反井钻机采用定向技术在长斜井导井施工中的应用

马超群

摘   要：随着我国经济社会的发展，电力系统规模的不断扩大，用电负荷和峰谷差不断扩大，加快抽水蓄能电站的开发建设是今后我国电力发展的重要方向之一。在抽水蓄能电站引水系统出现许多长斜井及深竖井的施工，为降低施工成本、减少安全风险，均采用大孔径反井钻施工导井的方法进行溜渣爆破。本文介绍了反井钻机采用定向技术在河北丰宁抽水蓄能电站工程下斜井反井钻施工中的应用、配套设施及施工工艺。

关键词：反井钻机  定向技术  长斜井  施工

中图分类号：TV53                                  文献标识码：A                        文章编号：1674-098X（2019）05（c）-0052-02

作为目前经济、清洁的大规模储能方式，抽水蓄能水电站以启停灵活、反应迅速，具有调峰填谷、调频、调相、紧急事故备用和黑启动等多种功能，使得抽水蓄能电站在电力建设方面有较好的发展趋势。但抽水蓄能电站引水系统出现了许多大倾角（大于50°）长斜井（大于300m）的施工。为保证施工进度，降低安全风险，为施工作业提供良好作业环境，以往采取的阿里马克爬罐开挖斜井导井的方法已被反井钻开挖斜井导井的方法所取缔。但在反井钻施工中，导孔偏斜率又成为该工艺的关键制约因素。

1  工程概况

河北丰宁抽水蓄能电站引水系统3#高压管道下斜井导井施工原投标时采用爬罐施工工艺进行施工，通过优化后，方案中策划斜井先采用DL450T定向钻机进行导孔施工，然后采用反井钻机进行扩孔施工。但采取该方案施工后，存在DL450T定向钻机施工的导孔孔内弯曲较大，反井钻下钻困难且反拉施工过程中扭矩较大，导致施工设备发现各类故障且施工进度极其缓慢无法满足总工期要求。故采取直接用反井钻机结合定向技术进行导井施工。

3#高压管道下斜井斜直段为273.437m（含上下弯管段约300m），下斜井上弯段夹角为52.43°，中心长度均为27.451m，下斜井下弯段夹角为52.43°，中心长度均为27.451m。

3#高压管道下斜井围岩类别主要为Ⅲb类，局部断层部位围岩为IV类。洞室围岩水力劈裂临界压力一般在2.19～6.19MPa之间，干抗压强度为105MPa，饱和抗压强度75MPa，岩石可钻性较好。

2  基本原理

通过测量仪器放样下钻点位置，浇筑基础并将反井钻机安装在斜井上井口已浇筑好的混凝土基础上，用反井钻机加随钻测斜仪直接钻成φ311m导孔，用清水或泥浆作循环钻井液排渣，若在钻进过程中，发现偏斜及时采用1.5°弯曲螺杆及时纠偏，直至导孔与下部支洞贯通后，拆掉导孔钻头，连接直径为φ2500mm反导孔钻头由下向上扩孔，钻屑从刀盘接触面自由下落到下水平巷道，由装运设备将岩渣从下部支洞运出，当扩孔钻头从上井口透出后，整个扩孔施工完成。

3  技术优点

（1）反井钻机扭矩较大、钻杆较粗，在导孔施工过程中，可有效避免钻杆在施工过程中出现断杆事故;

（2）受原定向钻机钻孔能力制约，成孔直径一般为φ152mm，需要增加一次导孔扩孔施工方可采用反井钻机进行扩孔施工，减少了设备的重复投入;

（3）施工效率高，可有效减低施工成本、减小施工风险、节约施工工期;

（4）有效应对复杂地层引起的导孔偏斜。

4  施工工艺

4.1 准备阶段

施工现场具备施工条件后，及时在隧道顶部适宜位置安装吊装天锚，并开挖清理钻机工作面基础、砌筑循环泥浆池，以及放样钻孔中心点、浇注基础;采用PVC管将水源引至循环泥浆池，用于导孔孔内循环排渣及钻头冷却;施工用电自现场配电柜空气开关上引出，接引至施工部位配电柜盘，由配电柜盘向主作业面供电;定向钻机安装在预先浇筑好的混凝土基础上，连接好各部分液压系统管路和电器线路，进行调试运转。

4.2 钻机就位及安装、调试

反井钻机通过载重汽车运输至施工工作面，然后采用吊装天锚将反井钻机放置在已浇筑好的作业平台上;钻机就位后，调整、检查钻机钻进倾角、入钻点是否符合设计要求，利用全站仪、水平仪器和量角器对其进行钻进方向的确定及校正。

4.3 反井钻机设备改装升级

由于钻头、螺杆马达、无磁钻具、随钻测斜仪组合钻井工具较长、较重，为保证该组合钻具在孔内的下放，须给反井钻机加装一个快速移动装置和井口吊车。组合钻具在孔内下放时，通过快速移动装置将反井钻机机体移离井口，井口吊车将其下放入孔，然后反井钻机回位固定后，连接组合钻井工具进行测斜、定向钻进。

4.4 开孔钻进

（1）调整动力头转速为预定值。

（2）将动力头升至最高位置，把导孔牙轮钻头放入钻架底孔中，并用插板卡住异型接头的下四方，加接稳定钻杆。

（3）将泥浆泵调至低压状态，启动泥浆泵供钻井液和冷却用水。

（4）操作动力头旋转手柄，使其正转。同时操作动力头下降手柄，使动力头向下推进，调节副泵油压和推进缸背压，使之为所需钻压（钻压不易过大，以防在钻进过程中，入鉆点位置发生变化），开始开孔钻进。

