[发明专利]一种全电动超声波钻机及钻进方法

说明书

技术领域

本发明属于地质勘探、隧道掘进、工程勘察等领域的勘探设备，具体涉及到一种全电动超声波钻机及钻进方法。

背景技术

随着社会经济快速发展，人类在油气、资源勘探和基础设施建设中需要进行大量的浅层钻孔工作，而高效破碎岩石一直是矿产资源钻探、隧道掘进的一个难题，由于硬岩致密、强度高、研磨性强，使得硬岩钻进存在钻头寿命短、钻进效率低(低于1m/h)、钻进成本高的问题。

目前在钻探(井)工程中，振动碎岩的方法有单次冲击(钢丝绳冲击钻进，用于水井、工程井施工)、低频冲击(冲击回转钻进或旋冲钻井，频率为 12～16Hz，地质勘探、石油钻井、水井工程井应用)、声波冲击(又称Sonic Drill，频率70～150Hz，国外多用于环境地质勘察取样钻进，国内应用很少)。单次冲击、低频冲击利用冲击使岩石产生破碎穴，或再配合回转剪切破碎岩石进行钻进的，岩石强度降低不明显，钻头寿命、钻进效率低；声波冲击(频率 70～150Hz)利用振动与钻柱的自然谐振频率叠合产生共振，此时钻柱的作用就像飞轮或弹簧把能量传给钻头，使钻头的切刃以切削、剪切、断裂的方式排开其前进路径上的物质，引起周围土粒液化让钻进变得容易但只能钻进松散破碎岩石。目前人们对低频(150Hz以下)振动钻机进行了较深入的研究，与硬岩自振频率相当的超声波振动钻机的研发还是空白。超声波振动碎岩(频率>20000Hz)利用疲劳-共振共同破坏，即完整致密硬岩的固有频率一般为20KHz～40KHz，超声波振动使得岩石受到合理地共振，周期性的激振力作用于岩石致使内部快速产生裂纹，当裂纹扩展达到一定程度后发生突然断裂，岩石的强度会大幅度急剧下降，钻进速度、钻头寿命会大幅度提高，从局部区域开始损伤累积，最终引起整体破坏的过程。因此研发超声波频率振动钻机，为超声波振动辅助碎岩钻进提供解决方法，解决硬岩钻进的技术难题，填补国内空白。

国外研究现状与发展动态：

美国和前苏联早在20世纪40～50年代就研究声波钻进技术。前苏联教授D.D.Barkan首先发表了关于声波钻进技术的研究成果，建议使用声波振动进行沉积地质学勘查钻孔。他提出声波钻进是传统钻进方法钻进速度的3～20 倍，开发了一种地面振动器“VIRO-DRILLING”系统，靠振动作用钻进土层。

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，并取得了大量高频振动钻进方法的专利，成为声波振动回转破碎研究最为活跃的国家，成功研制用于石油钻井的大功率(5400Hp)声波振动器和用于石油天然气地震勘探和砂金矿连续取样的较小功率(100Hp)的声波振动器，并取得非常好的效果。80年代后，声波振动钻进成为环境钻探的重要手段并传播至加拿大。90年代后，日本开展了声波振动回转钻进研究，并把此项技术引入亚洲环境钻探。加拿大、荷兰相继进行声波振动回转钻机的研究，将声波振动碎岩技术与钻机结合，研制出了多种声波钻机，从最初的孔底振动或地面振动不旋转发展为今天的地面振动加旋转方式，并实现了振动头的专门化、标准化、系列化，提高了声波钻机的可靠性及应用范围。声波钻机振动频率为 50Hz～200Hz，岩土样品直径为100～300mm。声波钻机振动回转头为液压驱动式，现已销往中国市场。

国外超声波钻探技术研究集中在美国和欧洲等发达国家，主要面向太空星球探测。美国国家航空航天局(NASA)S.Sherrit等于2001年研发了由压电换能器、自由质量块和钻头等构成的压电陶瓷驱动的超声波钻探采样器 (Ultrasonic/Sonic Driller/Corer，简称USDC)，并在岩石上进行了钻进实验。 2004年针对星球采样任务，将USDC和钻头旋转结合研制了回转超声波冲击钻。

目前国外主要集中在超声波采样器样机的验证性实验，对压电振动器的研发不够深入，振动钻探装置结构有待优化。

国内研究现状和发展动态：

机械式高频振动钻机：1987年中国有色金属工业总公司矿产地质研究院设计CSG-24型多功能工程砂钻钻机，双轴四轮偏心块式振动器振动频率角频率为22.5转/秒(Hz)，最大激振力是22kN；江苏省无锡探矿机械总厂有限公司生产的G系列工程地质勘察钻机采用双偏心块式振动器。上述机械式齿轮传动振动装置中，频率低，钻孔取样深度浅、地层适应性差、钻进速度慢、钻进效率低等问题。