400 m 級超深豎井導井定向糾偏施工技術

鄧鵬

（中國水利水電第七工程局有限公司，成都 610081）

1 工程概況

陽江抽水蓄能電站位于廣東省陽春市與電白區交界處的八甲山區，上水庫地處陽春市八甲鎮南西約8 km 的河尾山林場，下水庫位于陽春市八甲鎮南西5 km 的高屋村石祥、更口、豐田一帶，上、下水庫落差約670 m，上下庫相距約18 km。陽江抽水蓄能電站開發任務以輸水發電為主。電站上水庫設計正常蓄水位773.7 m，總庫容2.836 5×107m3；下水庫總庫容3.105×107m3，正常蓄水位103.7 m。

引水發電隧洞下平洞和岔管段內水壓力水頭達800 m，是目前國內核準建設的單機容量最大、凈水頭最高、埋深最大的抽水蓄能電站。

2 關鍵技術

2.1 定向鉆機施工原理

定向井施工即采用定向鉆具組合進行鉆進。在鉆進過程中，需使用測斜儀連續監測鉆進軌跡，若發現偏斜，應立即進行定向鉆進，從而使整個鉆井的軌跡受控，以滿足設計需要[1]。其中，使用到的設備主要有：

1）無線隨鉆測斜儀。其采用三軸重力和三軸磁力線傳感器，來對三軸重力、磁力線進行檢測，并利用傳輸到傳感器中的數據來進一步編碼，再利用泥漿脈動將相關數據傳到地面，這部分數據在通過計算機將其解碼后，通過綜合鉆井深度參數，可測試出整條井的鉆井軌跡。

2）螺桿鉆桿。作為井下動力鉆具的一種，它是利用高壓泥漿驅動鉆頭旋轉，選擇螺桿時，一般都會選取具備彎曲角度的，以便實現滑動鉆進的效果，通俗說就是讓孔“轉彎”。

3）本工程采取的鉆進方式為復合鉆進，所用鉆具為定向鉆進以及復合鉆進2 種鉆具。在正常鉆進時，鉆機和螺桿鉆具同時旋轉，以提供較高的轉速進行鉆進；而在無線隨鉆測斜儀測定出偏斜的情況時，則需調整至滑動鉆進，以便在控制鉆井軌跡的同時，降低孔偏斜量。

2.2 MWD 測斜原理

井下測量儀器和地面設備共同組成了MWD 隨鉆測斜儀。一般來說，井下測量儀器的組成較復雜，由專用短接、定向探管、打撈頭、脈沖發生器、扶正器以及用于提供電量的電池筒組成。地面設備則由連接電纜、地面控制箱、計算機、壓力傳感器以及司鉆顯示器構成。MWD 隨鉆測斜儀的具體操作程序如下：

1）當定向探管獲取井下的參數并編碼后，脈沖器在控制信號的指引下上下運動，從而導致泥漿發生流動。流動所產生的能量可以進一步促進提升閥運動，并最終讓限流環以及提升閥二者內部的流通面積發生變化。

2）當提升閥提起時，泥漿可從鉆柱流向限流環；當提升閥下落時，泥漿流通截面積會變小，而泥漿壓力會在鉆柱中產生一個正脈沖。

3）提升閥的狀態由控制信號進行控制，定向探管則發出控制信號，間接控制脈沖寬度、間隔。

4）由于控制信號的強弱由泥漿流通截面積所決定，因此，在各種復雜的環境中，如排量、井深以及井眼不相同時，可通過改變限流環、提升閥的外徑或者內徑來控制信號的強弱。

5）在探管、泥漿脈沖發生器的共同作用下，可以完成數據的獲取以及傳輸。

2.3 確定施工設備

2.3.1 定向鉆機設備選型

根據設計地質勘探資料，超深豎井采用型號DL450T 定向鉆機進行導孔。定向鉆機主要由孔口裝置、上下夾持器及卸扣器、動力頭、動力頭側擺機構、機體滑架、機體滑架補償機構、舉升油缸、履帶底盤、動力系統、液壓系統、小絞車及泥漿泵組成。

定向鉆系統配套設備主要由定向鉆機、泥漿泵及變頻系統、射流泵、潛水泵、測斜儀、分析解碼器、鉆具及泥漿池組成。

2.3.2 鉆具選型

1）開孔鉆具組合：（1）φ216 mm 牙輪鉆頭+φ172 mm 鉆鋌+φ127 mm 短鉆桿（2m）；（2）鉆壓0.3～0.5 t，鉆速30～40 r/min，泵量600 L/min。

2）定向鉆進鉆具組合：（1）216 mm 牙輪鉆頭+172 mm 螺桿+411 mm×410 mm 浮閥+212 mm 扶正器+165 mm 定位短節+165 mm 無磁鉆鋌1 根+165 mm 鉆鋌3 根+127 mm 加重鉆桿9柱+127 mm+標準鉆桿；（2）鉆壓1.5～3.5 t，鉆速50～60 r/min（硬巖段），泵量1 200 L/min。

3 施工工藝及糾偏控制

3.1 定向鉆施工工藝及質量控制

在使用定向鉆進行施工時，為更好地控制質量，需掌握4個施工要點。

3.1.1 把握好開孔的角度

為使鉆孔的角度和直線符合設計要求，開孔時要把握好角度。

1）在留好孔槽的基礎上，保證大泵量600～1 200 L/min、慢轉60 r/min 以及在輕壓500 kg 的條件下進行鉆孔。

2）鉆孔時要保證排渣能循環進行。為了確保冷卻鉆機液壓系統和循環排渣順暢，要求導孔鉆進時循環補水，補水量為10 m3/h；使用擴孔鉆頭和冷卻液壓系統時，則需要按5 m3/h 補水。

