聲波鉆機在環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中的應(yīng)用研究

雷開先

(成都科光工程設(shè)計研究有限責(zé)任公司，四川 成都 610036)

聲波鉆進(Sonic Drilling)又稱為回轉(zhuǎn)聲波鉆進或振動鉆進，是目前國際上公認的新一代高效鉆進技術(shù)。它是利用高頻振動力、回轉(zhuǎn)力和壓力，三者結(jié)合在一起使鉆頭切入地層，加深鉆孔，進行鉆探或其它鉆孔工程的一種新型鉆探技術(shù)方法。目前，該技術(shù)在國內(nèi)尚處于探索研究階段。

1 項目概況

北京市通州區(qū)張家灣試驗場由北京市地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局、中國地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院、中國地質(zhì)調(diào)查局水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中心和北京大學(xué)共同建設(shè)。其中的CMT連續(xù)多通道監(jiān)測井項目的目的之一是對采用聲波鉆機施工連續(xù)多通道監(jiān)測井的情況進行試驗研究。

項目設(shè)計要求對地下水進行分層隔離、取樣。井孔總量為34口，孔深30 m、孔徑130 mm，鉆孔完成后需要下入多孔取水管并在取水段投礫，相鄰含水層之間要投粘土球形成隔離層。2011年曾用常規(guī)鉆機做過試驗(圖1中粉色的鉆孔)，因為在鉆進中使用了泥漿，不能很好地滿足對地下水監(jiān)測的需求。因此，本次試驗采用聲波鉆機，禁用泥漿循環(huán)，以試驗聲波鉆機的應(yīng)用效果。

2 地層情況

場區(qū)地層情況如圖2所示。

圖1 井位平面布置圖

3 聲波鉆機結(jié)構(gòu)及工作原理

本工程中采用荷蘭Sonic Samp Drill B.V.公司生產(chǎn)的CRS－V型緊湊型履帶式聲波鉆機。這是中國第一臺從荷蘭引進的聲波鉆機。其主要結(jié)構(gòu)組成為履帶底盤、動力主機、鉆架、回轉(zhuǎn)聲波動力頭、操控系統(tǒng)、夾持器、機載水泵及水箱等。鉆機外貌見圖3。

圖2 場區(qū)地層柱狀圖及井身結(jié)構(gòu)圖

圖3 鉆機外貌圖

與傳統(tǒng)全液壓動力頭鉆機相比，聲波鉆機配置了一個輸出高頻振動(頻率0～150 Hz可調(diào))的動力頭(圖4)。鉆進過程中，當(dāng)動力頭產(chǎn)生的高頻振動波頻率與鉆柱固有頻率相吻合時，誘發(fā)鉆柱產(chǎn)生共振，使能量向孔底傳遞達到最大。在大多數(shù)情況下，高頻振動的鉆桿會液化孔壁巖土層，產(chǎn)生更好的護壁和潤滑效果，因而有利于快速鉆進成孔。聲波鉆進原理見圖5。

圖4 回轉(zhuǎn)聲波動力頭圖片

4 鉆井工藝

為避免干法成孔可能造成孔壁形成泥皮而對后續(xù)洗井效果帶來影響，決定采用套管鉆進+清水循環(huán)的方法。

4.1 鉆桿與套管

由于鉆桿要承受高頻振動，因此對鉆桿的材質(zhì)要求很高。同時鉆桿口徑級配必須滿足小一級鉆桿能在大一級鉆桿內(nèi)使用，實現(xiàn)套管護壁鉆進。本工程先采用GP100鉆桿+110 mm鉆頭(跟管127 mm套管+135 mm管靴)(圖6)。

圖5 聲波鉆進原理示意圖 圖6 鉆柱結(jié)構(gòu)示意圖

4.2 鉆具與鉆頭

由于聲波鉆進在破碎潮濕地層中具有液化鉆桿周邊巖土的功能，再配以適當(dāng)?shù)娜⌒墓ぞ?，因此具有高取心率的?yōu)勢。在中硬巖層中，取心方法與常規(guī)的取心方法類似，也有單管和雙管之分。針對不同的地層選擇不同的鉆具及相應(yīng)的鉆頭。

