缓倾斜井导孔高精度施工技术

李 霞

(中国水利水电第七工程局有限公司，四川成都 610213)

1 工程概况

广东阳江抽水蓄能电站位于广东省阳春市与电白县交界处的八甲山区，上水库地处阳春市八甲镇南西约8 km的河尾山林场，下水库位于阳春市八甲镇南西5 km的高屋村石祥、更口、丰田一带，上、下水库落差约670 m，阳江抽水蓄能电站开发任务以输水发电为主。电站上水库设计正常蓄水位773.7 m，总库容2 836.5万m3，上水库大坝为碾压混凝土重力坝，最大坝高101 m；下水库总库容3 105万m3，正常蓄水位103.7 m。阳江抽水蓄能电站高压电缆洞斜井倾角36°，由下平段、斜井段和上平段组成，斜井段长度249.98 m，断面为城门洞型，断面尺寸6.0 m×5.4 m(宽×高)，岩石主要以花岗岩为主，局部为混合岩，总体以Ⅱ类为主，局部Ⅲ类。高压电缆洞斜井施工空间有限，斜井倾角缓、深度大，导孔偏斜率要求高，从施工方案可操作性、安全风险、质量控制、施工成本、工期等方面综合分析，最终提出针对36°缓倾斜井采用反导井正挖法的施工方案[1]。

采用反导井正挖法施工的关键在于是否能正常顺利溜渣，这与最终形成的反井钻机导井质量有很大的关系，而导井的形成质量，最关键的要看导孔贯通的质量。导孔精确贯通是斜井开挖施工实现的第一步，也是关键一步。针对导孔准确贯通问题，需要从导孔的轨迹分析、设备改造、操作控制等方面出发开展一系列的探索与总结，形成一套缓倾斜井导孔高精度施工关键技术和施工方法。

2 缓倾斜井导孔轨迹分析与控制

2.1 轨迹分析

运用大地磁场定位原理、大地坐标系进行导孔轨迹分析，根据导孔轨迹进而构建导孔测斜、磁偏角、导井三维模型，为导孔轨迹精度控制提供依据。依据现场不同地质、断面、长度、井斜等条件建立大地坐标系得出钻孔轨迹方程。斜井钻孔体现为从钻进起始端开始向下呈螺旋形状，随着时间推移，逐渐会加速向下及左右偏移，但随着斜井长度增加，其极限轨迹可近似为螺旋状。

斜井导孔纵向轨迹示意详见图1，其中C为导孔纵向入钻点，D为导孔纵向轨迹，E为斜井设计纵向轨迹，F为导孔纵向出钻点。

图1 导孔竖直方向轨迹示意

斜井导孔平面轨迹示意详见图2，其中H为导孔平面入钻点，I为导孔平面轨迹，J为斜井设计平面轨迹，K为导孔平面出钻点。

图2 导孔平面轨迹控制示意

2.2 导孔轨迹控制

为了在缓倾角斜井导孔施工过程中能保证导孔实时轨迹监测及纠偏，确保导孔精度满足规范要求及避免因导孔曲率较大而发生卡钻风险，通过获得缓倾斜井井深、井斜、磁偏角等参数，制定导孔纠偏方案，在无线随钻测斜仪测定出偏斜的情况下，调整至滑动钻进，从而对导孔轨迹进行控制，以使导孔偏斜降低[2]。同时通过定向钻机+测斜仪(MWD 随钻测斜定位)+RMRS旋转磁场测距系统+定向组合钻具+弯螺杆(0.5°)进行导孔轨迹控制,使孔偏斜降低。实现导孔无线测斜定位，满足施工精度要求，大大提升施工效率和施工安全。

3 缓倾斜井导孔施工技术

3.1 施工工艺流程

施工准备—定向钻机基础施工—测量放样—定向钻机安装调试—泥浆洗井液配制—导孔施工—定向钻机拆除。

3.2 施工方法

3.2.1 施工准备

3.2.1.1 钻机选型

阳江抽水蓄能电站高压电缆洞斜井工程，钻孔直径为216 mm，钻进长度最长为263 m，与地面夹角为36°，钻孔偏斜率不大于0.5%，岩石为坚硬花岗岩，单轴抗压强度100～130 MPa。而且受到施工场地限制，所选取定向钻机入钻点外延长度不能超过8 m。根据现场实际情况对钻机的主要技术参数进行验算，选择型号为FDP-68型定向钻机。

3.2.1.2 定向钻机钻具组合

为解决定向钻机及无线测斜系统在坚硬岩层中直线型开挖，需根据设备特性及施工岩层坚硬等特点进行钻具组合调整设计，以提高导孔施工的精度。具体钻具组合型式有：

(1)开孔钻具组合。φ216 mm牙轮钻头+φ172 mm钻铤+φ127 mm短钻杆(2 m)，钻压：0.3～0.5 t,钻速：30～40 r/min,泵量：600 L/min。开孔是保证钻孔直线及角度的关键，为确保开孔的角度，在开钻前要预留孔槽。

(2)定向钻进钻具组合。φ216 mm牙轮钻头+φ172螺杆+φ411×410浮阀+φ212 mm扶正器+165 mm定位短节+411×4A10变扣+φ165 mm无磁钻铤1根+165 mm钻铤3根+φ127 mm加重钻杆9柱+φ127 mm标准钻杆。钻杆结构详见图3。

