反井鉆機采用定向技術在長斜井導井施工中的應用

馬超群

摘? ?要：隨著我國經濟社會的發展，電力系統規模的不斷擴大，用電負荷和峰谷差不斷擴大，加快抽水蓄能電站的開發建設是今后我國電力發展的重要方向之一。在抽水蓄能電站引水系統出現許多長斜井及深豎井的施工，為降低施工成本、減少安全風險，均采用大孔徑反井鉆施工導井的方法進行溜渣爆破。本文介紹了反井鉆機采用定向技術在河北豐寧抽水蓄能電站工程下斜井反井鉆施工中的應用、配套設施及施工工藝。

關鍵詞：反井鉆機? 定向技術? 長斜井? 施工

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

作為目前經濟、清潔的大規模儲能方式，抽水蓄能水電站以啟停靈活、反應迅速，具有調峰填谷、調頻、調相、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方面有較好的發展趨勢。但抽水蓄能電站引水系統出現了許多大傾角（大于50°）長斜井（大于300m）的施工。為保證施工進度，降低安全風險，為施工作業提供良好作業環境，以往采取的阿里馬克爬罐開挖斜井導井的方法已被反井鉆開挖斜井導井的方法所取締。但在反井鉆施工中，導孔偏斜率又成為該工藝的關鍵制約因素。

1? 工程概況

河北豐寧抽水蓄能電站引水系統3#高壓管道下斜井導井施工原投標時采用爬罐施工工藝進行施工，通過優化后，方案中策劃斜井先采用DL450T定向鉆機進行導孔施工，然后采用反井鉆機進行擴孔施工。但采取該方案施工后，存在DL450T定向鉆機施工的導孔孔內彎曲較大，反井鉆下鉆困難且反拉施工過程中扭矩較大，導致施工設備發現各類故障且施工進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合定向技術進行導井施工。

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，澆筑基礎并將反井鉆機安裝在斜井上井口已澆筑好的混凝土基礎上，用反井鉆機加隨鉆測斜儀直接鉆成φ311m導孔，用清水或泥漿作循環鉆井液排渣，若在鉆進過程中，發現偏斜及時采用1.5°彎曲螺桿及時糾偏，直至導孔與下部支洞貫通后，拆掉導孔鉆頭，連接直徑為φ2500mm反導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，由裝運設備將巖渣從下部支洞運出，當擴孔鉆頭從上井口透出后，整個擴孔施工完成。

3? 技術優點

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

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

（3）施工效率高，可有效減低施工成本、減小施工風險、節約施工工期;

（4）有效應對復雜地層引起的導孔偏斜。

4? 施工工藝

4.1 準備階段

施工現場具備施工條件后，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、砌筑循環泥漿池，以及放樣鉆孔中心點、澆注基礎;采用PVC管將水源引至循環泥漿池，用于導孔孔內循環排渣及鉆頭冷卻;施工用電自現場配電柜空氣開關上引出，接引至施工部位配電柜盤，由配電柜盤向主作業面供電;定向鉆機安裝在預先澆筑好的混凝土基礎上，連接好各部分液壓系統管路和電器線路，進行調試運轉。

4.2 鉆機就位及安裝、調試

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平臺上;鉆機就位后，調整、檢查鉆機鉆進傾角、入鉆點是否符合設計要求，利用全站儀、水平儀器和量角器對其進行鉆進方向的確定及校正。

4.3 反井鉆機設備改裝升級

由于鉆頭、螺桿馬達、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行測斜、定向鉆進。

4.4 開孔鉆進

（1）調整動力頭轉速為預定值。

（2）將動力頭升至最高位置，把導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，加接穩定鉆桿。

（3）將泥漿泵調至低壓狀態，啟動泥漿泵供鉆井液和冷卻用水。

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

（5）開孔鉆進至50m左右后，接上正常鉆進時的鉆具組合，可進入正常的導孔鉆進（鉆進過程中，需加接穩定鉆桿，以防在鉆進過程中發生偏斜）。

4.5 導孔鉆進

（1）導孔鉆進是成孔的關鍵工序，司機應認真觀察孔內流出鉆井液的流量變化及排出巖渣情況，不正常時應及時處理。

（2）每次接上鉆桿，開始鉆進時，都要先供給鉆井液，待鉆井液從孔內流出后再開鉆。當鉆完一根鉆桿，準備接下一根鉆根時，應把鉆具提起5～10cm清洗井底，清洗時間根據鉆孔深度控制在0.5～3min，若下一班無人時，清洗的時間應長些。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）鉆進過程中，及時將鉆井液攜帶出的鉆渣進行清理，以防鉆渣帶入循環泥漿池造成鉆孔事故。

（5）導孔鉆進過程中，及時通過測斜數據分析導孔軌跡，發生偏離時及時糾偏。

4.6 導孔完成

導孔鉆透后，停止泥漿（水）循環，但鉆機不能停轉，應開始向孔內加清水，直到鉆機轉動平穩、扭矩變化不大時才能停轉。在整個導孔作業過程中，不得中途出現停水、停電等情況，否則會導致卡鉆等惡性事故發生。

4.7 導孔鉆頭拆除

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

5? 導孔測斜及糾偏

在施工過程中，定向鉆機受機械設備、地質條件及操作人員等因素的影響，導致形成軌跡往往與設計軌跡出現一定的偏差。為保證實際導井軌跡達到設計質量要求，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孔鉆進進行孔斜監測及定向糾偏。泥漿脈沖式無線隨鉆測斜儀，不但提高了測斜定向精度，而且能隨時監測定向參數及時調整定向設計方案，提高了鉆進施工效率。

（1）孔斜監測。探管將其測量得到的井眼軌跡數據按照一定的編碼方式傳給脈沖發生器，由泥漿脈沖發生器將信通過壓力脈沖信號傳輸的地面，井架立管上的壓力傳感器將感應到壓力脈沖信號傳給地面主機進行解碼，最終顯示出井眼軌跡數據。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，長度應選擇越長）。

每鉆進10m測斜一次。將實鉆軌跡結果與設計進行比對。孔斜超偏時，可加密測點，并制定定向糾偏設計。

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

定向或扭方位必須認真檢查儀器是否觸鍵，不觸鍵不能進行定向或扭方位施工。 定向或扭方位的鉆進參數，鉆壓、排量可根據實際施工需要，按定向施工人員的要求作合理的調整。

施工過程中，進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。

定向施工人員應充分利用地層漂移規律來定向，減少全井扭方位的次數。定向時應保證井眼符合率，實鉆數據應與剖面符合，參照剖面設計，將實鉆軌跡計算結果與設計進行比對，在保證中靶并符合有關井斜、方位偏差要求的情況下結束定向。

6? 特殊地層處理

導孔鉆進過程中，若遇到巖體斷層構造，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，必須采取相應措施進行處理。

（1）開鉆前，認真研究水文地質資料，確定不良地層的位置和深度。

（2）遇到破碎地層，調整泥漿參數，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，此時應加快鉆進速度，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，通過調節泥漿參數仍然不能正常鉆進，應立即停鉆，提出孔內鉆具，進行灌漿處理，不良地層處理好之后就可以正常鉆進了。

7? 結語

通過實踐證明，反井鉆機采用定向技術鉆導井的施工方法，既能縮短施工工期，又能避免采用定向鉆機施工導孔過程中造成的孔道彎曲而發生的下鉆及施工異常問題，其操作簡單、運行平穩可靠、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，機械化連續作業，成井速度快、質量好，為后期施工創造了良好的條件，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，避免了孔內事故發生。

參考文獻

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