反井鉆機采用定向技術(shù)在長斜井導(dǎo)井施工中的應(yīng)用

馬超群

摘? ?要：隨著我國經(jīng)濟社會的發(fā)展，電力系統(tǒng)規(guī)模的不斷擴大，用電負(fù)荷和峰谷差不斷擴大，加快抽水蓄能電站的開發(fā)建設(shè)是今后我國電力發(fā)展的重要方向之一。在抽水蓄能電站引水系統(tǒng)出現(xiàn)許多長斜井及深豎井的施工，為降低施工成本、減少安全風(fēng)險，均采用大孔徑反井鉆施工導(dǎo)井的方法進(jìn)行溜渣爆破。本文介紹了反井鉆機采用定向技術(shù)在河北豐寧抽水蓄能電站工程下斜井反井鉆施工中的應(yīng)用、配套設(shè)施及施工工藝。

關(guān)鍵詞：反井鉆機? 定向技術(shù)? 長斜井? 施工

中圖分類號：TV53? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2019）05（c）-0052-02

作為目前經(jīng)濟、清潔的大規(guī)模儲能方式，抽水蓄能水電站以啟停靈活、反應(yīng)迅速，具有調(diào)峰填谷、調(diào)頻、調(diào)相、緊急事故備用和黑啟動等多種功能，使得抽水蓄能電站在電力建設(shè)方面有較好的發(fā)展趨勢。但抽水蓄能電站引水系統(tǒng)出現(xiàn)了許多大傾角（大于50°）長斜井（大于300m）的施工。為保證施工進(jìn)度，降低安全風(fēng)險，為施工作業(yè)提供良好作業(yè)環(huán)境，以往采取的阿里馬克爬罐開挖斜井導(dǎo)井的方法已被反井鉆開挖斜井導(dǎo)井的方法所取締。但在反井鉆施工中，導(dǎo)孔偏斜率又成為該工藝的關(guān)鍵制約因素。

1? 工程概況

河北豐寧抽水蓄能電站引水系統(tǒng)3#高壓管道下斜井導(dǎo)井施工原投標(biāo)時采用爬罐施工工藝進(jìn)行施工，通過優(yōu)化后，方案中策劃斜井先采用DL450T定向鉆機進(jìn)行導(dǎo)孔施工，然后采用反井鉆機進(jìn)行擴孔施工。但采取該方案施工后，存在DL450T定向鉆機施工的導(dǎo)孔孔內(nèi)彎曲較大，反井鉆下鉆困難且反拉施工過程中扭矩較大，導(dǎo)致施工設(shè)備發(fā)現(xiàn)各類故障且施工進(jìn)度極其緩慢無法滿足總工期要求。故采取直接用反井鉆機結(jié)合定向技術(shù)進(jìn)行導(dǎo)井施工。

3#高壓管道下斜井斜直段為273.437m（含上下彎管段約300m），下斜井上彎段夾角為52.43°，中心長度均為27.451m，下斜井下彎段夾角為52.43°，中心長度均為27.451m。

3#高壓管道下斜井圍巖類別主要為Ⅲb類，局部斷層部位圍巖為IV類。洞室圍巖水力劈裂臨界壓力一般在2.19～6.19MPa之間，干抗壓強度為105MPa，飽和抗壓強度75MPa，巖石可鉆性較好。

2? 基本原理

通過測量儀器放樣下鉆點位置，澆筑基礎(chǔ)并將反井鉆機安裝在斜井上井口已澆筑好的混凝土基礎(chǔ)上，用反井鉆機加隨鉆測斜儀直接鉆成φ311m導(dǎo)孔，用清水或泥漿作循環(huán)鉆井液排渣，若在鉆進(jìn)過程中，發(fā)現(xiàn)偏斜及時采用1.5°彎曲螺桿及時糾偏，直至導(dǎo)孔與下部支洞貫通后，拆掉導(dǎo)孔鉆頭，連接直徑為φ2500mm反導(dǎo)孔鉆頭由下向上擴孔，鉆屑從刀盤接觸面自由下落到下水平巷道，由裝運設(shè)備將巖渣從下部支洞運出，當(dāng)擴孔鉆頭從上井口透出后，整個擴孔施工完成。

