淺析反井鉆機的主要結構性能特點和偏斜測量及控制

吳文兵

（中國水利水電第八工程局有限公司，湖南 長沙 410007）

1 工程概況

本工程厄瓜多爾MINAS水電站位于南美洲厄瓜多爾第三大城市昆卡西南方向，大壩距昆卡公路里程92 km。主要建筑物有：大壩、地下廠房、引水洞、變電站、壓力豎井、通風電纜井等。但壓力豎井和通風電纜井這兩條豎井的深度均在450米左右，開挖斷面直徑分別為Ф5.5米、Ф6.0米，是本工程的施工難點，通過技術人員對傳統施工方法與反井鉆全斷面一次成型的施工方法進行綜合分析對比，并經專家評審，確定采用反井鉆機進行豎井的全斷面一次擴挖成型方案。

2 設備選型

由于壓力豎井的壓力鋼管和通風電纜井設置電梯的要求，兩條豎井的偏斜率必須小于千分之一，通過當地咨詢、現場考察設備、業績了解，最終就近選用秘魯Master Drilling MaIta Limited公司的71RM先導孔鉆機進行先導孔施工、RD5-550反擴鉆機進行全斷面反擴施工。

3 71RM先導孔鉆機主要結構性能特點

（1）71RM先導孔鉆機現場圖片，見圖1。該鉆機采用了國際上較為先進的兩柱三缸結構形式。

其擁有以下特點：（1）整體剛性、承載能力強。（2）由兩個圓形導向立柱導向。（3）三只垂直主推油缸的中心線在同一圓周上均布，其在同一水平面的中心連線為一等邊三角形，三角形的幾何中心就是鉆機回轉中心，而驅動頭、減速傳動機構、主驅電機的重心也在鉆機的回轉中心上，所以三只垂直主推液壓缸在鉆進過程中對鉆柱施加的力較為平均，致使鉆機鉆進穩定性好，導孔精度高。

圖1

（2）71RM先導孔鉆機主機部分至下而上由鉆機支撐梁、水平液壓缸、撐靴、鉆機底座、圓形導向立柱、垂直主推液壓缸、驅動頭、減速傳動機構、主驅電機等組成。

（3）鉆機支撐梁由兩棵承載梁、端部連接構件組成，通過高強度鉸制孔螺栓連接而成，安裝在按技術要求澆筑的混凝土基礎面上，下部通過預埋螺栓與混凝土基礎連接，上部與撐靴通過高強度鉸制孔螺栓連接，鉸制孔螺栓的作用是防止鉆進過程中因振動而使鉆機支撐架與撐靴間產生滑移，影響導孔精度。

（4）鉆機支撐梁上平面（與撐靴的結合面及水平液壓缸行程范圍內與撐靴的結合面）都是在金結加工廠焊接成型并經過整體刨削加工后運到現場，所以安裝鉆機支撐架時，必須在刨削加工面四個角選點測量（高差嚴格按安裝說明書要求測量控制）。

（5）兩只水平液壓缸分別水平安裝在兩棵鉆機支撐梁上，一端與梁鉸接，另一端與鉆機底座鉸接，當需要吊10米長的定向鉆桿到井眼里時，利用這兩只水平液壓缸水平推動鉆機，待定向鉆桿放入后，再將鉆機回位。

（6）兩個撐靴的下平面也是經過精刨削加工，上與鉆機底座通過圓柱銷連接。撐靴上的圓柱銷孔是以刨削面為基準進行加工的，所以刨削面的精度直接影響圓柱銷孔的加工精度。撐靴上部圓柱銷孔和鉆機底座下部的圓柱銷孔的加工精度及孔軸配合公差的選擇對整個鉆機的垂直度有較大影響。