3）開挖長×寬×深為2 m×1.5 m×1.5 m 泥漿池的過程中，需讓泥漿池離井口10 m 左右，且泥漿池容積≥4.5 m3。

3.1.2 鉆機泥漿

鉆進硬巖段時，所需泥漿黏度為20～35 Pa·s，比重1.03～1.15，且后續仍要依據返渣情況及時調整泥漿黏度。此外，要嚴格監控泥漿狀態，如果出現漏失現象要及時處理。尤其需要注意的是，泥漿材料、添加劑量和泥漿配比需要按照設計要求進行配置。

3.1.3 偏斜率控制

本工程在利用直井MWD 無線隨鉆測斜儀檢測鉆孔的過程中，當發生偏差時，一般利用磁導向裝置監測鉆孔的角度和方位。對此，每鉆進30 m 后檢測1 次孔斜情況，每隔5～10 m設置1 個觀測點；如果偏斜嚴重，則需加密測點。

3.1.4 鉆進控制

使用定向鉆機進行導孔鉆井，前26 m 為糾偏鉆具核心部位，主要依次為鉆頭、鉆桿、扶正器、無磁鉆鋌、儀器、無磁鉆鋌2～3 節、鉆鋌3～4 節、標準鉆桿。為了讓該段鉆進過程能夠平穩，從而更好地保證啟鉆段及續井深的平直，需控制的相關參數值有壓力2.3 MPa、扭矩4～8 kN·m、泵壓1.9 MPa，且需根據鉆孔開口圍巖條件來進行適當調整。

前段鉆具26 m 后為標準鉆具，標準鉆具3.1 m 長。由于本次深井為超深井，按井深對鉆進數據分為以下4 個階段進行設計：

1）井深26～140 m 鉆井控制數據：控制壓力2.4 MPa，扭矩5～8 kN·m，泵壓從1.9 MPa 逐步增加至2.1 MPa，單根鉆桿鉆進時間2～3 h。

2）140～180 m 鉆井控制數據：控制壓力2.4 MPa，扭矩6～9 kN·m，泵壓從2.1 MPa 逐步增加至2.2 MPa，單根鉆桿鉆進時間1～2 h。

3）180～270 m 鉆井控制數據：控制壓力2.4 MPa，扭矩6～10 kN·m，根據鉆進情況適當增加，泵壓3.5 MPa，單根鉆桿鉆進時間0.5～1 h。

4）270～340 m 鉆井控制數據：控制壓力2.4 MPa，扭矩5～7 kN·m，泵壓3.5 MPa，單根鉆桿鉆進時間0.5～1 h。

上下豎井定向鉆機導井鉆孔最快速度應≤40.65 m/d，通常上下豎井導孔鉆井平均速度18 m/d（包括鉆機及其他設備附件修理時間、等候配件時間等）。

3.2 MWD 測斜儀測量糾偏施工工藝

3.2.1 MWD 糾偏工藝

1）將壓力傳感器安裝在立管上，傳感器的信號需要利用接線盤傳到儀器房上，之后再連接到控制箱。

2）安裝司鉆顯示器，并通過接線盤和控制箱連接在一起。

3）將地面控制箱利用串口線和筆記本電腦連接，并在開啟后利用專業軟件來采集信息數據。

4）起鉆工作需要等到下鉆達到造斜點后方可進行，且需和彎接頭、螺桿鉆、MWD 專用短節依次相連。

5）要測量從彎接頭鍵（即高邊）順時針到專用短節定位螺絲（即定向鍵）的角差。

6）計算工具面修正值是指角差和高邊零值。在記錄工具面修正值時，如果其大于360°，需要先減去360°，再將得到的值記錄在MWD 軟件中。

7）設置好2 段儀器后將連接處的螺扣上緊，同時，為了確保脈沖器正常運轉，需定期檢查小閥。

8）將無磁鉆鋌連在短節上，然后再安裝儀器。

9）必須檢查坐鍵情況。在此過程中，要在打撈桿上做標記，并用管鉗夾住打撈桿，采取“提起、轉動、放下”或“左右轉動”的模式，而完成坐鍵的標志是處于打撈桿的標記朝向一致、操作結束的標志是以左旋的方式將打撈桿提起。

10）將水龍帶連在方鉆桿上，就能夠測試井口。在開泵后，計算機約在3 min 后會顯示脈沖，當其幅度≥1.034 MPa 時，方能符合規定。

3.2.2 MWD 測斜儀測量糾偏步驟

對MWD 測斜儀測量進行糾偏時，主要步驟如下：

1）井口測試：提前在井口對儀器進行測試，顯示正常方可下鉆；如果開泵2 min 后計算機上未反映出脈沖，則需要更換儀器。

2）淺層測試：處于300 m 處時，就需及時完成淺層測試，且此時的檢測仍然主要針對的是儀器；及時觀察計算機上對脈沖信號，如果監測不到信號，需要及時更換井下儀器。

3）測量結果分析：通常情況下，如果MAG 較穩定，可以通過地磁圖反映出鉆孔偏差；但如果MAG 超過標準值的11%，則說明井下存在磁干擾。

4 結語

通過MWD 無線隨鉆測斜技術、非開挖導向鉆井技術及大型反井鉆機反擴施工技術的成功運用，較常規的施工技術，導孔平均鉆進速度18 m/d，縮短施工工期約30 d。上豎井導孔貫通后偏斜33 cm，偏斜率控制在0.1%內，下豎井導孔貫通后偏斜25 cm，偏斜率控制在0.1%內，取得了良好的施工效果，可為今后類似工程提供參考。