抽水蓄能电站斜井导孔施工关键技术研究

王志晓，陈振国，陈 龙

(1.中煤科工开采研究院有限公司，北京 100013；2.煤炭科学研究总院开采研究分院，北京 100013；3.北京中煤矿山工程有限公司，北京 100013；4.煤炭科学研究总院建井研究分院，北京 100013)

近年来，鉴于抽水蓄能电站能够解决用电调峰问题、保证电网电压稳定及发挥事故备用作用，国家加大了抽水蓄能电站的开发建设。斜井作为抽水蓄能电站输引水系统中的关键组成部分，其开挖具有专业性强、施工难度大等特点[1]。伴随着斜井开挖长度、断面面积不断加大，斜井开挖多采用“先开挖导孔，后进行扩挖”的施工工艺，而斜井导孔的施工方法主要有阿里马克爬罐法、反井钻机直接施工法[2-5]和定向钻机施工法[6]。阿里马克爬罐法的缺点是由于采用钻爆法施工，施工安全系数低、施工环境较差，且不利于围岩的稳定；反井钻机直接施工法的缺点是钻孔轨迹难以精确控制，导孔偏斜率较大，且钻进效率较低[6]。基于以上对比分析，国内抽水蓄能电站的长斜井多采用“定向钻机钻导孔+反井钻机法扩挖”的施工方法。本文通过对河北丰宁抽水蓄能电站1号引水系统高压管道下斜段反井导孔工程研究分析，提出了斜井导孔施工的一系列关键技术，以期对后续类似工程的施工提供宝贵经验。

1 项目概况

河北丰宁抽水蓄能电站位于河北省承德市丰宁县，总装机容量为3 600 MW，是世界上目前在建装机容量最大的抽水蓄能电站。电站建成后，以500 kV的线路接入京津及冀北电网，年设计发电量为66.12亿kW·h，在系统中承担调峰、填谷、调频、调相和紧急事故备用等任务，对保障京津及冀北电网的安全、促进风电和太阳能发电等清洁能源的大规模发展及维护电网安全稳定运行具有重要作用。

电站引水系统高压管道采用“一洞两机”的布置方式，由高压主管、岔管和高压支管组成，采用钢管衬砌，钢衬外围回填混凝土厚度0.6 m。其中，1号高压主管长926.730 m，管径6.5 m，中平段中心高程1 210 m，下平段中心高程967 m。下斜井段长约274 m，管径为5.3 m，在下斜井段末端管径由5.3 m渐缩为4.8 m，下平段管径为4.8 m，与岔管连接。1号高压管道剖面如图1所示。

图1 1号高压管道剖面示意

经建设单位前期调研，高压管道的下斜井段拟采用“定向钻机钻导孔+反井钻机法扩挖”的施工方案，即先采用定向钻机施工导孔，再利用反井钻机反拉形成斜井。下斜井段导孔设计工程量见表1。

表1 下斜井段导孔设计工程量

2 地质及工程地质概况

侏罗系张家口组灰窑子沟单元和三叠系干沟门单元隶属于不同年代地层，构造发育亦存在差异。断层发育规模均较小，主要为Ⅲ、Ⅳ级结构面，由断层泥、碎裂岩、碎粉岩、碎块岩等组成。张家口组火山岩体裂隙较发育，按走向可分为NNW、NE和NWW等3组，以陡倾角为主，裂隙多张开并充填白色泥质、岩屑、锈膜等；干沟门单元花岗岩中裂隙主要为NW和NE两组，且均为共轭的剪切节理。

压力管道洞向为SW236°，开挖洞径4.8～7.2 m，上覆岩体厚度127～330 m。上平段出露有不整合界面，以不整合界面为界，上游岩性为微风化熔凝灰岩、凝灰熔岩、凝灰岩，下游为微风化中粗粒花岗岩，压力管道多为上述岩性。部分井段受断层构造影响，岩石较为破碎。岩体中发育有NE和NW共2组裂隙，均为共轭剪切节理，受上述2组裂隙切割，岩体主要为次块状结构，围岩主要为Ⅲb类，断层出露部位为Ⅳ类。

3 关键技术研究

通过分析该工程概况及相关地质条件，可以得出该斜井导孔工程施工主要存在以下难点：①导孔施工的平洞空间狭小，断面高6.5 m、宽5 m；②导孔轨迹设计为井斜角37°，偏斜率不大于7.5‰的斜直井，需要高精度控制；③钻孔钻遇部分地层受区域构造影响，岩石较为破碎，导孔孔壁稳定性需要保证。针对以上难点，建设施工单位通过引入煤科总院研发的斜导孔专用钻机，采用定向钻具组合、高精度轨迹控制技术及钻孔护壁技术，快速、高效地完成该斜井导孔工程。

3.1 设备选型

斜导孔专用钻机为煤科总院为实现斜井冻结钻孔施工而开发的关键装备，整套钻机主要包含主机系统、钻具系统、换杆系统、循环系统、测量定向系统、动力系统，由动力头、进给装置、钻杆自动上卸扣装置、钻杆钻架机构及液压泵站组成，所有部件均安装在钻机履带底盘上，从而实现钻机移动方便。斜导孔专用钻机技术参数见表2。