（5）开孔钻进至50m左右后，接上正常钻进时的钻具组合，可进入正常的导孔钻进（钻进过程中，需加接稳定钻杆，以防在钻进过程中发生偏斜）。

4.5 导孔钻进

（1）导孔钻进是成孔的关键工序，司机应认真观察孔内流出钻井液的流量变化及排出岩渣情况，不正常时应及时处理。

（2）每次接上钻杆，开始钻进时，都要先供给钻井液，待钻井液从孔内流出后再开钻。当钻完一根钻杆，准备接下一根钻根时，应把钻具提起5～10cm清洗井底，清洗时间根据钻孔深度控制在0.5～3min，若下一班无人时，清洗的时间应长些。停机前必须把动力头提高400mm以上，以防止岩渣堵孔，若返渣量不理想，停机前应视情况卸掉1～3根钻杆。

（3）加接钻杆前，必须先停止供给钻井液，然后再接钻杆。

（4）钻进过程中，及时将钻井液携带出的钻渣进行清理，以防钻渣带入循环泥浆池造成钻孔事故。

（5）导孔钻进过程中，及时通过测斜数据分析导孔轨迹，发生偏离时及时纠偏。

4.6 导孔完成

导孔钻透后，停止泥浆（水）循环，但钻机不能停转，应开始向孔内加清水，直到钻机转动平稳、扭矩变化不大时才能停转。在整个导孔作业过程中，不得中途出现停水、停电等情况，否则会导致卡钻等恶性事故发生。

4.7 导孔钻头拆除

导孔完成后，将钻杆下设至下部隧洞底部，拆除导孔钻头，安装反井钻机扩孔钻头并清理工作面等工序后进行反拉扩孔施工。

5  导孔测斜及纠偏

在施工过程中，定向钻机受机械设备、地质条件及操作人员等因素的影响，导致形成轨迹往往与设计轨迹出现一定的偏差。为保证实际导井轨迹达到设计质量要求，在操作过程中需要加强精度控制措施。

5.1 开孔钻具组合

Ф311mm牙轮钻头+Ф254mm钻杆。

钻压：0.3～0.5t。

钻速：0～21r/min。

泵量：1200 L/min。

5.2 测斜、定向钻井工具组合

Ф311mm牙轮钻头+Ф203mm弯螺杆（1.5°）+Ф203mm无磁钻铤+Ф254mm钻杆。

钻压：以控制工具面角为主。

钻速：8～16r/min。

泵量：1800L/min。

5.3 钻孔测斜、纠偏

采用无线随钻测斜仪对反井先导孔钻进进行孔斜监测及定向纠偏。泥浆脉冲式无线随钻测斜仪，不但提高了测斜定向精度，而且能随时监测定向参数及时调整定向设计方案，提高了钻进施工效率。

（1）孔斜监测。探管将其测量得到的井眼轨迹数据按照一定的编码方式传给脉冲发生器，由泥浆脉冲发生器将信通过压力脉冲信号传输的地面，井架立管上的压力传感器将感应到压力脉冲信号传给地面主机进行解码，最终显示出井眼轨迹数据。为避免测量仪器受到由于钢钻具引起的磁干扰，必须增加一定长度的无磁钻铤（井斜越大，方位越靠近东西方向，长度应选择越长）。

每钻进10m测斜一次。将实钻轨迹结果与设计进行比对。孔斜超偏时，可加密测点，并制定定向纠偏设计。

（2）钻孔纠偏。根据制定的纠偏设计利用Ф311mm弯螺杆钻具结合大排量泥浆泵进行定向钻进，以及随钻测斜仪进行测斜纠偏。

定向或扭方位必须认真检查仪器是否触键，不触键不能进行定向或扭方位施工。 定向或扭方位的钻进参数，钻压、排量可根据实际施工需要，按定向施工人员的要求作合理的调整。

施工过程中，进尺快慢对反扭角影响很大，从而影响所定工具面的大小，注意随时调整保证实际工具面与所要打的工具面相符。

定向施工人员应充分利用地层漂移规律来定向，减少全井扭方位的次数。定向时应保证井眼符合率，实钻数据应与剖面符合，参照剖面设计，将实钻轨迹计算结果与设计进行比对，在保证中靶并符合有关井斜、方位偏差要求的情况下结束定向。

6  特殊地层处理

导孔钻进过程中，若遇到岩体断层构造，不仅容易塌孔，造成埋钻、卡钻等事故，而且对偏斜控制不利。因此，遇到不良地层，必须采取相应措施进行处理。

（1）开钻前，认真研究水文地质资料，确定不良地层的位置和深度。

（2）遇到破碎地层，调整泥浆参数，增强泥浆钻井液的护壁和携渣能力，确保反渣通畅。

（3）钻机司机精心操作，此时应加快钻进速度，快速通过破碎地层，并随时测量孔底沉渣量，沉渣量不得超过半米，避免埋钻。

（4）若遇到较大裂隙、裂缝和极为软弱地层，通过调节泥浆参数仍然不能正常钻进，应立即停钻，提出孔内钻具，进行灌浆处理，不良地层处理好之后就可以正常钻进了。

7  结语

通过实践证明，反井钻机采用定向技术钻导井的施工方法，既能缩短施工工期，又能避免采用定向钻机施工导孔过程中造成的孔道弯曲而发生的下钻及施工异常问题，其操作简单、运行平稳可靠、工艺性好、效率高，便于精确测控;安装运输简单省力、迅速安全，机械化连续作业，成井速度快、质量好，为后期施工创造了良好的条件，综合效益显著;操作简单安全，改善了劳动条件，大大减轻了工人的劳动强度，避免了孔内事故发生。

参考文献

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[3] 白雪峰.吴起地区定向井钻井技术的探讨[J].中国石油和化工标准与质量，2012，33（13）：148.