YGL-S100声波钻机在干旱少水地层的施工新技术

1、YGL-S100声波钻机在干旱少水地层施工新技术无锡金帆钻凿设备股份有限公司目录目录一、背景一、背景二、声波钻进原理二、声波钻进原理三、施工工地概述三、施工工地概述四、施工难点以及采用的措施四、施工难点以及采用的措施五、钻机与钻具的配置五、钻机与钻具的配置六、工程施工详情六、工程施工详情七、结语七、结语一、背景一、背景 在干旱少水复杂地层钻进难度大，勘查要求严格，而国计民生的提高，工人工资支付水见船涨，因此在上述地层工程地质勘查中，钻进效率以及取样率成了钻探评价的首要因素。目前该类工程地质勘查中，仍普遍使用类似XY-1型有钻塔的百米钻机，该类钻机为立轴式岩心钻机，结构简单，一般适用于稳定地层钻

2、进，加上立轴式结构，施工效率已达其上限，除了延长工作时间，已无其它办法增加钻探效率。因该类钻机常用单管取芯钻进，决定了其在砂卵石地层的低取样率；频繁提钻取样，破坏了地层的稳定性。针对干旱少水复杂地层取样钻进这一困境，利用声波钻进技术不失为一种高效方式。 声波钻进技术是一种振动加回转的钻进方式，声波动力头能够产生纵向正弦压力波，该正弦压力波传递到与钻头连接的钻杆上，当震动与钻杆的自然谐振频率吻合时，就会产生共振，此时钻杆的作用就像飞轮和弹簧一样，把极大地能量传递给钻头，甚至将钻头和钻杆柱周围土壤液化，从而使得钻杆和钻头不断前进的一种钻进方式。震动器的高频震动频率可以调节，频率通常为50185Hz

3、，通常产生正弦压力波的振动器有机械式振动器（右图），液压式振动器（左图）二、声波钻进原理二、声波钻进原理二、声波钻进原理二、声波钻进原理三、施工工地概述三、施工工地概述 工程名称：东方希望晋中铝业有限公司厂址勘察 建设单位：东方希望晋中铝业有限公司 建设地点：山西省晋中市灵石县 本次勘察的地层构造为：填土层（由泥岩，砂岩碎块及黄土状粉土组成）-黄土状粉土层-卵石层（粒径28cm，粗砾砂及粘性土充填，另见少量直径约3060cm的漂石）-强风化泥岩、砂岩层-中风化泥岩、砂岩层四、施工难点以及采用的措施四、施工难点以及采用的措施 1.砂卵石地层钻进效率低 砂卵石地层具有如下特点： 一、固结性差，砂卵

4、石地层由砂子和粘土充填在卵石周围形成的一种地层，卵石之间的填充物非常容易被冲洗液冲刷掉，因此导致孔壁易坍塌，掉块，在钻进时扫孔困难；同时钻进过程中冲洗液漏失； 。 四、施工难点以及采用的措施四、施工难点以及采用的措施 1.砂卵石地层钻进效率低 砂卵石地层具有如下特点： 二、卵石质地坚硬，卵石是在不断的滚动冲刷下形成的，在不断的滚动冲刷下，易碎的，较软的部分都在该过程中消失，留下的都是比较坚硬的部分，因此钻机钻进时比较困难。钻头进尺主要是将钻头周围的小砂卵石挤开，一部分进入到岩心管内，一部分被挤压到四周，而当遇到大块的漂石时，钻头必须将漂石打穿方能进尺，钻进效率势必不高； 四、施工难点以及采用的

5、措施四、施工难点以及采用的措施 1.砂卵石地层钻进效率低 砂卵石地层具有如下特点： 三、卵石大小不一，几乎呈球状，有的卵石大小刚好和取芯钻具的钻头直径相仿，因此在钻进过程中，卵石在钻头旋转切削的过程中跟随钻头转动，直到钻头将卵石切削到小于钻头内径时，该卵石才会进入岩心管，钻进才会进尺，有时卵石刚好卡在钻头内，钻进不再进尺，因此导致钻进效率低下。 突破方法：一、设计选用新型硬质合金，并增加合金的出刃高度，使其更有利于钻进坚硬的卵石；二、加强钻头内孔保径，适当减小钻头内圈钢体直径，提高卵石进入岩心管的几率，杜绝或减少卵石卡在钻头内径处；三、合理选择钻进参数，不同的地层使用不同的钻进参数，预防孔内事

6、故的发生；四、尽量减小钻头唇面面积，减少岩石切削量。四、施工难点以及采用的措施四、施工难点以及采用的措施 2.砂卵石地层取芯率低 取芯率的高低取决于两点：一是克取岩心让其进入到岩心管内；二是留住岩心不让岩心掉出去。砂卵石地层的特点决定了在砂卵石地层中取芯的困难程度，卵石之间的填充物沙子容易被水冲刷掉，且容易从挡簧之间漏出去；卵石大小不一，在钻进时容易被挤压到一边去，导致进入岩心管内的卵石变少等。 改进方式： 一、调节绳索取芯钻具的水循环通道，减少对岩心的冲刷； 二、钻头水眼布置增加侧喷，减少底喷； 三、减小钻头唇面面积，使用平衡钻进； 四、增加挡簧强度，使得岩心管内的岩心无法掉落。四、施工难点