4.2.1 軟巖或沙土地層

(1)Aqualock Sampler水鎖式取心器，見圖7、圖8。

圖7 Aqualock水鎖式取樣鉆具原理圖

圖8 Aqualock水鎖式取心鉆具及其現(xiàn)場取心圖片

選用Aqualock Sampler水鎖式取心器及所用鉆頭，卡簧只用于極難取心的情況。

Aqualock Sampler水鎖式取心器工作原理是在取心鉆具(結(jié)構(gòu)類似于單管取心管)中充入清水，上端設(shè)置常閉彈簧閥門和下端滑動密封塞與中間水體組成水鎖系統(tǒng)。在無需取心層段鉆進時，下部密封塞端頭與切割靴(相當(dāng)于取心鉆頭)合成為一全面破碎鉆頭。當(dāng)鉆至需取心位置下入頂桿使閥門打開并保持閥門開啟狀態(tài)繼續(xù)鉆進，由于鉆具內(nèi)水體上端處于自由狀態(tài)，巖心推動下端密封塞上行進入取心器?；卮芜M尺終了，除去頂桿，上閥門恢復(fù)關(guān)閉，殘余水體由于真空作用輔助防止巖心脫落。取心器提出孔口，可通過再壓注入高壓水推動密封塞進而推出巖心。

(2)脫落錐鉆進機具(應(yīng)用于需在鉆孔內(nèi)安裝、下入器具、儀器的場合)，見圖9。

圖9 脫落錐

脫落錐鉆進，即在全面鉆進時，在鉆進終了鉆具底部錐頭部分可脫落留在孔底的鉆進方法。通過這種方法，在鉆進終了后鉆桿充當(dāng)護壁套管保護孔壁，可通過鉆桿內(nèi)腔下入需安裝的完井機具，如地源熱泵用熱交換管、地震勘探炸藥管、監(jiān)測儀器等。待完成孔內(nèi)安裝后提鉆，脫落錐與孔內(nèi)機具一同留在孔內(nèi)。

4.2.2 中硬巖層

(1)單管鉆具。與常規(guī)單管取心鉆具類似，只在循環(huán)沖洗液使用方式上有所不同。

中硬巖可選用單管鉆具或雙管鉆具鉆進，所用鉆頭如圖10所示。圖11為單管鉆具取出的巖心。

圖10 中硬巖用取心鉆頭

圖11 單管鉆具取出的巖心

(2)雙管鉆具。與常規(guī)雙管取心鉆具類似。

(3)敲擊脫落頭。與前述脫落錐鉆進原理相同。脫落頭更適用于硬地層，且通過敲擊的方法使其脫落。見圖12。

(4)聲波繩索取心鉆具(圖13)。聲波鉆進進行繩索取心鉆進，不僅可省去提下鉆的時間，在淺孔松散破碎層鉆探時，如果聲波反打能力足夠，可省去跟管鉆進程序，鉆效實現(xiàn)飛躍性的提高，同時鉆探成本大大降低。

圖12 敲擊脫落頭

圖13 繩索取心鉆具

5 成井工藝

成井流程為:清水循環(huán)套管鉆進→測定孔深→確定含水層位置→下入7通路井管→根據(jù)層位、層厚確定填礫、投放粘土球的起止位置及投放量→提管輔助聲波振動確保投料密實不架空，邊提邊測孔深，遇有塌孔位置調(diào)整投放量→井口部分孔段用粘土球填實，以避免雨水等侵入井孔→洗井(應(yīng)在2 h內(nèi)或2周后進行以免影響封孔效果)→抽水試驗→完井。圖14為施工現(xiàn)場情況。

6 施工效果

由于地層比較簡單，聲波鉆進速度非?？?，一個30 m的孔只需30 min就能完成(其中純鉆進時間大約10 min)。但由于填礫、止水、下管等工序需要很多時間，最終一天只能全部完成2個孔。

