声波钻机技术在岩土工程勘察与环境修复中的应用
发布时间:2020-05-06
一、项目背景:

        北京市市政四建设工程有限责任公司于2018年08月24日中标北京市政路桥集团有限公司发布的北京市政路桥集团有限公司北京路冠沥青制品有限公司污染场地治理与修复项目。
中标项目规模:场地占地面积约44852.26㎡;污染土壤的最大修复深度为11m,最大修复面积约20184㎡,需要修复的污染土总量为208372.6m³;地下水的修复面积为24450㎡,修复体量为33423.7m³。
        北京路冠沥青制品有限公司场地位于北京市平谷区马昌营镇官庄道口(东 200米路南),地块总面积 44852.26m2。北侧为顺平路;西侧为紫贵佳苑住宅区;南侧绿地;东侧为立京饲料厂。其产品主要是沥青混凝土和乳化沥青;原辅材料主要有砂石料(露天存放于南部的堆料区)、沥青(储罐存放)、矿粉(储罐存放)及其他辅料。
评价场地所在区域第四系松散沉积物以粉土、黏性土、砂卵石交互沉积为主,厚度约为 350~400m。场地地面下约40m深度内分布的地下水可划分为4层,第1 层地下水赋存于 7m 深度内的粉土层中,地下水类型属潜水,水位埋深在 0.51~4.92m,潜水的总体流向为自西向东,水力坡度为 4.6‰;第2层地下水赋存于约8~10m 深度内的粉土层中,部分区域由于上部的相对隔水层缺失,与上层地下水合并为 1 层地下水;第3层地下水赋存于约 17m左右深度的砂类土层中;第 4层地下水赋存于约 25~32m 深度内的砂类土、卵石层中,地下水类型属承压水,该承压水含水层在区域上有一定的供水意义。
        通过场地调查,北京路冠沥青制品有限公司生产过程中所用的沥青、矿粉等均通过封闭系统保存、输送、使用;整个生产过程没有生产用水,其生产的产品按照客户的需求进行生产,生产后直接运送至客户处,不在厂区内存放;停产前的大气污染物排放量为:烟(粉)尘 0.968t/a,SO2 1.41t/a,NOx 0.99t/a;生活污水排放量约 2125 m3/a,化学需氧量(CODCr)0.53t/a、BOD5 0.32t/a、SS0.43t/a、氨氮 0.06t/a;固体废物产生量为 18t/a,其中危险废物 1.2t/a,一般固体废物为 16.8t/a;现场调查未发现明显的污染痕迹。
评价场地现有场地污染途径主要是物料储存、运输、生产过程中的遗撒、泄漏及储罐的泄漏,锅炉废气排放,石煤场粉尘的大气扩散、堆料区原回填废物的经雨水淋滤后的下渗等。综合场地水文地质条件分析、潜在污染成因分析等,场地内的土壤及地下水均可能受到污染,污染物类型包括挥发性有机物(VOCs,以苯系物为主)、半挥发性有机物(SVOCs,以多环芳烃为主)、总石油烃(C6-C9、 C10-C14、C15-C28、C29-C36)、重金属(砷等)等,可能受污染的区域为:油罐及沥青罐区、乳化车间、机油泵房、生产区、石料堆场(原废物回填区)、煤堆场等所在区域。
经过调查,北京路冠沥青混制品有限公司地块所在场地局部土壤和地下水已经受到污染;在居住用地的开发建设前,需采取绿色、低成本、有效的措施对场地内受污染的土壤及地下水进行处理、控制。
        基于土壤修复过程中需要对现场土样、石样进行取样,且要求取样完成性高,效率快,无污染,兼顾土壤调查等,经过市场调研分析,北京市市政四建设工程有限责任公司于2019年1月24日签订合同采购声波钻机。

二、产品介绍

1、概述
        声波钻进(sonic Drilling),又称为回转声波钻进或振动钻进。它是利用高频振动力、回转力和压力,三者结合在一起使钻头切入土层或软岩,加深钻孔,进行钻探或其它钻孔工程的一种新型钻探技术方法。
        声波钻进的主要设备是振动头,也就是振动器。振动头能够产生可以调节的高频振动和低速回转作用,再加上向下的压力,使钻柱和环形钻头不断向岩土中推进。振动头产生的振动频率通常为50-185Hz,转速100-200rpm。钻柱的低速回转保证能量和磨损平均分配到钻头的工作面上。当振动与钻柱的自然谐振频率叠合时,就会产生共振。此时钻柱的作用就像飞轮或弹簧一样,把极大的能量直接传递给钻头。高频振动作用使钻头的切刃以切削、剪切、断裂的方式排开其钻进路径上的物质,甚至还会引起周围土粒液化,让钻进变得非常容易。另外,振动作用还把土粒从钻具的侧面移开,降低钻具与孔壁的摩擦阻力,也大大提高了钻进速度,在许多地层中钻速高达30.5cm/min。