（7）鉆機底座上與三只垂直主推液壓缸的活塞桿頭部鉸接，同時又與兩只圓形導向立柱下端通過高強度內六角螺栓連接，每只圓形導向立柱與鉆機底座的水平基準面的垂直度要求高，是先導孔鉆機在豎井鉆進時確保井眼軌跡垂直水平面的關鍵部件。為了防止鉆機在鉆進過程中因振動而使導向立柱與鉆機底座的結合面產生滑移，結構特點①采用柱、孔間隙配合結合方式（就是通常說的止口），防止兩連接件的徑向相對滑移。②在兩接觸面采用端面徑向齒結合方式，防止兩連接件的相對轉動，目的是減小高強度連接螺栓受剪切應力。兩只導向立柱上端，用弧形板連接，形成框型結構，穩定性大大提高，導向性能更加良好。垂直主推油缸的缸筒通過半圓形壓蓋用高強度螺栓與減速傳動機構外殼的半圓座固定在一起，同時連接處缸筒外圓柱面加工的圓形凸臺、而減速傳動機構外殼的半圓座和半圓形壓蓋的內圓柱面加工的環形凹槽，使減速傳動機構外殼與缸筒固定為一體，從而實現垂直主推液壓缸提供鉆壓和提升鉆具的目的。圓形導向立柱也是通過半圓形壓蓋用高強度螺栓與減速傳動機構外殼的半圓座固定在一起，特點：①壓蓋與半圓座的結合面采用齒型結合（齒向與運動方向垂直），目的是減小高強度連接螺栓的剪切應力。②壓蓋與半圓座內圓柱面加工了環形凹槽，目的是限制半圓形導向襯環移動。③采用自動定量供油潤滑裝置和手動注油兩種方式相結合，確保潤滑的可靠性。

（8）驅動頭下與鉆具螺紋連接，上與減速傳動機構輸出端相連，是傳遞扭矩和承擔鉆具重量的主要部件。特點：①采用帶浮動量的驅動頭，裝卸鉆桿時使鉆桿上、下浮動，以免由于主軸的升降速度與螺距不一致而損壞螺紋。②驅動頭的外齒套上設計了反向棘輪，配合輔助卸桿器拆卸鉆桿。

（9）減速傳動機構的作用：①傳遞扭矩。②按設定傳動比降低轉速。同時鉆井液入口也設計在其機體下端。

（10）該鉆機是電動型導孔鉆機，鉆機旋轉機構的動力源是主驅電機。主要參數：電壓等級460V；頻率60Hz；電機功率250kW。采用變頻技術，使驅動頭獲取不同的轉速，滿足鉆進需要。

（11）71RM先導孔鉆機主要配套設施有液壓系統、冷卻系統、鉆井液供給回收系統、操作系統、鉆具安裝拆卸系統（全液壓機械手）、電器控制系統、主要參數（主推力、轉速、扭矩）顯示系統、各種鉆具及擺放平臺等。

4 RD5-550反擴鉆機主要結構性能特點

（1）RD5-550反擴鉆機現場圖片，見圖2。

（2）RD5-550反擴鉆機主機部分至下而上由鉆機支撐梁、撐靴、鉆機底座、螺旋頂、垂直主推液壓缸、驅動頭、減速傳動機構、主驅電機等組成。

（3）RD5-550反擴鉆機與71RM先導孔鉆機對比其結構特點有以下幾方面：①四只垂直主推液壓缸在同一水平面的中心線連線為一矩形，其幾何中心就是驅動頭的回轉中心。②四只垂直主推液壓缸的活塞桿頭部與鉆機底座連接，連接方式與71RM先導孔鉆機的圓形導向立柱與底座的連接方式相同；四只垂直主推液壓缸的缸筒與減速傳動機構的連接方式與71RM先導孔鉆機的連接方式相同；四只垂直主推液壓缸的缸筒頂部用連接板通過高強度螺栓連接成整體，加強了鉆機的整體剛性。③增加了調節鉆機水平的螺旋頂。④電機功率加大到400kW。⑤為了獲取大扭矩，改變了減速傳動機構的傳動方式，71RM先導孔鉆機是同軸傳動，即電機的旋轉中心線與驅動頭的回轉中心線重合。而RD5-550反擴鉆機是偏心傳動，即電機的旋轉中心線與驅動頭的回轉中心線有偏心距。

圖2

5 偏斜測量方式

（1）先導孔鉆進階段是反井鉆機施工的關鍵環節，及時、準確掌握先導孔偏斜率的大小是該環節的重點。71RM先導孔鉆機在鉆進中采用機械式無線隨鉆測斜儀測量導孔偏斜。該測斜儀主要參數及特點：測量精度0.5度，井斜測量范圍0～10度，最高工作溫度260度，最大工作井深達7000米，一次測斜時間3～5min，隨鉆測斜，完全能夠滿足深井和超深井的測斜需要。

