緩傾斜井導孔高精度施工技術

李 霞

(中國水利水電第七工程局有限公司，四川成都 610213)

1 工程概況

廣東陽江抽水蓄能電站位于廣東省陽春市與電白縣交界處的八甲山區(qū)，上水庫地處陽春市八甲鎮(zhèn)南西約8 km的河尾山林場，下水庫位于陽春市八甲鎮(zhèn)南西5 km的高屋村石祥、更口、豐田一帶，上、下水庫落差約670 m，陽江抽水蓄能電站開發(fā)任務以輸水發(fā)電為主。電站上水庫設計正常蓄水位773.7 m，總庫容2 836.5萬m3，上水庫大壩為碾壓混凝土重力壩，最大壩高101 m；下水庫總庫容3 105萬m3，正常蓄水位103.7 m。陽江抽水蓄能電站高壓電纜洞斜井傾角36°，由下平段、斜井段和上平段組成，斜井段長度249.98 m，斷面為城門洞型，斷面尺寸6.0 m×5.4 m(寬×高)，巖石主要以花崗巖為主，局部為混合巖，總體以Ⅱ類為主，局部Ⅲ類。高壓電纜洞斜井施工空間有限，斜井傾角緩、深度大，導孔偏斜率要求高，從施工方案可操作性、安全風險、質(zhì)量控制、施工成本、工期等方面綜合分析，最終提出針對36°緩傾斜井采用反導井正挖法的施工方案[1]。

采用反導井正挖法施工的關鍵在于是否能正常順利溜渣，這與最終形成的反井鉆機導井質(zhì)量有很大的關系，而導井的形成質(zhì)量，最關鍵的要看導孔貫通的質(zhì)量。導孔精確貫通是斜井開挖施工實現(xiàn)的第一步，也是關鍵一步。針對導孔準確貫通問題，需要從導孔的軌跡分析、設備改造、操作控制等方面出發(fā)開展一系列的探索與總結(jié)，形成一套緩傾斜井導孔高精度施工關鍵技術和施工方法。

2 緩傾斜井導孔軌跡分析與控制

2.1 軌跡分析

運用大地磁場定位原理、大地坐標系進行導孔軌跡分析，根據(jù)導孔軌跡進而構(gòu)建導孔測斜、磁偏角、導井三維模型，為導孔軌跡精度控制提供依據(jù)。依據(jù)現(xiàn)場不同地質(zhì)、斷面、長度、井斜等條件建立大地坐標系得出鉆孔軌跡方程。斜井鉆孔體現(xiàn)為從鉆進起始端開始向下呈螺旋形狀，隨著時間推移，逐漸會加速向下及左右偏移，但隨著斜井長度增加，其極限軌跡可近似為螺旋狀。

斜井導孔縱向軌跡示意詳見圖1，其中C為導孔縱向入鉆點，D為導孔縱向軌跡，E為斜井設計縱向軌跡，F(xiàn)為導孔縱向出鉆點。

圖1 導孔豎直方向軌跡示意

斜井導孔平面軌跡示意詳見圖2，其中H為導孔平面入鉆點，I為導孔平面軌跡，J為斜井設計平面軌跡，K為導孔平面出鉆點。

圖2 導孔平面軌跡控制示意

2.2 導孔軌跡控制

為了在緩傾角斜井導孔施工過程中能保證導孔實時軌跡監(jiān)測及糾偏，確保導孔精度滿足規(guī)范要求及避免因?qū)Э浊瘦^大而發(fā)生卡鉆風險，通過獲得緩傾斜井井深、井斜、磁偏角等參數(shù)，制定導孔糾偏方案，在無線隨鉆測斜儀測定出偏斜的情況下，調(diào)整至滑動鉆進，從而對導孔軌跡進行控制，以使導孔偏斜降低[2]。同時通過定向鉆機+測斜儀(MWD 隨鉆測斜定位)+RMRS旋轉(zhuǎn)磁場測距系統(tǒng)+定向組合鉆具+彎螺桿(0.5°)進行導孔軌跡控制,使孔偏斜降低。實現(xiàn)導孔無線測斜定位，滿足施工精度要求，大大提升施工效率和施工安全。

