浅析反井钻机的主要结构性能特点和偏斜测量及控制

吴文兵

（中国水利水电第八工程局有限公司，湖南 长沙 410007）

1 工程概况

本工程厄瓜多尔MINAS水电站位于南美洲厄瓜多尔第三大城市昆卡西南方向，大坝距昆卡公路里程92 km。主要建筑物有：大坝、地下厂房、引水洞、变电站、压力竖井、通风电缆井等。但压力竖井和通风电缆井这两条竖井的深度均在450米左右，开挖断面直径分别为Ф5.5米、Ф6.0米，是本工程的施工难点，通过技术人员对传统施工方法与反井钻全断面一次成型的施工方法进行综合分析对比，并经专家评审，确定采用反井钻机进行竖井的全断面一次扩挖成型方案。

2 设备选型

由于压力竖井的压力钢管和通风电缆井设置电梯的要求，两条竖井的偏斜率必须小于千分之一，通过当地咨询、现场考察设备、业绩了解，最终就近选用秘鲁Master Drilling MaIta Limited公司的71RM先导孔钻机进行先导孔施工、RD5-550反扩钻机进行全断面反扩施工。

3 71RM先导孔钻机主要结构性能特点

（1）71RM先导孔钻机现场图片，见图1。该钻机采用了国际上较为先进的两柱三缸结构形式。

其拥有以下特点：（1）整体刚性、承载能力强。（2）由两个圆形导向立柱导向。（3）三只垂直主推油缸的中心线在同一圆周上均布，其在同一水平面的中心连线为一等边三角形，三角形的几何中心就是钻机回转中心，而驱动头、减速传动机构、主驱电机的重心也在钻机的回转中心上，所以三只垂直主推液压缸在钻进过程中对钻柱施加的力较为平均，致使钻机钻进稳定性好，导孔精度高。

图1

（2）71RM先导孔钻机主机部分至下而上由钻机支撑梁、水平液压缸、撑靴、钻机底座、圆形导向立柱、垂直主推液压缸、驱动头、减速传动机构、主驱电机等组成。

（3）钻机支撑梁由两棵承载梁、端部连接构件组成，通过高强度铰制孔螺栓连接而成，安装在按技术要求浇筑的混凝土基础面上，下部通过预埋螺栓与混凝土基础连接，上部与撑靴通过高强度铰制孔螺栓连接，铰制孔螺栓的作用是防止钻进过程中因振动而使钻机支撑架与撑靴间产生滑移，影响导孔精度。

（4）钻机支撑梁上平面（与撑靴的结合面及水平液压缸行程范围内与撑靴的结合面）都是在金结加工厂焊接成型并经过整体刨削加工后运到现场，所以安装钻机支撑架时，必须在刨削加工面四个角选点测量（高差严格按安装说明书要求测量控制）。

（5）两只水平液压缸分别水平安装在两棵钻机支撑梁上，一端与梁铰接，另一端与钻机底座铰接，当需要吊10米长的定向钻杆到井眼里时，利用这两只水平液压缸水平推动钻机，待定向钻杆放入后，再将钻机回位。

（6）两个撑靴的下平面也是经过精刨削加工，上与钻机底座通过圆柱销连接。撑靴上的圆柱销孔是以刨削面为基准进行加工的，所以刨削面的精度直接影响圆柱销孔的加工精度。撑靴上部圆柱销孔和钻机底座下部的圆柱销孔的加工精度及孔轴配合公差的选择对整个钻机的垂直度有较大影响。

