超深豎井鉆孔糾偏方法研究

宋 安 瑞， 鄭 堯， 侯 望

(中國水利水電第七工程局有限公司，四川 成都 610213)

1 概 述

陽江抽水蓄能電站是國內(nèi)在建、已建水頭最高的水電項目，工程樞紐主要由上水庫、下水庫、輸水系統(tǒng)、地下廠房洞室群及地面開關(guān)站、場內(nèi)交通道路等建筑物組成，工程為一等工程，工程規(guī)模為大(1)型。引水上豎井上、下彎段長45.925 m，上彎段距上游調(diào)壓井31.518 m，距1#施工支洞79.96 m。下彎段距2#施工支洞23.66 m，距引水下豎井67.791 m。上豎井(直徑為7.5 m)連接上平洞和中平洞，豎井直段加彎段共長381.938m，上豎井開挖直徑為8.7 m。

引水上豎井通過的巖性均為燕山三期(5)中粗粒花崗巖。高壓壓水試驗結(jié)果表明大部分巖體在高壓水頭下滲透性弱，具有較好的抗?jié)B透性能。弱風(fēng)化巖飽和單軸抗壓強(qiáng)度一般為60～100 MPa，平均為83 MPa。微風(fēng)化巖飽和單軸抗壓強(qiáng)度一般為100～130 MPa，平均為11 MPa。

在引水上豎井發(fā)育有1 條主要斷層 f718。f718斷層呈NE～NEE(近 EW 向)向，從上豎井下部通過，剖面上與豎井的交角約為17°，主探洞揭露斷層帶寬度為2～3 m，膠結(jié)較差，對上豎井下部圍巖影響較大，因此應(yīng)加強(qiáng)支護(hù)和防滲處理。

引水上豎井除局部圍巖受斷層影響呈強(qiáng)～弱風(fēng)化外，其余大部分洞段深埋于微風(fēng)化～新鮮的巖體內(nèi)。

該工程斷層帶寬度為2～3 m。豎井導(dǎo)孔施工過程中斷層、夾泥、破碎帶使鉆頭受力不均，導(dǎo)孔偏斜，甚至造成廢孔及鉆桿斷裂。

目前，國內(nèi)在建及已建的超深豎井較少，豎井施工還基于傳統(tǒng)反井鉆機(jī)+穩(wěn)定鉆桿的方式進(jìn)行導(dǎo)孔施工，導(dǎo)孔在軟弱結(jié)構(gòu)面及斷層部位仍然采用傳統(tǒng)鉆壓及加裝穩(wěn)定桿的方式進(jìn)行糾偏。傳統(tǒng)的糾偏范圍有限且無法直觀、準(zhǔn)確地判斷出導(dǎo)孔的偏斜度。

已建豎井導(dǎo)孔偏斜率超出規(guī)范要求及導(dǎo)孔無法貫穿的情況時有發(fā)生，因此，水電行業(yè)急需進(jìn)行超深豎井導(dǎo)孔施工技術(shù)總結(jié)，應(yīng)用新技術(shù)。

2 鉆機(jī)選擇

(1)鉆機(jī)的選型。根據(jù)鉆孔深度、鉆孔直徑、巖石抗壓強(qiáng)度初步選擇相應(yīng)的定向鉆機(jī)，然后對鉆機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)進(jìn)行驗算：①實際工作拉力=動力頭重量+擴(kuò)孔鉆頭重量+鉆桿重量+最大鉆壓； ②實際工作扭矩=破巖阻力矩+摩擦阻力。一般要求扭矩的實際工作拉力不超過鉆機(jī)設(shè)計最大提升力的60%，扭矩不超過設(shè)計最大扭矩的60%。

(2)定向鉆機(jī)鉆具組合。①開孔鉆具組合。Φ216牙輪鉆頭+Φ172鉆鋌+Φ127短鉆桿(2 m)。②定向鉆進(jìn)鉆具組合。Φ216牙輪鉆頭+ 磁短節(jié)+Φ172單彎螺桿+411*410浮閥+Φ212扶正器+Φ165定位短節(jié)+411*4A10變扣+Φ165無磁鉆鋌2根+Φ165無磁鉆鋌2根+Φ212扶正器+Φ165加重鉆桿9柱+Φ127普通鉆桿。

