抽水蓄能電站斜井導(dǎo)孔施工關(guān)鍵技術(shù)研究

王志曉，陳振國(guó)，陳 龍

(1.中煤科工開(kāi)采研究院有限公司，北京 100013；2.煤炭科學(xué)研究總院開(kāi)采研究分院，北京 100013；3.北京中煤礦山工程有限公司，北京 100013；4.煤炭科學(xué)研究總院建井研究分院，北京 100013)

近年來(lái)，鑒于抽水蓄能電站能夠解決用電調(diào)峰問(wèn)題、保證電網(wǎng)電壓穩(wěn)定及發(fā)揮事故備用作用，國(guó)家加大了抽水蓄能電站的開(kāi)發(fā)建設(shè)。斜井作為抽水蓄能電站輸引水系統(tǒng)中的關(guān)鍵組成部分，其開(kāi)挖具有專業(yè)性強(qiáng)、施工難度大等特點(diǎn)[1]。伴隨著斜井開(kāi)挖長(zhǎng)度、斷面面積不斷加大，斜井開(kāi)挖多采用“先開(kāi)挖導(dǎo)孔，后進(jìn)行擴(kuò)挖”的施工工藝，而斜井導(dǎo)孔的施工方法主要有阿里馬克爬罐法、反井鉆機(jī)直接施工法[2-5]和定向鉆機(jī)施工法[6]。阿里馬克爬罐法的缺點(diǎn)是由于采用鉆爆法施工，施工安全系數(shù)低、施工環(huán)境較差，且不利于圍巖的穩(wěn)定；反井鉆機(jī)直接施工法的缺點(diǎn)是鉆孔軌跡難以精確控制，導(dǎo)孔偏斜率較大，且鉆進(jìn)效率較低[6]。基于以上對(duì)比分析，國(guó)內(nèi)抽水蓄能電站的長(zhǎng)斜井多采用“定向鉆機(jī)鉆導(dǎo)孔+反井鉆機(jī)法擴(kuò)挖”的施工方法。本文通過(guò)對(duì)河北豐寧抽水蓄能電站1號(hào)引水系統(tǒng)高壓管道下斜段反井導(dǎo)孔工程研究分析，提出了斜井導(dǎo)孔施工的一系列關(guān)鍵技術(shù)，以期對(duì)后續(xù)類似工程的施工提供寶貴經(jīng)驗(yàn)。

1 項(xiàng)目概況

河北豐寧抽水蓄能電站位于河北省承德市豐寧縣，總裝機(jī)容量為3 600 MW，是世界上目前在建裝機(jī)容量最大的抽水蓄能電站。電站建成后，以500 kV的線路接入京津及冀北電網(wǎng)，年設(shè)計(jì)發(fā)電量為66.12億kW·h，在系統(tǒng)中承擔(dān)調(diào)峰、填谷、調(diào)頻、調(diào)相和緊急事故備用等任務(wù)，對(duì)保障京津及冀北電網(wǎng)的安全、促進(jìn)風(fēng)電和太陽(yáng)能發(fā)電等清潔能源的大規(guī)模發(fā)展及維護(hù)電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要作用。

電站引水系統(tǒng)高壓管道采用“一洞兩機(jī)”的布置方式，由高壓主管、岔管和高壓支管組成，采用鋼管襯砌，鋼襯外圍回填混凝土厚度0.6 m。其中，1號(hào)高壓主管長(zhǎng)926.730 m，管徑6.5 m，中平段中心高程1 210 m，下平段中心高程967 m。下斜井段長(zhǎng)約274 m，管徑為5.3 m，在下斜井段末端管徑由5.3 m漸縮為4.8 m，下平段管徑為4.8 m，與岔管連接。1號(hào)高壓管道剖面如圖1所示。

圖1 1號(hào)高壓管道剖面示意

經(jīng)建設(shè)單位前期調(diào)研，高壓管道的下斜井段擬采用“定向鉆機(jī)鉆導(dǎo)孔+反井鉆機(jī)法擴(kuò)挖”的施工方案，即先采用定向鉆機(jī)施工導(dǎo)孔，再利用反井鉆機(jī)反拉形成斜井。下斜井段導(dǎo)孔設(shè)計(jì)工程量見(jiàn)表1。

表1 下斜井段導(dǎo)孔設(shè)計(jì)工程量

2 地質(zhì)及工程地質(zhì)概況

侏羅系張家口組灰窯子溝單元和三疊系干溝門單元隸屬于不同年代地層，構(gòu)造發(fā)育亦存在差異。斷層發(fā)育規(guī)模均較小，主要為Ⅲ、Ⅳ級(jí)結(jié)構(gòu)面，由斷層泥、碎裂巖、碎粉巖、碎塊巖等組成。張家口組火山巖體裂隙較發(fā)育，按走向可分為NNW、NE和NWW等3組，以陡傾角為主，裂隙多張開(kāi)并充填白色泥質(zhì)、巖屑、銹膜等；干溝門單元花崗巖中裂隙主要為NW和NE兩組，且均為共軛的剪切節(jié)理。