 

图1 声波钻进基本原理图

 

图2:Eijkelkamp声波钻机 

 2、声波钻进的优点
声波钻进技术具有如下优点:
① 钻进速度快。声波钻进是振动、回转和加压钻进的有效结合,特别是振动作用使土粒排开和土壤液化,从而获得较高的钻进速度。一般情况下,声波钻进比常规回转钻进和螺旋钻进快3-5倍。
② 岩土样保真度好。声波钻进可在覆盖层和软基岩中采集直径大、代表性强、保真度好的连续岩土样。

 

图3 声波钻进采集岩土芯样 

③ 环境污染少。通常情况下,声波钻进不采用泥浆和其它洗孔介质,钻进产生的废物比常规钻进少70%-80%。从而减少钻进液对环境的污染。
④ 施工安全性好。声波钻进和取样采用双管系统,岩心管与外层套管单独进行,提取岩心后立即将外套管跟进到先前取心的孔底,外套管能够很好地保护孔壁,防止孔壁坍塌。同时还可隔离含水层,避免交叉污染。
⑤ 适应地层范围广。声波钻进方法可以在各种覆盖层,如砂土、粉砂土、粘土、砾石、粗砾、漂砾、冰碛物、碎石堆、垃圾堆积物(包括木头、钢板、混凝土、沥青等)和软基岩,如砂岩、灰岩、页岩、板岩等,有效采集连续岩心样品。
⑥ 钻进成本低。由于钻进速度快,缩短了施工周期,降低了劳动力费用;钻进产生的废物少,减轻了现场清理费用。
 
3、声波钻进应用领域
         由于声波钻进上述优点,决定了声波钻进可应用于诸多钻探领域,具体如下:① 环境钻探。环境钻探往往在垃圾填埋场、军事基地、油罐场、公共加油站、农药堆放场、核废物泄露区、工业废液泄放和渗漏区等地进行。需要钻进方法具有钻进速度快、施工安全性好、适应地层范围广和能采集高保真样品等特点,声波钻进技术无疑是环境钻探最佳的选择。
② 岩土工程勘察。声波钻进可在覆盖层和软基岩中采集直径大、代表性强、保真度好的连续岩土样。能够准确确定地层厚度、岩土物性和成分以及污染物含量,为岩土工程勘察获取准确的岩土力学性质、水文地质和地球化学信息等提供了理想的手段。
③ 矿产勘探。进行砂金矿床勘探时,声波钻进方法可非常成功地采集连续砂金矿样,另外,在石油和天然气地震勘探中,声波钻机是理想的地震勘探孔钻探设备。
④ 水文水井钻探。声波钻进打井速度快,判定含水层准确,双管系统有利于过滤器安装,钻孔干净可减少洗井时间和最少的流体废物处理量。
⑤ 岩土工程施工。声波钻进可用于建立混凝土灌注桩、设置钢桩、土钉、埋设锚桩、安放阳极、打水力压裂孔、灌浆孔、锚索孔等。
 
4、国内外发展情况 
        在国外,声波钻进技术的研究始于二十世纪四十年代。
        1948年美国研制了一种称为“声钻” 的孔底振动器,目的是提高钻进速度,但由于振动能量过高导致孔底部件损坏而未能成功。与此同时苏联也研制了“VIRO-DRILLING”系统,该钻进系统是一套地面振动器,靠振动作用钻进土层,钻进效率比常规回转提高 3-20 倍,但也因巨大的振动能量使钻进设备和钻具失效而未能得到应用。
        60 年代美国壳牌石油公司制造出大功率的地面振动器,用于石油井服务工作,诸如套管起拔和油井修复等,另外还用于高速打桩。七十年代开始研究小功率振动器,较小振动功率(100Hp)振动器研制成果后,首先在北极地区结冰的湖底湿粘土和砂岩中,施工 50m 左右的石油和天然气地震勘探孔;随后用于砂金矿的连续取样,取得了非常好的效果。
        80 年代后,环境保护日益受到全社会的重视,特别是美国,环境钻探工作十分活跃,由于声波钻进速度快、岩心样品保真度高、钻进过程不会产生二次污染,因此声波钻进成为其环境钻探不可缺少的手段。不久,声波钻进技术传播到加拿大。早期声波钻机的振动头没有专门化,所用的钻具为已有的标准钻具,非专用钻具,因此钻机、钻具的可靠性差,钻具常因高频振动而损坏。
        90 年代以后,经过一系列的改进和多方面的应用试验,声波钻进技术才日趋成熟。钻探工作量不断增加,出现了许多声波钻进承包商,如荷兰Eijkelkamp公司,美国的Boart Longyear公司环境钻探部、Bowser-Morner公司、Prosonic 公司、加拿大的 sonic Drilling公司等。声波钻进设备制造商也较多,如美国的 Versa-Drill 国际公司、Acker Drill 公司、Gus Pech 制造公司、加拿大的Sonic Drill 公司、日本的利根公司等。目前,除美国外,声波钻进技术在加拿大、荷兰、非洲、澳大利亚、圭亚那和亚洲等国家和地区得到应用。应用范围包括地质勘探、水文水井钻进、滑坡勘察与治理、地震爆破孔施工等几乎所有的钻探领域。
        在国内,声波钻进技术的研究和应用目前处于空白。
5,荷兰Eijkelkamp公司声波钻机介绍