7、以及采用的措施四、施工难点以及采用的措施 3.黄土状粉土层钻进效率低 在东方希望厂址附近的地层中，黄土状粉土中含水量极低，地层吸水性强，常规钻进需要大量水来排出切削下来的土，进尺速度慢。 声波钻机在含水量较丰富的土层，可以将周围土层 “液化”，利用这一特性，可以提高钻进速度。在该类地层钻进时，往孔内送水，增加钻头周围的水量，使钻头在高速震动中形成“液化”来提高钻进效率。使用钻头设计侧喷孔及底喷孔，防止冲洗液冲刷土层，保证土层取样率。 本次施工使用无锡金帆钻凿设备股份有限公司生产的YGL-S100型声波钻机，见图3，该钻机是采用日本进口的声波动力头，其冲击频为4000次/min，适用于复杂地层的

8、钻进；配套SS140-S-00型号的绳索取芯钻具图4，使用直径为140mm的两头鐓粗的整体钻套管钻进。五、钻机与钻具的配置五、钻机与钻具的配置五、钻机与钻具的配置五、钻机与钻具的配置六、工程施工详情六、工程施工详情1.基岩层施工 该区基岩层为强风化至中风化泥岩和砂岩，较为完整，作为比较，我们分别选取了长扁合金钻头图6和楔形合金钻头图7进行钻进，钻进记录如表一:图6 长扁合金钻头图7 楔形合金钻头六、工程施工详情六、工程施工详情 图8所示岩样为构造带，现场其他钻机无法取出类似较为完整的样品，这也反映了声波钻进取芯的优势。 决定钻进效率的只有两个因素：岩石硬度；合金形状。长扁合金钻头合金出刃高度为

9、10.8mm，楔形合金钻头合金出刃高度9.0mm，如图10所示。出刃高更有利于克取岩石，因此钻进效率较高。图8长扁合金钻头岩样图9楔形合金钻头岩样图10两种合金克取岩石示意图六、工程施工详情六、工程施工详情2.复杂地层施工 复杂地层包括填土层，粉土层，砂卵石层，土卵石层，强风化、中风化基岩层等。在复杂地层施工主要考量钻头的适用性，是否能一径到底。我们采用楔形合金钻头（图7），由于需要穿过粉土层，可验证是否产生“液化”。钻进效率如表二：图11 复杂地层岩心展示六、工程施工详情六、工程施工详情3.砂卵石地层施工 砂卵石地层施工主要进尺方式为：大块漂石钻穿；与钻头直径相仿的卵石不断的磨削直到可进入岩

10、心管；直径小于岩心管内径的卵石挤压进入岩心管。因此高硬度、高出刃的合金有利于在砂卵石地层钻进，同时为保证取芯率，钻头水眼形式布置为侧喷加底喷，既保证钻头合金的冷却，岩粉的上返，又保证岩心进入岩心管内时不被冲刷。图12、13为砂卵石地层岩样。图12卵石岩心图13卵石土岩心01施工时间2015年7月4-5日深度进尺地层备注1.9m1.9m1.1m左右红褐色强风化泥岩，岩质极软 0.8m左右灰黄色强风化泥岩，岩质极软顺利提出取芯器，取样率在95%以上，有一节岩心位于岩芯管外面。2.5m0.6m均为灰黄色强风化泥岩，岩质极软顺利提出取芯器，取样率在95%以上4.7m2.2m1m左右灰黄色圆砾土，含有2

11、0%左右的强风化泥岩，岩质极软 1.2m左右灰黄色强风化泥岩，岩质极软，含铁氧化物顺利提出取芯器，取样率在95%以上。6.9m2.2m1.2m左右灰黄色强风化泥岩，岩质极软，含铁氧化物 0.5m左右红褐色中风化泥岩，岩质较软 0.5m左右灰黄色中风化泥岩，岩质较软顺利提出取芯器，取样率在95%以上8.9m2m青灰色中风化泥岩，岩质较软期间缺水暂停施工一分钟，取芯器无法顺利提出，开振动反复提拉约3分钟后顺利提出取芯器，由于天色较晚没有取出岩心15:24-15:3010.8m2m均为灰黄色粉土顺利提出，取样率95%以上15:38-15:46 16:44-17:0412.8m2m弱胶结泥质砂岩，青灰

12、色，岩质较软；其中约0.5m为砂岩，岩质硬顺利取出，取芯率95%以上，在15:46时缺水停钻16:53-17:0414.8m2m青灰色砂岩，岩质软顺利提出，取样率95%以上17:26-17:3716.8m2m1.7m青灰色和粉红色砂岩，岩质软，0.3m粉土顺利提出，取样率95%以上17:46-17:50 18:18-18:2518.8m2m粉红色砂岩，岩质硬，表面粗糙顺利提出，取样率100%以上，在17:50时缺水停钻18:29-18:39 18:59-19:0720.8m2m青灰色微风化泥岩，岩质较软顺利提出，取样率95%以上19:12-19:2422.8m2m灰黄色砂岩，岩质硬顺利提出，取样率95%以上，在17:16时出现憋泵现象，估计是岩屑沉淀导致19:53-20:0124.2m1.4m灰黄色砂岩，岩质硬顺利提出，取样率95%以上20:04-20:0825m0.8m灰黄色砂岩，岩质软顺利提出，取样率95%以上，钻头磨损较小，无合金损坏至此7月11日施