（7）钻机底座上与三只垂直主推液压缸的活塞杆头部铰接，同时又与两只圆形导向立柱下端通过高强度内六角螺栓连接，每只圆形导向立柱与钻机底座的水平基准面的垂直度要求高，是先导孔钻机在竖井钻进时确保井眼轨迹垂直水平面的关键部件。为了防止钻机在钻进过程中因振动而使导向立柱与钻机底座的结合面产生滑移，结构特点①采用柱、孔间隙配合结合方式（就是通常说的止口），防止两连接件的径向相对滑移。②在两接触面采用端面径向齿结合方式，防止两连接件的相对转动，目的是减小高强度连接螺栓受剪切应力。两只导向立柱上端，用弧形板连接，形成框型结构，稳定性大大提高，导向性能更加良好。垂直主推油缸的缸筒通过半圆形压盖用高强度螺栓与减速传动机构外壳的半圆座固定在一起，同时连接处缸筒外圆柱面加工的圆形凸台、而减速传动机构外壳的半圆座和半圆形压盖的内圆柱面加工的环形凹槽，使减速传动机构外壳与缸筒固定为一体，从而实现垂直主推液压缸提供钻压和提升钻具的目的。圆形导向立柱也是通过半圆形压盖用高强度螺栓与减速传动机构外壳的半圆座固定在一起，特点：①压盖与半圆座的结合面采用齿型结合（齿向与运动方向垂直），目的是减小高强度连接螺栓的剪切应力。②压盖与半圆座内圆柱面加工了环形凹槽，目的是限制半圆形导向衬环移动。③采用自动定量供油润滑装置和手动注油两种方式相结合，确保润滑的可靠性。

（8）驱动头下与钻具螺纹连接，上与减速传动机构输出端相连，是传递扭矩和承担钻具重量的主要部件。特点：①采用带浮动量的驱动头，装卸钻杆时使钻杆上、下浮动，以免由于主轴的升降速度与螺距不一致而损坏螺纹。②驱动头的外齿套上设计了反向棘轮，配合辅助卸杆器拆卸钻杆。

（9）减速传动机构的作用：①传递扭矩。②按设定传动比降低转速。同时钻井液入口也设计在其机体下端。

（10）该钻机是电动型导孔钻机，钻机旋转机构的动力源是主驱电机。主要参数：电压等级460V；频率60Hz；电机功率250kW。采用变频技术，使驱动头获取不同的转速，满足钻进需要。

（11）71RM先导孔钻机主要配套设施有液压系统、冷却系统、钻井液供给回收系统、操作系统、钻具安装拆卸系统（全液压机械手）、电器控制系统、主要参数（主推力、转速、扭矩）显示系统、各种钻具及摆放平台等。

4 RD5-550反扩钻机主要结构性能特点

（1）RD5-550反扩钻机现场图片，见图2。

（2）RD5-550反扩钻机主机部分至下而上由钻机支撑梁、撑靴、钻机底座、螺旋顶、垂直主推液压缸、驱动头、减速传动机构、主驱电机等组成。

（3）RD5-550反扩钻机与71RM先导孔钻机对比其结构特点有以下几方面：①四只垂直主推液压缸在同一水平面的中心线连线为一矩形，其几何中心就是驱动头的回转中心。②四只垂直主推液压缸的活塞杆头部与钻机底座连接，连接方式与71RM先导孔钻机的圆形导向立柱与底座的连接方式相同；四只垂直主推液压缸的缸筒与减速传动机构的连接方式与71RM先导孔钻机的连接方式相同；四只垂直主推液压缸的缸筒顶部用连接板通过高强度螺栓连接成整体，加强了钻机的整体刚性。③增加了调节钻机水平的螺旋顶。④电机功率加大到400kW。⑤为了获取大扭矩，改变了减速传动机构的传动方式，71RM先导孔钻机是同轴传动，即电机的旋转中心线与驱动头的回转中心线重合。而RD5-550反扩钻机是偏心传动，即电机的旋转中心线与驱动头的回转中心线有偏心距。

图2

5 偏斜测量方式

（1）先导孔钻进阶段是反井钻机施工的关键环节，及时、准确掌握先导孔偏斜率的大小是该环节的重点。71RM先导孔钻机在钻进中采用机械式无线随钻测斜仪测量导孔偏斜。该测斜仪主要参数及特点：测量精度0.5度，井斜测量范围0～10度，最高工作温度260度，最大工作井深达7000米，一次测斜时间3～5min，随钻测斜，完全能够满足深井和超深井的测斜需要。