3? 技術(shù)優(yōu)點

（1）反井鉆機扭矩較大、鉆桿較粗，在導(dǎo)孔施工過程中，可有效避免鉆桿在施工過程中出現(xiàn)斷桿事故;

（2）受原定向鉆機鉆孔能力制約，成孔直徑一般為φ152mm，需要增加一次導(dǎo)孔擴孔施工方可采用反井鉆機進(jìn)行擴孔施工，減少了設(shè)備的重復(fù)投入;

（3）施工效率高，可有效減低施工成本、減小施工風(fēng)險、節(jié)約施工工期;

（4）有效應(yīng)對復(fù)雜地層引起的導(dǎo)孔偏斜。

4? 施工工藝

4.1 準(zhǔn)備階段

施工現(xiàn)場具備施工條件后，及時在隧道頂部適宜位置安裝吊裝天錨，并開挖清理鉆機工作面基礎(chǔ)、砌筑循環(huán)泥漿池，以及放樣鉆孔中心點、澆注基礎(chǔ);采用PVC管將水源引至循環(huán)泥漿池，用于導(dǎo)孔孔內(nèi)循環(huán)排渣及鉆頭冷卻;施工用電自現(xiàn)場配電柜空氣開關(guān)上引出，接引至施工部位配電柜盤，由配電柜盤向主作業(yè)面供電;定向鉆機安裝在預(yù)先澆筑好的混凝土基礎(chǔ)上，連接好各部分液壓系統(tǒng)管路和電器線路，進(jìn)行調(diào)試運轉(zhuǎn)。

4.2 鉆機就位及安裝、調(diào)試

反井鉆機通過載重汽車運輸至施工工作面，然后采用吊裝天錨將反井鉆機放置在已澆筑好的作業(yè)平臺上;鉆機就位后，調(diào)整、檢查鉆機鉆進(jìn)傾角、入鉆點是否符合設(shè)計要求，利用全站儀、水平儀器和量角器對其進(jìn)行鉆進(jìn)方向的確定及校正。

4.3 反井鉆機設(shè)備改裝升級

由于鉆頭、螺桿馬達(dá)、無磁鉆具、隨鉆測斜儀組合鉆井工具較長、較重，為保證該組合鉆具在孔內(nèi)的下放，須給反井鉆機加裝一個快速移動裝置和井口吊車。組合鉆具在孔內(nèi)下放時，通過快速移動裝置將反井鉆機機體移離井口，井口吊車將其下放入孔，然后反井鉆機回位固定后，連接組合鉆井工具進(jìn)行測斜、定向鉆進(jìn)。

4.4 開孔鉆進(jìn)

（1）調(diào)整動力頭轉(zhuǎn)速為預(yù)定值。

（2）將動力頭升至最高位置，把導(dǎo)孔牙輪鉆頭放入鉆架底孔中，并用插板卡住異型接頭的下四方，加接穩(wěn)定鉆桿。

（3）將泥漿泵調(diào)至低壓狀態(tài)，啟動泥漿泵供鉆井液和冷卻用水。

（4）操作動力頭旋轉(zhuǎn)手柄，使其正轉(zhuǎn)。同時操作動力頭下降手柄，使動力頭向下推進(jìn)，調(diào)節(jié)副泵油壓和推進(jìn)缸背壓，使之為所需鉆壓（鉆壓不易過大，以防在鉆進(jìn)過程中，入鉆點位置發(fā)生變化），開始開孔鉆進(jìn)。

（5）開孔鉆進(jìn)至50m左右后，接上正常鉆進(jìn)時的鉆具組合，可進(jìn)入正常的導(dǎo)孔鉆進(jìn)（鉆進(jìn)過程中，需加接穩(wěn)定鉆桿，以防在鉆進(jìn)過程中發(fā)生偏斜）。

