàn)象。

聲頻動(dòng)力頭派克馬達(dá)的溫升在8～13℃，依地層和深度而異。在相同時(shí)間內(nèi)，地層越硬、溫升越大。

本次聲頻振動(dòng)鉆探的最大噪音值約106db。

3 鉆探技術(shù)綜合評價(jià)

1)鉆探速度快。在該廠區(qū)地層條件下，聲頻振動(dòng)鉆探的平均機(jī)械鉆速可達(dá)2.8m/min，約為常規(guī)回轉(zhuǎn)鉆探或沖擊鉆探速度的2～3倍。

2)取樣連續(xù)、樣品質(zhì)量好。由表1可知，每回次獲取的樣品長度都接近取樣鉆具的長度，樣品質(zhì)量好。

3)適應(yīng)范圍廣。通過采用不同的鉆具配置，聲頻振動(dòng)鉆探可鉆取粘土、粉土、粉質(zhì)粘土、砂土、和卵石(粒徑在6cm以內(nèi))等多種地層。

4)應(yīng)用優(yōu)勢明顯。聲頻鉆機(jī)采用無水鉆探方式，可準(zhǔn)確探查地層地下水位，與泥漿回轉(zhuǎn)鉆探相比，具有無法比擬的優(yōu)勢。對于要求無泥漿鉆探的環(huán)境鉆探場合，傳統(tǒng)SH-30鉆機(jī)的鉆探深度只有30m，在30～50m深度內(nèi)，聲頻鉆機(jī)具有無可替代的優(yōu)勢。

5)解決了卡鉆問題。在本次極限深度試驗(yàn)中，發(fā)生了鉆桿和鉆具在淤泥層卡鉆的現(xiàn)象，使用動(dòng)力頭靜力起拔沒有效果，采用開啟反向聲頻振動(dòng)，成功將鉆桿和鉆具從孔底提出，顯示出較大的優(yōu)勢。

4 改進(jìn)建議

1)動(dòng)力頭。回轉(zhuǎn)馬達(dá)聯(lián)接螺栓易松動(dòng)，應(yīng)采用防松螺栓及螺母；動(dòng)力頭前后壓蓋需開工藝槽，便于檢修、維修。

2)底盤。履帶行走不同步，調(diào)節(jié)控制履帶的閥心流量，確保同步行走；桅桿背后滑板應(yīng)縮短，以防滑移過程中切掉底盤前端的桅桿支撐墊塊。

3)液壓系統(tǒng)。液壓系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了集成化技術(shù)和先導(dǎo)控制技術(shù)，液壓傳動(dòng)效率更加高效節(jié)能。但是，夾持器進(jìn)、出油管太緊，需留出自由伸展長度；拖鏈下端油管接頭體間距偏小，不利于維修。

4)電控系統(tǒng)。電控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對發(fā)動(dòng)機(jī)工作全過程監(jiān)控，可以對發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、水溫、機(jī)油壓力、發(fā)動(dòng)機(jī)啟停、電瓶電壓等信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測、檢測及調(diào)節(jié)。對履帶行走和桅桿起落時(shí)采用聲光報(bào)警，提醒操作者和周邊人員注意安全。

5)孔口操作臺(tái)。孔口操作臺(tái)實(shí)現(xiàn)了全方位無死角觀察孔口情況，但是其支撐臂設(shè)計(jì)偏短，不利于操機(jī)人員觀察孔口情況。

5 結(jié)論

通過聲頻振動(dòng)鉆機(jī)場地試驗(yàn)的順利開展，獲知了聲頻鉆機(jī)的極限振動(dòng)深度，獲取了不同地層和不同深度的振動(dòng)速度，摸索出不同地層的配套取樣鉆具，統(tǒng)計(jì)了聲頻振動(dòng)油料消耗情況，全面測試了聲頻動(dòng)力頭的結(jié)構(gòu)件強(qiáng)度、溫升和噪音，這些重要數(shù)據(jù)的獲取為鉆機(jī)下步的改進(jìn)定型、編制行業(yè)規(guī)范、開展特種勘探技術(shù)服務(wù)進(jìn)而推向市場奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

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