壓力管道洞向?yàn)镾W236°，開(kāi)挖洞徑4.8～7.2 m，上覆巖體厚度127～330 m。上平段出露有不整合界面，以不整合界面為界，上游巖性為微風(fēng)化熔凝灰?guī)r、凝灰熔巖、凝灰?guī)r，下游為微風(fēng)化中粗粒花崗巖，壓力管道多為上述巖性。部分井段受斷層構(gòu)造影響，巖石較為破碎。巖體中發(fā)育有NE和NW共2組裂隙，均為共軛剪切節(jié)理，受上述2組裂隙切割，巖體主要為次塊狀結(jié)構(gòu)，圍巖主要為Ⅲb類，斷層出露部位為Ⅳ類。

3 關(guān)鍵技術(shù)研究

通過(guò)分析該工程概況及相關(guān)地質(zhì)條件，可以得出該斜井導(dǎo)孔工程施工主要存在以下難點(diǎn)：①導(dǎo)孔施工的平洞空間狹小，斷面高6.5 m、寬5 m；②導(dǎo)孔軌跡設(shè)計(jì)為井斜角37°，偏斜率不大于7.5‰的斜直井，需要高精度控制；③鉆孔鉆遇部分地層受區(qū)域構(gòu)造影響，巖石較為破碎，導(dǎo)孔孔壁穩(wěn)定性需要保證。針對(duì)以上難點(diǎn)，建設(shè)施工單位通過(guò)引入煤科總院研發(fā)的斜導(dǎo)孔專用鉆機(jī)，采用定向鉆具組合、高精度軌跡控制技術(shù)及鉆孔護(hù)壁技術(shù)，快速、高效地完成該斜井導(dǎo)孔工程。

3.1 設(shè)備選型

斜導(dǎo)孔專用鉆機(jī)為煤科總院為實(shí)現(xiàn)斜井凍結(jié)鉆孔施工而開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵裝備，整套鉆機(jī)主要包含主機(jī)系統(tǒng)、鉆具系統(tǒng)、換桿系統(tǒng)、循環(huán)系統(tǒng)、測(cè)量定向系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)，由動(dòng)力頭、進(jìn)給裝置、鉆桿自動(dòng)上卸扣裝置、鉆桿鉆架機(jī)構(gòu)及液壓泵站組成，所有部件均安裝在鉆機(jī)履帶底盤(pán)上，從而實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)移動(dòng)方便。斜導(dǎo)孔專用鉆機(jī)技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 斜導(dǎo)孔專用鉆機(jī)技術(shù)參數(shù)

通過(guò)分析該項(xiàng)目導(dǎo)孔施工現(xiàn)場(chǎng)條件及技術(shù)要求，建設(shè)施工單位提出斜導(dǎo)孔專用鉆機(jī)施工方案。通過(guò)計(jì)算分析，確定鉆機(jī)的開(kāi)孔角度53°，鉆機(jī)托架頂端距巷道底板6.3 m，可以實(shí)現(xiàn)在平洞內(nèi)進(jìn)行施工。鉆桿采用Ф89 mm+Ф73 mm高強(qiáng)度鉆桿，單根長(zhǎng)4.5 m，利用鉆桿自動(dòng)上卸扣裝置實(shí)現(xiàn)自動(dòng)裝配鉆桿。正常鉆進(jìn)段采用復(fù)合鉆進(jìn)的送鉆方式，定向鉆進(jìn)段采用滑動(dòng)鉆進(jìn)的送鉆方式。

3.2 定向鉆具組合及軌跡控制

斜井導(dǎo)孔的偏斜率及軌跡控制，是保證后續(xù)反斜井施工質(zhì)量及效果的重要一環(huán)。如果導(dǎo)孔終孔偏斜率或狗腿角太大，不利于后續(xù)反井?dāng)U孔，嚴(yán)重的會(huì)造成導(dǎo)孔報(bào)廢。開(kāi)鉆前，建設(shè)施工單位對(duì)設(shè)備安裝、開(kāi)孔角度進(jìn)行校核，確保鉆孔中心與動(dòng)力頭主軸中心重合[7]。鉆進(jìn)過(guò)程中，通過(guò)優(yōu)化調(diào)整不同鉆進(jìn)層段鉆具組合、采用無(wú)線隨鉆測(cè)線儀+螺桿鉆具的高精度軌跡控制技術(shù)，確保了鉆孔軌跡平滑且滿足偏斜率設(shè)計(jì)要求。

3.2.1 鉆具組合優(yōu)化

鉆井實(shí)踐表明，影響鉆孔偏斜的原因是多方面的，如地層條件、鉆具組合、鉆進(jìn)操作技術(shù)及設(shè)備安裝等。鉆機(jī)安裝開(kāi)鉆后，可以通過(guò)優(yōu)化調(diào)整不同鉆進(jìn)層段鉆具組合及鉆進(jìn)技術(shù)措施來(lái)確保鉆孔軌跡能夠滿足設(shè)計(jì)要求，如增設(shè)加重鉆鋌、扶正器、柔性鉆桿等，使鉆具具有增斜、穩(wěn)斜及降斜的功能[7]。根據(jù)本工程實(shí)際，鉆具組合結(jié)構(gòu)及鉆進(jìn)技術(shù)措施分為4個(gè)不同階段進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。不同階段鉆具組合及鉆進(jìn)技術(shù)見(jiàn)表3、圖2。