4.5 導(dǎo)孔鉆進(jìn)

（1）導(dǎo)孔鉆進(jìn)是成孔的關(guān)鍵工序，司機應(yīng)認(rèn)真觀察孔內(nèi)流出鉆井液的流量變化及排出巖渣情況，不正常時應(yīng)及時處理。

（2）每次接上鉆桿，開始鉆進(jìn)時，都要先供給鉆井液，待鉆井液從孔內(nèi)流出后再開鉆。當(dāng)鉆完一根鉆桿，準(zhǔn)備接下一根鉆根時，應(yīng)把鉆具提起5～10cm清洗井底，清洗時間根據(jù)鉆孔深度控制在0.5～3min，若下一班無人時，清洗的時間應(yīng)長些。停機前必須把動力頭提高400mm以上，以防止巖渣堵孔，若返渣量不理想，停機前應(yīng)視情況卸掉1～3根鉆桿。

（3）加接鉆桿前，必須先停止供給鉆井液，然后再接鉆桿。

（4）鉆進(jìn)過程中，及時將鉆井液攜帶出的鉆渣進(jìn)行清理，以防鉆渣帶入循環(huán)泥漿池造成鉆孔事故。

（5）導(dǎo)孔鉆進(jìn)過程中，及時通過測斜數(shù)據(jù)分析導(dǎo)孔軌跡，發(fā)生偏離時及時糾偏。

4.6 導(dǎo)孔完成

導(dǎo)孔鉆透后，停止泥漿（水）循環(huán)，但鉆機不能停轉(zhuǎn)，應(yīng)開始向孔內(nèi)加清水，直到鉆機轉(zhuǎn)動平穩(wěn)、扭矩變化不大時才能停轉(zhuǎn)。在整個導(dǎo)孔作業(yè)過程中，不得中途出現(xiàn)停水、停電等情況，否則會導(dǎo)致卡鉆等惡性事故發(fā)生。

4.7 導(dǎo)孔鉆頭拆除

導(dǎo)孔完成后，將鉆桿下設(shè)至下部隧洞底部，拆除導(dǎo)孔鉆頭，安裝反井鉆機擴孔鉆頭并清理工作面等工序后進(jìn)行反拉擴孔施工。

5? 導(dǎo)孔測斜及糾偏

在施工過程中，定向鉆機受機械設(shè)備、地質(zhì)條件及操作人員等因素的影響，導(dǎo)致形成軌跡往往與設(shè)計軌跡出現(xiàn)一定的偏差。為保證實際導(dǎo)井軌跡達(dá)到設(shè)計質(zhì)量要求，在操作過程中需要加強精度控制措施。

5.1 開孔鉆具組合

Ф311mm牙輪鉆頭+Ф254mm鉆桿。

鉆壓：0.3～0.5t。

鉆速：0～21r/min。

泵量：1200 L/min。

5.2 測斜、定向鉆井工具組合

Ф311mm牙輪鉆頭+Ф203mm彎螺桿（1.5°）+Ф203mm無磁鉆鋌+Ф254mm鉆桿。

鉆壓：以控制工具面角為主。

鉆速：8～16r/min。

泵量：1800L/min。

5.3 鉆孔測斜、糾偏

采用無線隨鉆測斜儀對反井先導(dǎo)孔鉆進(jìn)進(jìn)行孔斜監(jiān)測及定向糾偏。泥漿脈沖式無線隨鉆測斜儀，不但提高了測斜定向精度，而且能隨時監(jiān)測定向參數(shù)及時調(diào)整定向設(shè)計方案，提高了鉆進(jìn)施工效率。

（1）孔斜監(jiān)測。探管將其測量得到的井眼軌跡數(shù)據(jù)按照一定的編碼方式傳給脈沖發(fā)生器，由泥漿脈沖發(fā)生器將信通過壓力脈沖信號傳輸?shù)牡孛妫芰⒐苌系膲毫鞲衅鲗⒏袘?yīng)到壓力脈沖信號傳給地面主機進(jìn)行解碼，最終顯示出井眼軌跡數(shù)據(jù)。為避免測量儀器受到由于鋼鉆具引起的磁干擾，必須增加一定長度的無磁鉆鋌（井斜越大，方位越靠近東西方向，長度應(yīng)選擇越長）。