表2 斜导孔专用钻机技术参数

通过分析该项目导孔施工现场条件及技术要求，建设施工单位提出斜导孔专用钻机施工方案。通过计算分析，确定钻机的开孔角度53°，钻机托架顶端距巷道底板6.3 m，可以实现在平洞内进行施工。钻杆采用Ф89 mm+Ф73 mm高强度钻杆，单根长4.5 m，利用钻杆自动上卸扣装置实现自动装配钻杆。正常钻进段采用复合钻进的送钻方式，定向钻进段采用滑动钻进的送钻方式。

3.2 定向钻具组合及轨迹控制

斜井导孔的偏斜率及轨迹控制，是保证后续反斜井施工质量及效果的重要一环。如果导孔终孔偏斜率或狗腿角太大，不利于后续反井扩孔，严重的会造成导孔报废。开钻前，建设施工单位对设备安装、开孔角度进行校核，确保钻孔中心与动力头主轴中心重合[7]。钻进过程中，通过优化调整不同钻进层段钻具组合、采用无线随钻测线仪+螺杆钻具的高精度轨迹控制技术，确保了钻孔轨迹平滑且满足偏斜率设计要求。

3.2.1 钻具组合优化

钻井实践表明，影响钻孔偏斜的原因是多方面的，如地层条件、钻具组合、钻进操作技术及设备安装等。钻机安装开钻后，可以通过优化调整不同钻进层段钻具组合及钻进技术措施来确保钻孔轨迹能够满足设计要求，如增设加重钻铤、扶正器、柔性钻杆等，使钻具具有增斜、稳斜及降斜的功能[7]。根据本工程实际，钻具组合结构及钻进技术措施分为4个不同阶段进行优化调整。不同阶段钻具组合及钻进技术见表3、图2。

图2 钻具组合参数

表3 不同阶段钻具组合及钻进技术参数

3.2.2 高精度轨迹控制

为了确保钻孔能按预定轨迹钻进，除了利用地层条件、优化钻具组合及调整钻进措施外，必要时需采用井下动力钻具(螺杆钻具)对钻孔轨迹进行纠偏。而无线随钻测斜仪作为钻孔施工的“眼睛”，可在钻进过程中随时进行数据采集，利用泥浆脉冲信号将数据传输至地面数据处理系统，从而得出井下测点的井斜角、方位角及工作面数据。根据现场情况，本工程采用SMWD-76S随钻测斜仪+螺杆钻具的方式来实现钻孔轨迹高精度控制。其中，SMWD-76S随钻测斜仪测量精度为井斜角±0.1°、方位角±1.0°、工具面角±1.5°；螺杆钻具为根据现场情况定制的长5 m的短螺杆，弯曲角度为1.0°和1.25°共2种规格。

开孔钻进30 m后，对钻孔进行测斜，采用定向钻进钻具组合对钻孔轨迹进行纠偏。继续钻进过程中，每钻进一根钻杆，对钻孔进行偏斜测量，并依据数据决定下一步钻进措施。在纠偏过程中，为严格控制狗腿角变化，提出每根钻杆钻进时定向钻进+复合钻进相结合的工艺，从而保证钻孔轨迹平滑。通过采取上述相关技术措施，钻进至300.22 m时顺利贯通，且终孔偏斜率为0.45%，钻孔终孔测斜数据见表4。

表4 钻孔终孔测斜数据

3.3 钻孔护壁技术

鉴于该区域部分地层受构造影响，岩石较为破碎，故钻孔泥浆的润滑减阻、维护孔壁稳定、抑制漏失的功能尤为关键。开钻前，根据对钻井液低摩阻系数、低滤失量的性能要求，配备足量的钻井液。正常钻进段钻井液密度在1.05～1.10 g/cm3、马氏漏斗黏度为26～28 S、含砂量<5%；定向钻进段钻井液密度在1.15～1.20 g/cm3、马氏漏斗黏度为40～45 S、含砂量<1%，摩阻系数<0.1。

良好的固相控制同样是钻井液性能稳定和钻孔安全的重要保障[8]。钻进过程中，应随时监测钻井液固相含量，且要通过固控设备的综合运用降低钻井液有害固相含量，降低钻头和钻杆的磨损，增强钻井液体系的稳定性。钻井液循环净化工艺流程如图3所示。

图3 钻井液循环净化工艺流程

4 结 论

河北丰宁抽水蓄能电站1号引水系统高压管道下斜段反井导孔工程采用斜井专用钻机进行施工，施工工期35 d，钻进成孔直径190 mm，长295.6 m，终孔偏斜率仅为0.45%，且钻孔轨迹平滑，为下一步反井扩挖奠定了基础。通过总结分析，特提出以新型斜井专用钻机为核心，辅以不同钻进层段钻具优化组合技术、无线随钻测斜仪+螺杆钻具高精度轨迹控制技术及钻井液护壁技术的一套长斜井导孔施工技术，既保证了斜井安全快速施工，又降低了工程总投资，为后续抽水蓄能电站斜井工程施工提供了宝贵经验。