斜、竖井坚硬岩石定向钻具，由各独立钻具依次通过丝扣轴向钢性顺序连接构成。磁短节为旋转磁场定向技术发射装置，无磁钻铤中内置MWD测斜仪。正常钻进钻压：1.5～3.5 t；钻速：50～60 r/min(硬岩段)；泵量：1 200 L/min。定向组合钻具的测斜仪定位测斜系统，将测斜仪测量数据通过调制器控制脉冲发生器产生泥浆压力，地面泥浆压力传感器将获得数据发送给地面计算机，计算机+软件进行数据处理，并进行导孔轨迹计算及显示偏斜方向及大小。组合钻具的钻头、磁短节、变扣、单弯螺杆和浮阀钻具连接均为刚性连接，能保证在坚硬岩石条件下钻进，且单弯螺杆的小弯度实现纠偏钻进。钻铤与加重钻杆连接结构，钻铤与钻头直径差距较小，能更好保持钻进的直线程度；在纠偏过程中钻铤与加重钻杆能更好的压低钻具的重心，保证纠偏更稳定；在利用钻具自重冲击钻孔时，能提供更大的力度。

3.2.2 定向钻机基础施工

定向钻机基础采用组合钢模板立模浇筑，φ50 mm振捣棒振捣密实。基础采用C30混凝土，基础长8.5 m、宽3.0 m、厚0.3 m，入钻点直径2.0 m范围需将基础清理干净。

3.2.3 测量放样

定向钻机导孔入钻点使用全站仪放样，现场标识出“十字”线、斜井轴线及斜井倾角控制线。

3.2.4 定向钻机安装调试

(1)待基础混凝土浇筑完成7天后，方可安装定向钻机。

(2)定向钻机为履带式，直接行走至已浇筑基础混凝土上。

(3)根据测量定位点，确定钻机位置，并采用插筋固定牢靠。

(4)采用水平尺对钻机进行调平，测量放样控制钻孔角度及方向。

3.2.5 泥浆洗井液配制

(1)定向钻机进泥浆洗井液采用水基泥浆，其主要组成部分是黏土、水和化学处理剂，泥浆常用膨润土配制。

(2)定向钻机进泥浆洗井液性能主要包括密度、黏度、失水量、含砂量、胶体率和pH值等。性能的优劣直接影响护壁堵漏、排除岩粉、润滑钻具、冷却钻头、钻进效率、成本及安全钻进。在导孔钻孔过程中，为了适应不同地层对泥浆洗井液性能的要求，必须向泥浆内加入一定量的化学处理剂，来改善泥浆洗井液的性能。定向钻机泥浆性能技术指标详见表1。

表1 定向钻机泥浆性能技术指标

3.2.6 导孔施工

3.2.6.1 开孔

导孔开孔前测量复核开孔孔位及开孔角度，进一步检查钻机及钻架固定，液压油管密封情况[3]，泥浆泵及泥浆洗井液准备情况。开孔钻进过程中应以轻压、慢转、大泵量为宜。一般控制在转数60 r/min，钻压500 kg，泵量600～1 200 L/min左右。

3.2.6.2 测斜

采用MWD随钻测斜仪的脉冲发生器将探测的数值发送至地面计算机进行编码。由内置计算机进行解码，实时监控导孔偏斜情况。距孔底50 m范围时采用RMRS随钻测斜技术，三轴重力和三轴磁力线进行探测的传感器，通过这些传感器测得的数值及捕捉孔底磁场发射器位置，经脉冲发生器通过泥浆脉动传递至地面，地面计算机解码数据，从而控制纠偏螺杆钻机纠偏。

3.2.6.3 纠偏

根据测斜仪测量的偏斜率及偏斜方向，采用螺杆钻具一种井下动力钻具，它可在钻杆不旋转的情况下，由高压泥浆驱动钻头旋转。选择具有一定弯曲角度的螺杆，从而可以进行滑动钻进，使孔“转弯”。螺杆钻具结构详见图4。

图4 螺杆钻具结构

采用MWD、RMRS随钻测斜不断测量定向钻机导孔轨迹及导孔偏斜率控制，提高缓倾角斜井导孔精度，避免出现导孔无法贯穿或贯穿偏差大带来的不利后果，为后续反导井正挖法施工提供质量保证。测斜、纠偏参数详见表2。

表2 测斜、纠偏参数

3.2.7 定向钻机拆除

氧气、乙炔切割插筋，定向钻机自行行走至钻机平台外侧，及时保养维护钻机、钻具。

3.3 质量要求及控制要点

3.3.1 质量要求

(1)缓坡斜井导井开孔定位偏差不得大于5 cm。

(2)导孔偏斜率不大于1%。

3.3.2 质量控制要点

(1)定向钻机施工过程中需及时纠偏并确保导孔轨迹接近直线并严禁出现较大弯折曲线。

(2)根据设计地质资料提前确定软弱夹层、断层及特殊地质部位，从而进一步确定特殊地质的钻进方式、钻具组合、钻压、钻速等。

(3)缓倾角斜井钻杆受重力及钻头摩擦力影响，钻杆丝扣连接质量及钻杆刚度将决定导孔施工精度及卡钻风险。

(4)泥浆洗井液循环使用过程中需将石粉、铁屑过滤掉，避免影响导孔泥浆脉冲传输质量。

3.3.3 检查方法

缓坡斜井导井开孔定位及导孔贯通偏差采用全站仪进行检查；通过导孔贯通偏差及斜井长度计算导孔偏斜率。

4 结束语

缓坡斜井导孔高精度施工技术已在广东阳江抽水蓄能电站高压电缆洞工程中成功应用，导孔钻孔(扩挖)历时30天，平均速度8 m/d，斜井贯通偏差25 cm，贯通偏差小于1‰，高于规范允许偏差1%的要求，应用效果良好。缓坡斜井导孔高精度施工技术确保了导井施工精度及施工质量，缩短了施工工期，节约了施工成本，使工程施工得以优质、安全、高效地完成，经济社会效益显著。该项技术在水电、水利工程、交通、矿山等领域具有较高的推广应用价值，应用前景广阔。