3 緩傾斜井導孔施工技術

3.1 施工工藝流程

施工準備—定向鉆機基礎施工—測量放樣—定向鉆機安裝調(diào)試—泥漿洗井液配制—導孔施工—定向鉆機拆除。

3.2 施工方法

3.2.1 施工準備

3.2.1.1 鉆機選型

陽江抽水蓄能電站高壓電纜洞斜井工程，鉆孔直徑為216 mm，鉆進長度最長為263 m，與地面夾角為36°，鉆孔偏斜率不大于0.5%，巖石為堅硬花崗巖，單軸抗壓強度100～130 MPa。而且受到施工場地限制，所選取定向鉆機入鉆點外延長度不能超過8 m。根據(jù)現(xiàn)場實際情況對鉆機的主要技術參數(shù)進行驗算，選擇型號為FDP-68型定向鉆機。

3.2.1.2 定向鉆機鉆具組合

為解決定向鉆機及無線測斜系統(tǒng)在堅硬巖層中直線型開挖，需根據(jù)設備特性及施工巖層堅硬等特點進行鉆具組合調(diào)整設計，以提高導孔施工的精度。具體鉆具組合型式有：

(1)開孔鉆具組合。φ216 mm牙輪鉆頭+φ172 mm鉆鋌+φ127 mm短鉆桿(2 m)，鉆壓：0.3～0.5 t,鉆速：30～40 r/min,泵量：600 L/min。開孔是保證鉆孔直線及角度的關鍵，為確保開孔的角度，在開鉆前要預留孔槽。

(2)定向鉆進鉆具組合。φ216 mm牙輪鉆頭+φ172螺桿+φ411×410浮閥+φ212 mm扶正器+165 mm定位短節(jié)+411×4A10變扣+φ165 mm無磁鉆鋌1根+165 mm鉆鋌3根+φ127 mm加重鉆桿9柱+φ127 mm標準鉆桿。鉆桿結(jié)構(gòu)詳見圖3。

斜、豎井堅硬巖石定向鉆具，由各獨立鉆具依次通過絲扣軸向鋼性順序連接構(gòu)成。磁短節(jié)為旋轉(zhuǎn)磁場定向技術發(fā)射裝置，無磁鉆鋌中內(nèi)置MWD測斜儀。正常鉆進鉆壓：1.5～3.5 t；鉆速：50～60 r/min(硬巖段)；泵量：1 200 L/min。定向組合鉆具的測斜儀定位測斜系統(tǒng)，將測斜儀測量數(shù)據(jù)通過調(diào)制器控制脈沖發(fā)生器產(chǎn)生泥漿壓力，地面泥漿壓力傳感器將獲得數(shù)據(jù)發(fā)送給地面計算機，計算機+軟件進行數(shù)據(jù)處理，并進行導孔軌跡計算及顯示偏斜方向及大小。組合鉆具的鉆頭、磁短節(jié)、變扣、單彎螺桿和浮閥鉆具連接均為剛性連接，能保證在堅硬巖石條件下鉆進，且單彎螺桿的小彎度實現(xiàn)糾偏鉆進。鉆鋌與加重鉆桿連接結(jié)構(gòu)，鉆鋌與鉆頭直徑差距較小，能更好保持鉆進的直線程度；在糾偏過程中鉆鋌與加重鉆桿能更好的壓低鉆具的重心，保證糾偏更穩(wěn)定；在利用鉆具自重沖擊鉆孔時，能提供更大的力度。

3.2.2 定向鉆機基礎施工

定向鉆機基礎采用組合鋼模板立模澆筑，φ50 mm振搗棒振搗密實?；A采用C30混凝土，基礎長8.5 m、寬3.0 m、厚0.3 m，入鉆點直徑2.0 m范圍需將基礎清理干凈。

3.2.3 測量放樣

定向鉆機導孔入鉆點使用全站儀放樣，現(xiàn)場標識出“十字”線、斜井軸線及斜井傾角控制線。

3.2.4 定向鉆機安裝調(diào)試

(1)待基礎混凝土澆筑完成7天后，方可安裝定向鉆機。

(2)定向鉆機為履帶式，直接行走至已澆筑基礎混凝土上。

(3)根據(jù)測量定位點，確定鉆機位置，并采用插筋固定牢靠。

(4)采用水平尺對鉆機進行調(diào)平，測量放樣控制鉆孔角度及方向。

3.2.5 泥漿洗井液配制

(1)定向鉆機進泥漿洗井液采用水基泥漿，其主要組成部分是黏土、水和化學處理劑，泥漿常用膨潤土配制。

(2)定向鉆機進泥漿洗井液性能主要包括密度、黏度、失水量、含砂量、膠體率和pH值等。性能的優(yōu)劣直接影響護壁堵漏、排除巖粉、潤滑鉆具、冷卻鉆頭、鉆進效率、成本及安全鉆進。在導孔鉆孔過程中，為了適應不同地層對泥漿洗井液性能的要求，必須向泥漿內(nèi)加入一定量的化學處理劑，來改善泥漿洗井液的性能。定向鉆機泥漿性能技術指標詳見表1。

