振动钻进技术工程钻探与取样

1）钻机和钻具

振动钻进是借助地表振动器经钻杆柱向孔底钻头施加振动（高频冲击）载荷的一种钻进方法。

振动钻进的原理可形象地表述如下：如果向盛满砂子的容器内投入钢球，只能在砂面上压出一个坑，钢球仍处于砂子表面。但若砂子受到振动，则钢球会逐渐沉到砂子里，直至容器底部。

振动钻进的工作原理示于图9-30。图9-31给出了高频冲击载荷发生器的结构原理图，它称为电动振动器或震动锤。振动器以下述方式工作。两个布置在对称平面上的偏心轮（1）固定在外壳（4）内，相互之间通过齿轮啮合并用三角皮带与电动机相连。两个偏心轮反向转动，其扇形块总是同步到达水平位置，这时它们的离心力大小相等，方向相反，相互抵消，而在垂直方向上则相互叠加。铸铁的震动锤外壳质量达300～400kg，它也以电动机转速的频率上下运动。

振动器的最大冲击力由下式确定：

式中：m——偏心轮的质量，kg；

ω——偏心轮回转角速度，rad/s；

ε——扇形块相对于偏心轮回转轴的偏距，m。

加重型振动器（震动锤）的结构中通过弹簧定位限制了垂直振幅（图9-31），并且明显增大了参与振动的元件重量——带锤头（7）的承冲板（2），带铁砧（6）的外壳（4）。根据动量守恒定律，把冲击载荷维持在最小振幅范围内（不超过15mm）将有利于改善震动锤的工作状况，提高其可靠性。

图9-30　振动钻进工作原理示意图

1—振动钻头；2—钻杆；3—振动器；
4—天轮；5—钢丝绳；6—绞车；7—电缆

图9-31　震动锤的结构原理图

1—偏心轮；2—承冲板；3—弹簧；
4—外壳；5—接头；6—铁砧；7—锤头

振动钻进的主要工具是振动钻头，它可切入岩土体并与钻具一起把实物样品（岩心）提至地表。振动钻头往往做成内置式或侧面开槽式取样工具，以便取出原状松散岩矿心的实物样品，供地质描述用。振动钻的常用工具见图9-32。

2）振动钻进的工艺特点

振动钻进中振动钻头对岩石的作用并不像想象得那么简单。振动钻进时，环形钻头以较小的接触压力压在岩石上。从原理上讲，振动钻头在振动钻进中侵入岩石的主要作用既不是来自轴向力（钻具的重量不可能保证所需的给进力），也不是来自回转力。振动钻进的特点在于，即使非常致密的黏土在接触区内也会被压实，并析出颗粒间的联系水。也就是说，其过程的实质不是岩石颗粒的机械分离、位移或再沉积，而是岩石颗粒在物理意义上发生了深刻的变化。示意图9-33反映了振动钻进的工作状况与机理。作用在钻杆和振动钻头上的高频振动脉冲P被变换成环形区域的压应力σ，并以压缩-拉伸波的形式以声速沿钻柱传播。压缩波遵守虎克定律（应力-应变关系），在振动钻头的钢体上将出现显微增厚——局部环状直径增大，并随着压缩波一起沿振动钻头向下移动（图9-33中的虚线）。(www.xing528.com)

随着压缩波的幅值增大，由压缩波前端皱褶力引起的显微机械变形也将增大，并作用于贴近振动钻头的岩石上，在高频、大幅值压缩波的重复作用下，使这些岩石的颗粒处于更密实的状态，岩石中的孔隙逐渐消失并置换出钻孔周围岩层和岩心中的自由水和物理意义的联系水。

图9-32　用于振动钻的破岩与取样工具

（a）—振动钻头：1—管靴；2—开窗的取样管；3—钻杆锁接头锥螺纹
（b）—取土器：1—管靴；2—内置岩心管；3—采集岩心的内置衬套；4—阀；5—接头
（c）—振动抽筒：1—管靴；2—平板阀门；3—开窗的取样管

图9-33　振入管内外岩层及岩样被微压实的示意图

上述讨论的内容说明了岩石破碎过程的某种奇异现象和振动钻进工艺的特点。

（1）振动钻进的方法只能使岩石在物理意义上被压密，甚至像煤、石盐、白垩沉积层等很弱的岩石也很难振动钻入，因为弹性波在这些岩石中传递时，不能把钻头的弹性变形转换成岩石的塑性变形。

（2）用振动钻进方法很容易在含碎石的干风化壳（含物理意义的联系水）、碎石-砾石层等难钻进的岩石中成孔，但在地压作用下其颗粒已处于临界压实状态的流砂层、富含自由水的砂层和类似结构的黄土层中却很难钻进。虽然这类岩层在自由状态下的机械强度很弱。也就是说，即使在软—中硬岩石中振动钻进也不是万能的，必须通过理论分析与试验来确定是否采用振动钻进，以及最合理的振动频率。一般来讲，振动钻进的振动频率越高，钻具的振幅也随之越大。当频率超过某一值时，钻具和岩层间产生相对滑移，钻具开始切入岩层，这时的频率称为“起始频率”。随着频率越高，钻速也就越大，在频率进一步提高的情况下，钻具的振幅达到“极限振幅A∞”，如图9-34所示。但并非频率越高越好。因为钻机的功率消耗W与频率成三次方的关系：

图9-34　振幅与频率的关系

式中：M——偏心力矩，N·m；

f——振动频率，Hz；

Q——钻具质量，kg。

当动力机的功率一定时，增加f势必降低M，M的减小则使振幅A随之减小。而钻速又与振幅成正比。因此，为了不降低钻速，在功率一定，偏心力矩又要保持足够大时，振动频率不能选择过高。通常振动钻进中振动频率都选择在17～37Hz。若又在振动的基础上辅以钻头回转将取得很好的钻进效果。

（3）振动钻进的适用孔深有限。原因在于压缩弹性波在沿钻杆柱传播时会衰减——压缩区（反向拉伸）的长度会增大，从而使钻进效率下降。一般情况下，当振动器安装在地表时，振动钻进的深度原则上不超过36m。

（4）振动钻进是工程勘察钻进中效率很高的工艺方法，可达50～70m/班，而且可获得研究地质剖面所需的优质编录。但振动钻进的适用岩石可钻性范围有限，纯钻进时间利用率较低（不超过25%），振动钻头的清理过程繁杂。振动钻进的重要工艺特性之一是回次长度有限（一般不超过2.0～2.5m）。可解释为，随着回次长度加大，振动钻头中岩心的充满程度增大，承受振动的质量也增加，根据动量守恒定律振幅将成正比地减少。