7 聲波鉆進工藝優(yōu)勢

應(yīng)用試驗表明，聲波鉆進工藝具有以下優(yōu)勢。

(1)鉆速高、不易發(fā)生鉆孔偏斜:與常規(guī)鉆機相比，鉆速提高4～5倍。

圖14 施工現(xiàn)場

(2)取心率高:不同的地層配備不同的鉆具及鉆頭，軟弱破碎地層用常規(guī)鉆具不易取心，采用專用鉆具，比如Aqualock鉆具，可以實現(xiàn)幾乎100%的取心率，在中硬巖層采用單管或雙管取心。

(3)對巖土樣及孔內(nèi)周邊地區(qū)最小的污染和擾動:由于鉆速快，并且有液化作用，聲波鉆進對周圍地層污染和干擾小，如果需要，配以合適的封閉取心管，可以采取封閉巖土樣。

(4)適用的地層范圍廣:除了連續(xù)硬巖(比如厚度＞2 m時，用聲波鉆進綜合經(jīng)濟成本要高于潛孔錘鉆進)，其他地層均可采用，特別是在軟硬互層的地帶，優(yōu)勢明顯，可以在回填地層(各種回填物)鉆進。

(5)鉆桿可用作套管起護壁作用:利用聲波振動可以大幅度提高鉆機起拔鉆桿(套管)的能力，小一級的鉆桿在大一級的鉆桿內(nèi)鉆進(取心或不取心)，大一級鉆桿可當(dāng)做套管起護壁作用。

(6)少用甚至不用循環(huán)液，減少對地下水的污染:在某些地層(主要是軟巖土層)可以干鉆。

(7)可快速、方便、準(zhǔn)確地安裝孔內(nèi)器具。

(8)可以在鉆進時取地層水樣。

8 存在問題及建議

聲波鉆機純鉆進速度快，但成井過程中的填礫、止水、下管等工序所需時間較多，影響了總的成井效率。

建議配套預(yù)制過濾包及膨潤土止水塞，根據(jù)測定的含水層位置與多通道井管組合安裝后下入孔內(nèi)，可以大幅度提高整體工作效率和安裝精度。

其原理如下(參見圖15):將預(yù)先制作好的多孔取水管及需要止水的部位套上膨潤土止水短節(jié)，經(jīng)鉆桿內(nèi)放置到需要的深度，由于此時在鉆桿內(nèi)操作，下放的深度可以準(zhǔn)確控制。膨潤土短節(jié)可膨脹5～10倍，止水效果非常好。

圖15 連續(xù)多層監(jiān)測井預(yù)制材料及安裝

9 結(jié)語

聲波鉆進工藝在環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中顯示出其獨特的優(yōu)勢，特別是在土壤采樣及地下水監(jiān)測井成井方面表現(xiàn)尤其突出，鉆采過程避免了沖洗介質(zhì)的二次侵?jǐn)_。為國內(nèi)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查、污染場地調(diào)查與評估及修復(fù)提供了先進、可靠的新方法。

此次聲波鉆機施工連續(xù)多通道監(jiān)測井的成功，為今后大規(guī)模采用連續(xù)多通道監(jiān)測管建立地下水多層監(jiān)測井提供了適宜的鉆孔和成井施工方法，具有重要的現(xiàn)實意義。

[1] 葉成明，李小杰，劉迎娟.淺析聲波鉆進技術(shù)[J].勘察科學(xué)技術(shù)，2007，(5).

[2] 李小杰.超聲波鉆機施工多通道監(jiān)測井取得成功[EB/OL].http://www.chegs.cn/news_001.asp?infoid=1597，2012 － 08－21.

[3] 張燕.國外聲波鉆機及其應(yīng)用[J].探礦工程(巖土鉆掘工程)，2008，35(7):105 －107.

[4] 韓博，姜淼，衣雪峰，等.新型超聲波鉆探設(shè)備的建模分析[J].探礦工程(巖土鉆掘工程)，2012，39(5):34 －38.

[5] Gerad P.，Van Dyk.Degree of Disturbance of Soil Structure by Sonic Vibration[Z].

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