400 m 級(jí)超深豎井導(dǎo)井定向糾偏施工技術(shù)

鄧鵬

（中國(guó)水利水電第七工程局有限公司，成都 610081）

1 工程概況

陽(yáng)江抽水蓄能電站位于廣東省陽(yáng)春市與電白區(qū)交界處的八甲山區(qū)，上水庫(kù)地處陽(yáng)春市八甲鎮(zhèn)南西約8 km 的河尾山林場(chǎng)，下水庫(kù)位于陽(yáng)春市八甲鎮(zhèn)南西5 km 的高屋村石祥、更口、豐田一帶，上、下水庫(kù)落差約670 m，上下庫(kù)相距約18 km。陽(yáng)江抽水蓄能電站開(kāi)發(fā)任務(wù)以輸水發(fā)電為主。電站上水庫(kù)設(shè)計(jì)正常蓄水位773.7 m，總庫(kù)容2.836 5×107m3；下水庫(kù)總庫(kù)容3.105×107m3，正常蓄水位103.7 m。

引水發(fā)電隧洞下平洞和岔管段內(nèi)水壓力水頭達(dá)800 m，是目前國(guó)內(nèi)核準(zhǔn)建設(shè)的單機(jī)容量最大、凈水頭最高、埋深最大的抽水蓄能電站。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 定向鉆機(jī)施工原理

定向井施工即采用定向鉆具組合進(jìn)行鉆進(jìn)。在鉆進(jìn)過(guò)程中，需使用測(cè)斜儀連續(xù)監(jiān)測(cè)鉆進(jìn)軌跡，若發(fā)現(xiàn)偏斜，應(yīng)立即進(jìn)行定向鉆進(jìn)，從而使整個(gè)鉆井的軌跡受控，以滿(mǎn)足設(shè)計(jì)需要[1]。其中，使用到的設(shè)備主要有：

1）無(wú)線(xiàn)隨鉆測(cè)斜儀。其采用三軸重力和三軸磁力線(xiàn)傳感器，來(lái)對(duì)三軸重力、磁力線(xiàn)進(jìn)行檢測(cè)，并利用傳輸?shù)絺鞲衅髦械臄?shù)據(jù)來(lái)進(jìn)一步編碼，再利用泥漿脈動(dòng)將相關(guān)數(shù)據(jù)傳到地面，這部分?jǐn)?shù)據(jù)在通過(guò)計(jì)算機(jī)將其解碼后，通過(guò)綜合鉆井深度參數(shù)，可測(cè)試出整條井的鉆井軌跡。

2）螺桿鉆桿。作為井下動(dòng)力鉆具的一種，它是利用高壓泥漿驅(qū)動(dòng)鉆頭旋轉(zhuǎn)，選擇螺桿時(shí)，一般都會(huì)選取具備彎曲角度的，以便實(shí)現(xiàn)滑動(dòng)鉆進(jìn)的效果，通俗說(shuō)就是讓孔“轉(zhuǎn)彎”。

3）本工程采取的鉆進(jìn)方式為復(fù)合鉆進(jìn)，所用鉆具為定向鉆進(jìn)以及復(fù)合鉆進(jìn)2 種鉆具。在正常鉆進(jìn)時(shí)，鉆機(jī)和螺桿鉆具同時(shí)旋轉(zhuǎn)，以提供較高的轉(zhuǎn)速進(jìn)行鉆進(jìn)；而在無(wú)線(xiàn)隨鉆測(cè)斜儀測(cè)定出偏斜的情況時(shí)，則需調(diào)整至滑動(dòng)鉆進(jìn)，以便在控制鉆井軌跡的同時(shí)，降低孔偏斜量。

2.2 MWD 測(cè)斜原理

井下測(cè)量?jī)x器和地面設(shè)備共同組成了MWD 隨鉆測(cè)斜儀。一般來(lái)說(shuō)，井下測(cè)量?jī)x器的組成較復(fù)雜，由專(zhuān)用短接、定向探管、打撈頭、脈沖發(fā)生器、扶正器以及用于提供電量的電池筒組成。地面設(shè)備則由連接電纜、地面控制箱、計(jì)算機(jī)、壓力傳感器以及司鉆顯示器構(gòu)成。MWD 隨鉆測(cè)斜儀的具體操作程序如下：

1）當(dāng)定向探管獲取井下的參數(shù)并編碼后，脈沖器在控制信號(hào)的指引下上下運(yùn)動(dòng)，從而導(dǎo)致泥漿發(fā)生流動(dòng)。流動(dòng)所產(chǎn)生的能量可以進(jìn)一步促進(jìn)提升閥運(yùn)動(dòng)，并最終讓限流環(huán)以及提升閥二者內(nèi)部的流通面積發(fā)生變化。

