超深豎井鉆孔糾偏方法研究

宋 安 瑞， 鄭 堯， 侯 望

(中國水利水電第七工程局有限公司，四川 成都 610213)

1 概 述

陽江抽水蓄能電站是國內在建、已建水頭最高的水電項目，工程樞紐主要由上水庫、下水庫、輸水系統、地下廠房洞室群及地面開關站、場內交通道路等建筑物組成，工程為一等工程，工程規模為大(1)型。引水上豎井上、下彎段長45.925 m，上彎段距上游調壓井31.518 m，距1#施工支洞79.96 m。下彎段距2#施工支洞23.66 m，距引水下豎井67.791 m。上豎井(直徑為7.5 m)連接上平洞和中平洞，豎井直段加彎段共長381.938m，上豎井開挖直徑為8.7 m。

引水上豎井通過的巖性均為燕山三期(5)中粗粒花崗巖。高壓壓水試驗結果表明大部分巖體在高壓水頭下滲透性弱，具有較好的抗滲透性能。弱風化巖飽和單軸抗壓強度一般為60～100 MPa，平均為83 MPa。微風化巖飽和單軸抗壓強度一般為100～130 MPa，平均為11 MPa。

在引水上豎井發育有1 條主要斷層 f718。f718斷層呈NE～NEE(近 EW 向)向，從上豎井下部通過，剖面上與豎井的交角約為17°，主探洞揭露斷層帶寬度為2～3 m，膠結較差，對上豎井下部圍巖影響較大，因此應加強支護和防滲處理。

引水上豎井除局部圍巖受斷層影響呈強～弱風化外，其余大部分洞段深埋于微風化～新鮮的巖體內。

該工程斷層帶寬度為2～3 m。豎井導孔施工過程中斷層、夾泥、破碎帶使鉆頭受力不均，導孔偏斜，甚至造成廢孔及鉆桿斷裂。

目前，國內在建及已建的超深豎井較少，豎井施工還基于傳統反井鉆機+穩定鉆桿的方式進行導孔施工，導孔在軟弱結構面及斷層部位仍然采用傳統鉆壓及加裝穩定桿的方式進行糾偏。傳統的糾偏范圍有限且無法直觀、準確地判斷出導孔的偏斜度。

已建豎井導孔偏斜率超出規范要求及導孔無法貫穿的情況時有發生，因此，水電行業急需進行超深豎井導孔施工技術總結，應用新技術。

2 鉆機選擇

(1)鉆機的選型。根據鉆孔深度、鉆孔直徑、巖石抗壓強度初步選擇相應的定向鉆機，然后對鉆機的主要技術參數進行驗算：①實際工作拉力=動力頭重量+擴孔鉆頭重量+鉆桿重量+最大鉆壓； ②實際工作扭矩=破巖阻力矩+摩擦阻力。一般要求扭矩的實際工作拉力不超過鉆機設計最大提升力的60%，扭矩不超過設計最大扭矩的60%。

(2)定向鉆機鉆具組合。①開孔鉆具組合。Φ216牙輪鉆頭+Φ172鉆鋌+Φ127短鉆桿(2 m)。②定向鉆進鉆具組合。Φ216牙輪鉆頭+ 磁短節+Φ172單彎螺桿+411*410浮閥+Φ212扶正器+Φ165定位短節+411*4A10變扣+Φ165無磁鉆鋌2根+Φ165無磁鉆鋌2根+Φ212扶正器+Φ165加重鉆桿9柱+Φ127普通鉆桿。

3 鉆機基礎施工

鉆機基礎(圖1)采用C25混凝土，其澆筑尺寸(長×寬)為8.5 m×3 m，入鉆中心2.4 m×2.4 m范圍50 cm厚。此外，基礎20 cm厚。基礎混凝土頂面高出地面20 cm。基巖面驗收質量標準按照《水工混凝土施工規范》DL/T5144-2015要求清理基礎面，結構面四周支模采用P3015組合鋼模板拼裝、插筋固定、外設支撐，Φ50插入式軟軸振搗棒振搗密實，灑水養護。

圖1 鉆機基礎圖

4 鉆機安裝

混凝土澆筑7 d后安裝鉆機，鉆機(定向鉆機帶履帶式行走裝置)行走就位校正后固定，固定采用12根Φ25，L=180 cm、入巖1.4 m、外露0.4 m并與鉆機兩側的鋼梁焊接，確保鉆機與基礎牢固銜接，不發生移位。