（2）机械式无线随钻测斜仪的工作原理：通过测量机构测得井斜信息，由控制机构传递给脉冲信号发生装置。该装置发出的信号通过钻井液以压力脉冲的形式传到地面，立管上的压力传感器接收到的脉冲信号由电子记录仪处理信号后显示偏斜大小。机械式无线随钻测斜仪的井下部分是近钻头安装在内孔经特殊加工的专用钻铤中。

6 偏斜控制

导孔偏斜是反井法施工常见的现象。导致偏斜的主要原因除了操作人员的技术水平、钻机的施工工艺、钻井设备的性能等主观因素外，客观因素有钻头载荷、钻杆作用、岩层特性等。

6.1 防止偏斜措施

（1）钻机安装基础混凝土质量必须按严格技术要求施工，地脚螺栓必须锚固可靠，高强度连接螺栓必须按扭矩要求紧固，确保钻机整体刚性良好。

（2）开孔时用短稳定开孔钻杆、低钻压、慢转速、确保开孔精度。

（3）钻进时合理布置稳定钻杆、使用合理钻压和转速。

（4）合理选择钻井液，确保洗井质量。

（5）了解岩层特性，根据不同的岩层特性制定不同的施工工艺等。

6.2 现场纠偏措施

由于71RM先导孔钻机采用机械式无线随钻测斜仪，能够及时掌握偏斜大小，当偏斜大小接近极限时，就采用特制定向钻杆进行纠偏。

6.2.1 特制定向钻杆

现场图片，见图3。

图3

6.2.2 特制定向钻杆特点

（1）整体刚性好，总长10米，重量是等长钻具的五倍左右。

（2）钻头与钻杆刚性连接，钻头摆动小。

（3）近钻头端钻杆内装有机械式无线随钻测斜仪，可以随时测得纠偏效果。

（4）钻杆外圆周上加工了两段刚性螺旋扶正器（一段离钻头0.5米左右，一段离钻杆尾部2米左右），刚性螺旋扶正器外径比钻头外径小2～3毫米（稳定钻杆的外径比钻头外径小4～6毫米），同时在两只刚性扶正器间离钻杆尾部3.5米左右设置了弹性扶正器，大大提高了定向精度。

（5）该钻杆的外圆柱面是以钻头的中心为中心，通过大型超长车床一次加工成型，确保了特制定向钻杆的同心度要求。

6.3 特制定向钻杆的操作步骤

（1）发现偏斜即将超限后，利用钻井液清洗底部钻屑。

（2）取出钻具。

（3）卸下钻机支架梁与撑靴连接的高强度铰制孔螺栓，利用水平液压缸移动钻机。

（4）往先导孔内灌注一级配强度等级较高的混凝土或水下混凝土，利用混凝土自身重力到达井底，等强后将特制定向钻杆吊入先导孔内，并用专用夹具锁在混凝土基础面上。

（5）利用水平液压缸回移钻机，安装并拧紧钻机支架梁与撑靴连接的高强度铰制孔螺栓。

（6）按要求配置稳定钻杆，将特制定向钻杆下到偏斜处，采用慢转速、低钻压（根据钻进速度和测量的偏斜大小调整钻压）钻进，直至偏斜大小在要求范围内。

（7）取出特制定向钻杆，有时要两次、甚至多次重复以上步骤才能完成纠偏。

7 结语

厄瓜多尔MINAS水电站的压力竖井和通风电缆井井深均为450米左右，在国内外均属超深竖井之列，且国内类似超深竖井采用全断面一次性反扩成型也见之甚少，最终压力竖井导井贯通后实际偏差为万分之一，通风电缆竖井贯通后实际偏差为万分之九。本文通过对现场选用的71RM先导钻机和RD5-550反扩钻机的结构性能特点、偏斜测量方式、具体纠偏方法的描述，更加深入地了解了国际水平的反井钻机，同时促进了反井钻机的选型。