5.1,SmallRotoSonic小型声波钻机       型号:SRS-PL

主要性能描述:

  • 用于钻探和覆盖层取样
  • 典型深度为30m
  • 为世界上最小的旋转声波钻机
  • 有长冲程和短冲程可选

应用领域:

  • 环境钻探与取样
  • 岩土工程取样与测试
  • 地震爆破井钻探
  • 岩土施工钻探 

5.2、SmallRotoSonic小型声波钻机    型号:SRS-ML

主要性能描述:

  • 用于钻探和覆盖层取样
  • 典型深度为30m
  • 有长冲程和短冲程可选

应用领域:

  • 环境钻探与取样
  • 岩土工程取样与测试
  • 地震爆破井钻探
  • 岩土施工钻探

 5.3、CompactRotoSonic紧凑型声波钻机         型号:CRS DUO

主要性能描述:

  • 用于钻探和取样
  • 客采取覆盖层和硬层(卵石层和岩层)
  • 典型深度为60m
  • 基岩层可采用4速旋转钻头

 应用领域:

  • 环境工程钻探与取样
  • 矿产开发
  • 岩土工程取样和测试
  • 地震爆破井钻探
  • 岩土施工钻探
  • 地热钻探

 5.4、MidRotoSonic中型声波钻机       型号:MRS

主要性能描述:

  • 用于覆盖层和硬层(卵石层和岩层)钻进和取样
  • 典型深度:125m
  • 可选择4速旋转钻头和金刚钻钻头

 应用领域:

  • 环境工程钻探与取样
  • 矿产开发
  • 岩土工程取样和测试
  • 地震爆破井钻探
  • 岩土施工钻探

 5.5、LargeRotoSoni大型声波钻机      型号:LRS DUO

主要性能描述:

  • 用于覆盖层和硬层(卵石层和岩层)钻进和取样
  • 典型深度:200m

 应用领域:

  • 环境工程钻探与取样
  • 矿产开发
  • 岩土工程取样和测试
  • 地震爆破井钻探
  • 岩土施工钻探
  • 地热钻探

 6. 声波钻机独创的水锁取样

备注:1,阀门系统   2, 进水口   3,活塞    4,刃脚或环形钻头  5,水柱

        在钻孔之前,水锁(AquaLock)取样器被充满水(5), 这样活塞(3)就被锁定在刃脚的底部。当你振动将其向下推进,以及在刃脚及还未准备取样之前, 水锁(AquaLock)一直是空的。你可以通过钻杆降低顶杆以解锁活塞(3), 这样就可打开水锁顶部的阀门; 如此, 活塞就可以自由移动, 同时可得到不受扰动的试样。
 
        取样之后,弹簧顶管被移除,以允许阀门关闭, 这样可以造成真空; 如此,在水锁取样器回收过程中就可以保持试样。一旦被回收之后,你可以在活塞后面施加高压水,以取出试样。
 
7、安全不是昂贵的,而是无价的

  • 可进行完全无线电控制的操作
  • 只选用优秀品牌组件
  • 钻井液泄压阀
  • 钻井时重量补偿
  • 钻井时悬浮功能
  • 悬浮三脚夹钳
  • 可选双路加载
  • 可选绞车用液压可展开的,可摇摆的起重机臂
  • ManipAll (不需要手或者绞车来操作管子或者套管) 专利号. N2014409
  • 钻头的互锁式护罩
  • 绝缘引擎盖
  • 试运行前所有钻机的现场测试
  • 现场培训 

8,声波钻机的应用领域

 
 
 


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