5 泥漿洗井液配制

定向鉆機用的泥漿洗井液采用水基泥漿，其主要組成部分是黏土、水和化學處理劑，泥漿采用膨潤土配制。

定向鉆機用的泥漿洗井液的性能(表1)主要包括密度、黏度、失水量、含砂量、膠體率和PH值等。其性能的優劣直接影響護壁堵漏、排除巖粉、潤滑鉆具、冷卻鉆頭、鉆進效率、成本及安全鉆進。在導孔鉆孔過程中，為了適應不同地層對泥漿洗井液性能的要求，必須向泥漿內加入一定量的化學處理劑用以改善泥漿洗井液的性能。

表1 定向鉆機泥漿性能技術指標表

6 導孔施工及糾偏措施

6.1 定向鉆機的施工原理

在常規的鉆進導孔過程中，鉆頭受地層的影響在鉆進過程中會產生偏斜(即偏離預定的施工軌跡)。最典型的是地層軟硬相間帶來的偏斜(圖2)，給超深豎井導孔施工帶來了較大的不利影響。

定向井施工即采用定向鉆具組合進行鉆進。在鉆進過程中，使用測斜儀對鉆進軌跡進行連續監測，發現偏斜時，隨即進行定向鉆進作業，從而使整個鉆井的軌跡受控，滿足設計需要。

6.2 測 斜

采用MWD隨鉆測斜儀[5]的脈沖發生器將探測的數值發送至地面計算機進行編碼。由內置計算機解碼，實時監控導孔偏斜情況(圖3)。

圖2 巖層軟硬、硬軟交替引起的井孔偏斜圖

圖3 隨鉆測斜示意圖

在距孔底50 m范圍時采用RMRS隨鉆測斜技術進行測試，這些傳感器測得的數值由內置計算機進行編碼，經脈沖發生器通過泥漿脈動[1]傳遞至地面，地面計算機解碼數據，通過捕捉孔底磁場發射器位置精準導孔。

6.3 螺桿鉆具

根據測斜儀測量的偏斜率及偏斜方向，采用了一種被稱為井下動力鉆具[4]的螺桿鉆具(圖4)，其可在鉆桿不旋轉的情況下由高壓泥漿驅動鉆頭旋轉。選擇具有一定彎曲角度的螺桿，可以進行滑動鉆進，即使孔“轉彎”。

圖4 螺桿鉆具結構圖

6.4 鉆 進

設計定向井鉆井全程采用復合鉆進的方式。鉆具組合為定向鉆進、復合鉆進鉆具組合[3]。在正常鉆進時，鉆機和螺桿鉆具同時旋轉，提供較高的轉速進行鉆進；在無線隨鉆測斜儀測定出偏斜的情況下調整至滑動鉆進(圖5)，進而對鉆井軌跡進行控制，以使孔偏斜降低。

1.鉆頭；2.螺桿；3.無磁鉆鋌；4.無線隨鉆測斜儀；5.鉆桿圖5 滑動與復合鉆進示意圖

6.5 糾 偏

在無線隨鉆測斜儀[2]測量參數指導下，通過定向螺桿鉆具對鉆孔軌跡進行定向控制。每鉆進一單根鉆具測斜一次，每隔5～10 m 一個測點。孔斜超偏時加密測點并制定定向糾偏設計(表2)。

根據制定的糾偏設計，利用彎螺桿造斜角度進行反向鉆進以實現糾偏，加之隨鉆測斜儀進行測量以保證整個長斜鉆孔的完成。如偏斜角大于設計數值，可以減少定向長度后進行復合鉆進。

表2 測斜、糾偏表

7 結 語

在本次陽江抽水蓄能電站引水上豎井導孔施工過程中，采用定向鉆機+MWD、RMRS隨鉆測斜儀進行導孔偏斜控制，引水上豎井導孔偏差為0.32 m，偏斜率為0.08%，遠低于《水電水利工程斜井豎井施工規范》DL/T 5407-2009中的偏斜率，實現了導孔優質、快速、經濟、安全的實施，是豎井施工工藝的一次重大升華，其相關技術成果可為后續水利、礦山、交通等多個領域類似工程提供重要的參考，具有廣闊的應用前景及較大的利用價值。