每鉆進(jìn)10m測斜一次。將實鉆軌跡結(jié)果與設(shè)計進(jìn)行比對?？仔背珪r，可加密測點，并制定定向糾偏設(shè)計。

（2）鉆孔糾偏。根據(jù)制定的糾偏設(shè)計利用Ф311mm彎螺桿鉆具結(jié)合大排量泥漿泵進(jìn)行定向鉆進(jìn)，以及隨鉆測斜儀進(jìn)行測斜糾偏。

定向或扭方位必須認(rèn)真檢查儀器是否觸鍵，不觸鍵不能進(jìn)行定向或扭方位施工。 定向或扭方位的鉆進(jìn)參數(shù)，鉆壓、排量可根據(jù)實際施工需要，按定向施工人員的要求作合理的調(diào)整。

施工過程中，進(jìn)尺快慢對反扭角影響很大，從而影響所定工具面的大小，注意隨時調(diào)整保證實際工具面與所要打的工具面相符。

定向施工人員應(yīng)充分利用地層漂移規(guī)律來定向，減少全井扭方位的次數(shù)。定向時應(yīng)保證井眼符合率，實鉆數(shù)據(jù)應(yīng)與剖面符合，參照剖面設(shè)計，將實鉆軌跡計算結(jié)果與設(shè)計進(jìn)行比對，在保證中靶并符合有關(guān)井斜、方位偏差要求的情況下結(jié)束定向。

6? 特殊地層處理

導(dǎo)孔鉆進(jìn)過程中，若遇到巖體斷層構(gòu)造，不僅容易塌孔，造成埋鉆、卡鉆等事故，而且對偏斜控制不利。因此，遇到不良地層，必須采取相應(yīng)措施進(jìn)行處理。

（1）開鉆前，認(rèn)真研究水文地質(zhì)資料，確定不良地層的位置和深度。

（2）遇到破碎地層，調(diào)整泥漿參數(shù)，增強泥漿鉆井液的護壁和攜渣能力，確保反渣通暢。

（3）鉆機司機精心操作，此時應(yīng)加快鉆進(jìn)速度，快速通過破碎地層，并隨時測量孔底沉渣量，沉渣量不得超過半米，避免埋鉆。

（4）若遇到較大裂隙、裂縫和極為軟弱地層，通過調(diào)節(jié)泥漿參數(shù)仍然不能正常鉆進(jìn)，應(yīng)立即停鉆，提出孔內(nèi)鉆具，進(jìn)行灌漿處理，不良地層處理好之后就可以正常鉆進(jìn)了。

7? 結(jié)語

通過實踐證明，反井鉆機采用定向技術(shù)鉆導(dǎo)井的施工方法，既能縮短施工工期，又能避免采用定向鉆機施工導(dǎo)孔過程中造成的孔道彎曲而發(fā)生的下鉆及施工異常問題，其操作簡單、運行平穩(wěn)可靠、工藝性好、效率高，便于精確測控;安裝運輸簡單省力、迅速安全，機械化連續(xù)作業(yè)，成井速度快、質(zhì)量好，為后期施工創(chuàng)造了良好的條件，綜合效益顯著;操作簡單安全，改善了勞動條件，大大減輕了工人的勞動強度，避免了孔內(nèi)事故發(fā)生。

參考文獻(xiàn)

[1] 何星.大慶油田平行斷層定向井技術(shù)[J].油氣田地面工程，2014，3（12）：95.

[2] 張健.長輸管道水平定位向鉆施工技術(shù)及配套裝置研究[D].東北石油大學(xué)，2014.

[3] 白雪峰.吳起地區(qū)定向井鉆井技術(shù)的探討[J].中國石油和化工標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量，2012，33（13）：148.