表1 定向鉆機泥漿性能技術指標

3.2.6 導孔施工

3.2.6.1 開孔

導孔開孔前測量復核開孔孔位及開孔角度，進一步檢查鉆機及鉆架固定，液壓油管密封情況[3]，泥漿泵及泥漿洗井液準備情況。開孔鉆進過程中應以輕壓、慢轉(zhuǎn)、大泵量為宜。一般控制在轉(zhuǎn)數(shù)60 r/min，鉆壓500 kg，泵量600～1 200 L/min左右。

3.2.6.2 測斜

采用MWD隨鉆測斜儀的脈沖發(fā)生器將探測的數(shù)值發(fā)送至地面計算機進行編碼。由內(nèi)置計算機進行解碼，實時監(jiān)控導孔偏斜情況。距孔底50 m范圍時采用RMRS隨鉆測斜技術，三軸重力和三軸磁力線進行探測的傳感器，通過這些傳感器測得的數(shù)值及捕捉孔底磁場發(fā)射器位置，經(jīng)脈沖發(fā)生器通過泥漿脈動傳遞至地面，地面計算機解碼數(shù)據(jù)，從而控制糾偏螺桿鉆機糾偏。

3.2.6.3 糾偏

根據(jù)測斜儀測量的偏斜率及偏斜方向，采用螺桿鉆具一種井下動力鉆具，它可在鉆桿不旋轉(zhuǎn)的情況下，由高壓泥漿驅(qū)動鉆頭旋轉(zhuǎn)。選擇具有一定彎曲角度的螺桿，從而可以進行滑動鉆進，使孔“轉(zhuǎn)彎”。螺桿鉆具結(jié)構(gòu)詳見圖4。

圖4 螺桿鉆具結(jié)構(gòu)

采用MWD、RMRS隨鉆測斜不斷測量定向鉆機導孔軌跡及導孔偏斜率控制，提高緩傾角斜井導孔精度，避免出現(xiàn)導孔無法貫穿或貫穿偏差大帶來的不利后果，為后續(xù)反導井正挖法施工提供質(zhì)量保證。測斜、糾偏參數(shù)詳見表2。

表2 測斜、糾偏參數(shù)

3.2.7 定向鉆機拆除

氧氣、乙炔切割插筋，定向鉆機自行行走至鉆機平臺外側(cè)，及時保養(yǎng)維護鉆機、鉆具。

3.3 質(zhì)量要求及控制要點

3.3.1 質(zhì)量要求

(1)緩坡斜井導井開孔定位偏差不得大于5 cm。

(2)導孔偏斜率不大于1%。

3.3.2 質(zhì)量控制要點

(1)定向鉆機施工過程中需及時糾偏并確保導孔軌跡接近直線并嚴禁出現(xiàn)較大彎折曲線。

(2)根據(jù)設計地質(zhì)資料提前確定軟弱夾層、斷層及特殊地質(zhì)部位，從而進一步確定特殊地質(zhì)的鉆進方式、鉆具組合、鉆壓、鉆速等。

(3)緩傾角斜井鉆桿受重力及鉆頭摩擦力影響，鉆桿絲扣連接質(zhì)量及鉆桿剛度將決定導孔施工精度及卡鉆風險。

(4)泥漿洗井液循環(huán)使用過程中需將石粉、鐵屑過濾掉，避免影響導孔泥漿脈沖傳輸質(zhì)量。

3.3.3 檢查方法

緩坡斜井導井開孔定位及導孔貫通偏差采用全站儀進行檢查；通過導孔貫通偏差及斜井長度計算導孔偏斜率。

4 結(jié)束語

緩坡斜井導孔高精度施工技術已在廣東陽江抽水蓄能電站高壓電纜洞工程中成功應用，導孔鉆孔(擴挖)歷時30天，平均速度8 m/d，斜井貫通偏差25 cm，貫通偏差小于1‰，高于規(guī)范允許偏差1%的要求，應用效果良好。緩坡斜井導孔高精度施工技術確保了導井施工精度及施工質(zhì)量，縮短了施工工期，節(jié)約了施工成本，使工程施工得以優(yōu)質(zhì)、安全、高效地完成，經(jīng)濟社會效益顯著。該項技術在水電、水利工程、交通、礦山等領域具有較高的推廣應用價值，應用前景廣闊。