2）當(dāng)提升閥提起時(shí)，泥漿可從鉆柱流向限流環(huán)；當(dāng)提升閥下落時(shí)，泥漿流通截面積會(huì)變小，而泥漿壓力會(huì)在鉆柱中產(chǎn)生一個(gè)正脈沖。

3）提升閥的狀態(tài)由控制信號(hào)進(jìn)行控制，定向探管則發(fā)出控制信號(hào)，間接控制脈沖寬度、間隔。

4）由于控制信號(hào)的強(qiáng)弱由泥漿流通截面積所決定，因此，在各種復(fù)雜的環(huán)境中，如排量、井深以及井眼不相同時(shí)，可通過(guò)改變限流環(huán)、提升閥的外徑或者內(nèi)徑來(lái)控制信號(hào)的強(qiáng)弱。

5）在探管、泥漿脈沖發(fā)生器的共同作用下，可以完成數(shù)據(jù)的獲取以及傳輸。

2.3 確定施工設(shè)備

2.3.1 定向鉆機(jī)設(shè)備選型

根據(jù)設(shè)計(jì)地質(zhì)勘探資料，超深豎井采用型號(hào)DL450T 定向鉆機(jī)進(jìn)行導(dǎo)孔。定向鉆機(jī)主要由孔口裝置、上下夾持器及卸扣器、動(dòng)力頭、動(dòng)力頭側(cè)擺機(jī)構(gòu)、機(jī)體滑架、機(jī)體滑架補(bǔ)償機(jī)構(gòu)、舉升油缸、履帶底盤(pán)、動(dòng)力系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、小絞車(chē)及泥漿泵組成。

定向鉆系統(tǒng)配套設(shè)備主要由定向鉆機(jī)、泥漿泵及變頻系統(tǒng)、射流泵、潛水泵、測(cè)斜儀、分析解碼器、鉆具及泥漿池組成。

2.3.2 鉆具選型

1）開(kāi)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(jìn)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(jié)+165 mm 無(wú)磁鉆鋌1 根+165 mm 鉆鋌3 根+127 mm 加重鉆桿9柱+127 mm+標(biāo)準(zhǔn)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(zhì)量控制

在使用定向鉆進(jìn)行施工時(shí)，為更好地控制質(zhì)量，需掌握4個(gè)施工要點(diǎn)。

3.1.1 把握好開(kāi)孔的角度

為使鉆孔的角度和直線(xiàn)符合設(shè)計(jì)要求，開(kāi)孔時(shí)要把握好角度。

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

2）鉆孔時(shí)要保證排渣能循環(huán)進(jìn)行。為了確保冷卻鉆機(jī)液壓系統(tǒng)和循環(huán)排渣順暢，要求導(dǎo)孔鉆進(jìn)時(shí)循環(huán)補(bǔ)水，補(bǔ)水量為10 m3/h；使用擴(kuò)孔鉆頭和冷卻液壓系統(tǒng)時(shí)，則需要按5 m3/h 補(bǔ)水。

3）開(kāi)挖長(zhǎng)×寬×深為2 m×1.5 m×1.5 m 泥漿池的過(guò)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(jī)泥漿

鉆進(jìn)硬巖段時(shí)，所需泥漿黏度為20～35 Pa·s，比重1.03～1.15，且后續(xù)仍要依據(jù)返渣情況及時(shí)調(diào)整泥漿黏度。此外，要嚴(yán)格監(jiān)控泥漿狀態(tài)，如果出現(xiàn)漏失現(xiàn)象要及時(shí)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(shè)計(jì)要求進(jìn)行配置。

3.1.3 偏斜率控制

本工程在利用直井MWD 無(wú)線(xiàn)隨鉆測(cè)斜儀檢測(cè)鉆孔的過(guò)程中，當(dāng)發(fā)生偏差時(shí)，一般利用磁導(dǎo)向裝置監(jiān)測(cè)鉆孔的角度和方位。對(duì)此，每鉆進(jìn)30 m 后檢測(cè)1 次孔斜情況，每隔5～10 m設(shè)置1 個(gè)觀(guān)測(cè)點(diǎn)；如果偏斜嚴(yán)重，則需加密測(cè)點(diǎn)。

3.1.4 鉆進(jìn)控制

使用定向鉆機(jī)進(jìn)行導(dǎo)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(wú)磁鉆鋌、儀器、無(wú)磁鉆鋌2～3 節(jié)、鉆鋌3～4 節(jié)、標(biāo)準(zhǔn)鉆桿。為了讓該段鉆進(jìn)過(guò)程能夠平穩(wěn)，從而更好地保證啟鉆段及續(xù)井深的平直，需控制的相關(guān)參數(shù)值有壓力2.3 MPa、扭矩4～8 kN·m、泵壓1.9 MPa，且需根據(jù)鉆孔開(kāi)口圍巖條件來(lái)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