圖2 鉆具組合參數(shù)

表3 不同階段鉆具組合及鉆進(jìn)技術(shù)參數(shù)

3.2.2 高精度軌跡控制

為了確保鉆孔能按預(yù)定軌跡鉆進(jìn)，除了利用地層條件、優(yōu)化鉆具組合及調(diào)整鉆進(jìn)措施外，必要時(shí)需采用井下動(dòng)力鉆具(螺桿鉆具)對(duì)鉆孔軌跡進(jìn)行糾偏。而無(wú)線隨鉆測(cè)斜儀作為鉆孔施工的“眼睛”，可在鉆進(jìn)過(guò)程中隨時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，利用泥漿脈沖信號(hào)將數(shù)據(jù)傳輸至地面數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，從而得出井下測(cè)點(diǎn)的井斜角、方位角及工作面數(shù)據(jù)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，本工程采用SMWD-76S隨鉆測(cè)斜儀+螺桿鉆具的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)鉆孔軌跡高精度控制。其中，SMWD-76S隨鉆測(cè)斜儀測(cè)量精度為井斜角±0.1°、方位角±1.0°、工具面角±1.5°；螺桿鉆具為根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況定制的長(zhǎng)5 m的短螺桿，彎曲角度為1.0°和1.25°共2種規(guī)格。

開(kāi)孔鉆進(jìn)30 m后，對(duì)鉆孔進(jìn)行測(cè)斜，采用定向鉆進(jìn)鉆具組合對(duì)鉆孔軌跡進(jìn)行糾偏。繼續(xù)鉆進(jìn)過(guò)程中，每鉆進(jìn)一根鉆桿，對(duì)鉆孔進(jìn)行偏斜測(cè)量，并依據(jù)數(shù)據(jù)決定下一步鉆進(jìn)措施。在糾偏過(guò)程中，為嚴(yán)格控制狗腿角變化，提出每根鉆桿鉆進(jìn)時(shí)定向鉆進(jìn)+復(fù)合鉆進(jìn)相結(jié)合的工藝，從而保證鉆孔軌跡平滑。通過(guò)采取上述相關(guān)技術(shù)措施，鉆進(jìn)至300.22 m時(shí)順利貫通，且終孔偏斜率為0.45%，鉆孔終孔測(cè)斜數(shù)據(jù)見(jiàn)表4。

表4 鉆孔終孔測(cè)斜數(shù)據(jù)

3.3 鉆孔護(hù)壁技術(shù)

鑒于該區(qū)域部分地層受構(gòu)造影響，巖石較為破碎，故鉆孔泥漿的潤(rùn)滑減阻、維護(hù)孔壁穩(wěn)定、抑制漏失的功能尤為關(guān)鍵。開(kāi)鉆前，根據(jù)對(duì)鉆井液低摩阻系數(shù)、低濾失量的性能要求，配備足量的鉆井液。正常鉆進(jìn)段鉆井液密度在1.05～1.10 g/cm3、馬氏漏斗黏度為26～28 S、含砂量<5%；定向鉆進(jìn)段鉆井液密度在1.15～1.20 g/cm3、馬氏漏斗黏度為40～45 S、含砂量<1%，摩阻系數(shù)<0.1。

良好的固相控制同樣是鉆井液性能穩(wěn)定和鉆孔安全的重要保障[8]。鉆進(jìn)過(guò)程中，應(yīng)隨時(shí)監(jiān)測(cè)鉆井液固相含量，且要通過(guò)固控設(shè)備的綜合運(yùn)用降低鉆井液有害固相含量，降低鉆頭和鉆桿的磨損，增強(qiáng)鉆井液體系的穩(wěn)定性。鉆井液循環(huán)凈化工藝流程如圖3所示。

圖3 鉆井液循環(huán)凈化工藝流程

4 結(jié) 論

河北豐寧抽水蓄能電站1號(hào)引水系統(tǒng)高壓管道下斜段反井導(dǎo)孔工程采用斜井專用鉆機(jī)進(jìn)行施工，施工工期35 d，鉆進(jìn)成孔直徑190 mm，長(zhǎng)295.6 m，終孔偏斜率僅為0.45%，且鉆孔軌跡平滑，為下一步反井?dāng)U挖奠定了基礎(chǔ)。通過(guò)總結(jié)分析，特提出以新型斜井專用鉆機(jī)為核心，輔以不同鉆進(jìn)層段鉆具優(yōu)化組合技術(shù)、無(wú)線隨鉆測(cè)斜儀+螺桿鉆具高精度軌跡控制技術(shù)及鉆井液護(hù)壁技術(shù)的一套長(zhǎng)斜井導(dǎo)孔施工技術(shù)，既保證了斜井安全快速施工，又降低了工程總投資，為后續(xù)抽水蓄能電站斜井工程施工提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)。