（2）機械式無線隨鉆測斜儀的工作原理：通過測量機構測得井斜信息，由控制機構傳遞給脈沖信號發生裝置。該裝置發出的信號通過鉆井液以壓力脈沖的形式傳到地面，立管上的壓力傳感器接收到的脈沖信號由電子記錄儀處理信號后顯示偏斜大小。機械式無線隨鉆測斜儀的井下部分是近鉆頭安裝在內孔經特殊加工的專用鉆鋌中。

6 偏斜控制

導孔偏斜是反井法施工常見的現象。導致偏斜的主要原因除了操作人員的技術水平、鉆機的施工工藝、鉆井設備的性能等主觀因素外，客觀因素有鉆頭載荷、鉆桿作用、巖層特性等。

6.1 防止偏斜措施

（1）鉆機安裝基礎混凝土質量必須按嚴格技術要求施工，地腳螺栓必須錨固可靠，高強度連接螺栓必須按扭矩要求緊固，確保鉆機整體剛性良好。

（2）開孔時用短穩定開孔鉆桿、低鉆壓、慢轉速、確保開孔精度。

（3）鉆進時合理布置穩定鉆桿、使用合理鉆壓和轉速。

（4）合理選擇鉆井液，確保洗井質量。

（5）了解巖層特性，根據不同的巖層特性制定不同的施工工藝等。

6.2 現場糾偏措施

由于71RM先導孔鉆機采用機械式無線隨鉆測斜儀，能夠及時掌握偏斜大小，當偏斜大小接近極限時，就采用特制定向鉆桿進行糾偏。

6.2.1 特制定向鉆桿

現場圖片，見圖3。

圖3

6.2.2 特制定向鉆桿特點

（1）整體剛性好，總長10米，重量是等長鉆具的五倍左右。

（2）鉆頭與鉆桿剛性連接，鉆頭擺動小。

（3）近鉆頭端鉆桿內裝有機械式無線隨鉆測斜儀，可以隨時測得糾偏效果。

（4）鉆桿外圓周上加工了兩段剛性螺旋扶正器（一段離鉆頭0.5米左右，一段離鉆桿尾部2米左右），剛性螺旋扶正器外徑比鉆頭外徑小2～3毫米（穩定鉆桿的外徑比鉆頭外徑小4～6毫米），同時在兩只剛性扶正器間離鉆桿尾部3.5米左右設置了彈性扶正器，大大提高了定向精度。

（5）該鉆桿的外圓柱面是以鉆頭的中心為中心，通過大型超長車床一次加工成型，確保了特制定向鉆桿的同心度要求。

6.3 特制定向鉆桿的操作步驟

（1）發現偏斜即將超限后，利用鉆井液清洗底部鉆屑。

（2）取出鉆具。

（3）卸下鉆機支架梁與撐靴連接的高強度鉸制孔螺栓，利用水平液壓缸移動鉆機。

（4）往先導孔內灌注一級配強度等級較高的混凝土或水下混凝土，利用混凝土自身重力到達井底，等強后將特制定向鉆桿吊入先導孔內，并用專用夾具鎖在混凝土基礎面上。

（5）利用水平液壓缸回移鉆機，安裝并擰緊鉆機支架梁與撐靴連接的高強度鉸制孔螺栓。

（6）按要求配置穩定鉆桿，將特制定向鉆桿下到偏斜處，采用慢轉速、低鉆壓（根據鉆進速度和測量的偏斜大小調整鉆壓）鉆進，直至偏斜大小在要求范圍內。

（7）取出特制定向鉆桿，有時要兩次、甚至多次重復以上步驟才能完成糾偏。

7 結語

厄瓜多爾MINAS水電站的壓力豎井和通風電纜井井深均為450米左右，在國內外均屬超深豎井之列，且國內類似超深豎井采用全斷面一次性反擴成型也見之甚少，最終壓力豎井導井貫通后實際偏差為萬分之一，通風電纜豎井貫通后實際偏差為萬分之九。本文通過對現場選用的71RM先導鉆機和RD5-550反擴鉆機的結構性能特點、偏斜測量方式、具體糾偏方法的描述，更加深入地了解了國際水平的反井鉆機，同時促進了反井鉆機的選型。