前段鉆具26 m 后為標(biāo)準(zhǔn)鉆具，標(biāo)準(zhǔn)鉆具3.1 m 長(zhǎng)。由于本次深井為超深井，按井深對(duì)鉆進(jìn)數(shù)據(jù)分為以下4 個(gè)階段進(jìn)行設(shè)計(jì)：

1）井深26～140 m 鉆井控制數(shù)據(jù)：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(jìn)時(shí)間2～3 h。

2）140～180 m 鉆井控制數(shù)據(jù)：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(jìn)時(shí)間1～2 h。

3）180～270 m 鉆井控制數(shù)據(jù)：控制壓力2.4 MPa，扭矩6～10 kN·m，根據(jù)鉆進(jìn)情況適當(dāng)增加，泵壓3.5 MPa，單根鉆桿鉆進(jìn)時(shí)間0.5～1 h。

4）270～340 m 鉆井控制數(shù)據(jù)：控制壓力2.4 MPa，扭矩5～7 kN·m，泵壓3.5 MPa，單根鉆桿鉆進(jìn)時(shí)間0.5～1 h。

上下豎井定向鉆機(jī)導(dǎo)井鉆孔最快速度應(yīng)≤40.65 m/d，通常上下豎井導(dǎo)孔鉆井平均速度18 m/d（包括鉆機(jī)及其他設(shè)備附件修理時(shí)間、等候配件時(shí)間等）。

3.2 MWD 測(cè)斜儀測(cè)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(hào)需要利用接線(xiàn)盤(pán)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(guò)接線(xiàn)盤(pán)和控制箱連接在一起。

3）將地面控制箱利用串口線(xiàn)和筆記本電腦連接，并在開(kāi)啟后利用專(zhuān)業(yè)軟件來(lái)采集信息數(shù)據(jù)。

4）起鉆工作需要等到下鉆達(dá)到造斜點(diǎn)后方可進(jìn)行，且需和彎接頭、螺桿鉆、MWD 專(zhuān)用短節(jié)依次相連。

5）要測(cè)量從彎接頭鍵（即高邊）順時(shí)針到專(zhuān)用短節(jié)定位螺絲（即定向鍵）的角差。

6）計(jì)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(shí)，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(shè)置好2 段儀器后將連接處的螺扣上緊，同時(shí)，為了確保脈沖器正常運(yùn)轉(zhuǎn)，需定期檢查小閥。

8）將無(wú)磁鉆鋌連在短節(jié)上，然后再安裝儀器。

9）必須檢查坐鍵情況。在此過(guò)程中，要在打撈桿上做標(biāo)記，并用管鉗夾住打撈桿，采取“提起、轉(zhuǎn)動(dòng)、放下”或“左右轉(zhuǎn)動(dòng)”的模式，而完成坐鍵的標(biāo)志是處于打撈桿的標(biāo)記朝向一致、操作結(jié)束的標(biāo)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(cè)試井口。在開(kāi)泵后，計(jì)算機(jī)約在3 min 后會(huì)顯示脈沖，當(dāng)其幅度≥1.034 MPa 時(shí)，方能符合規(guī)定。

3.2.2 MWD 測(cè)斜儀測(cè)量糾偏步驟

對(duì)MWD 測(cè)斜儀測(cè)量進(jìn)行糾偏時(shí)，主要步驟如下：

1）井口測(cè)試：提前在井口對(duì)儀器進(jìn)行測(cè)試，顯示正常方可下鉆；如果開(kāi)泵2 min 后計(jì)算機(jī)上未反映出脈沖，則需要更換儀器。

2）淺層測(cè)試：處于300 m 處時(shí)，就需及時(shí)完成淺層測(cè)試，且此時(shí)的檢測(cè)仍然主要針對(duì)的是儀器；及時(shí)觀(guān)察計(jì)算機(jī)上對(duì)脈沖信號(hào)，如果監(jiān)測(cè)不到信號(hào)，需要及時(shí)更換井下儀器。

3）測(cè)量結(jié)果分析：通常情況下，如果MAG 較穩(wěn)定，可以通過(guò)地磁圖反映出鉆孔偏差；但如果MAG 超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)值的11%，則說(shuō)明井下存在磁干擾。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)MWD 無(wú)線(xiàn)隨鉆測(cè)斜技術(shù)、非開(kāi)挖導(dǎo)向鉆井技術(shù)及大型反井鉆機(jī)反擴(kuò)施工技術(shù)的成功運(yùn)用，較常規(guī)的施工技術(shù)，導(dǎo)孔平均鉆進(jìn)速度18 m/d，縮短施工工期約30 d。上豎井導(dǎo)孔貫通后偏斜33 cm，偏斜率控制在0.1%內(nèi)，下豎井導(dǎo)孔貫通后偏斜25 cm，偏斜率控制在0.1%內(nèi)，取得了良好的施工效果，可為今后類(lèi)似工程提供參考。