3 鉆機(jī)基礎(chǔ)施工

鉆機(jī)基礎(chǔ)(圖1)采用C25混凝土，其澆筑尺寸(長×寬)為8.5 m×3 m，入鉆中心2.4 m×2.4 m范圍50 cm厚。此外，基礎(chǔ)20 cm厚。基礎(chǔ)混凝土頂面高出地面20 cm。基巖面驗收質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)按照《水工混凝土施工規(guī)范》DL/T5144-2015要求清理基礎(chǔ)面，結(jié)構(gòu)面四周支模采用P3015組合鋼模板拼裝、插筋固定、外設(shè)支撐，Φ50插入式軟軸振搗棒振搗密實，灑水養(yǎng)護(hù)。

圖1 鉆機(jī)基礎(chǔ)圖

4 鉆機(jī)安裝

混凝土澆筑7 d后安裝鉆機(jī)，鉆機(jī)(定向鉆機(jī)帶履帶式行走裝置)行走就位校正后固定，固定采用12根Φ25，L=180 cm、入巖1.4 m、外露0.4 m并與鉆機(jī)兩側(cè)的鋼梁焊接，確保鉆機(jī)與基礎(chǔ)牢固銜接，不發(fā)生移位。

5 泥漿洗井液配制

定向鉆機(jī)用的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(xué)處理劑，泥漿采用膨潤土配制。

定向鉆機(jī)用的泥漿洗井液的性能(表1)主要包括密度、黏度、失水量、含砂量、膠體率和PH值等。其性能的優(yōu)劣直接影響護(hù)壁堵漏、排除巖粉、潤滑鉆具、冷卻鉆頭、鉆進(jìn)效率、成本及安全鉆進(jìn)。在導(dǎo)孔鉆孔過程中，為了適應(yīng)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(xué)處理劑用以改善泥漿洗井液的性能。

表1 定向鉆機(jī)泥漿性能技術(shù)指標(biāo)表

6 導(dǎo)孔施工及糾偏措施

6.1 定向鉆機(jī)的施工原理

在常規(guī)的鉆進(jìn)導(dǎo)孔過程中，鉆頭受地層的影響在鉆進(jìn)過程中會產(chǎn)生偏斜(即偏離預(yù)定的施工軌跡)。最典型的是地層軟硬相間帶來的偏斜(圖2)，給超深豎井導(dǎo)孔施工帶來了較大的不利影響。

定向井施工即采用定向鉆具組合進(jìn)行鉆進(jìn)。在鉆進(jìn)過程中，使用測斜儀對鉆進(jìn)軌跡進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)偏斜時，隨即進(jìn)行定向鉆進(jìn)作業(yè)，從而使整個鉆井的軌跡受控，滿足設(shè)計需要。

6.2 測 斜

采用MWD隨鉆測斜儀[5]的脈沖發(fā)生器將探測的數(shù)值發(fā)送至地面計算機(jī)進(jìn)行編碼。由內(nèi)置計算機(jī)解碼，實時監(jiān)控導(dǎo)孔偏斜情況(圖3)。

圖2 巖層軟硬、硬軟交替引起的井孔偏斜圖

圖3 隨鉆測斜示意圖

在距孔底50 m范圍時采用RMRS隨鉆測斜技術(shù)進(jìn)行測試，這些傳感器測得的數(shù)值由內(nèi)置計算機(jī)進(jìn)行編碼，經(jīng)脈沖發(fā)生器通過泥漿脈動[1]傳遞至地面，地面計算機(jī)解碼數(shù)據(jù)，通過捕捉孔底磁場發(fā)射器位置精準(zhǔn)導(dǎo)孔。

6.3 螺桿鉆具

根據(jù)測斜儀測量的偏斜率及偏斜方向，采用了一種被稱為井下動力鉆具[4]的螺桿鉆具(圖4)，其可在鉆桿不旋轉(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，可以進(jìn)行滑動鉆進(jìn)，即使孔“轉(zhuǎn)彎”。

圖4 螺桿鉆具結(jié)構(gòu)圖

6.4 鉆 進(jìn)

設(shè)計定向井鉆井全程采用復(fù)合鉆進(jìn)的方式。鉆具組合為定向鉆進(jìn)、復(fù)合鉆進(jìn)鉆具組合[3]。在正常鉆進(jìn)時，鉆機(jī)和螺桿鉆具同時旋轉(zhuǎn)，提供較高的轉(zhuǎn)速進(jìn)行鉆進(jìn)；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(jìn)(圖5)，進(jìn)而對鉆井軌跡進(jìn)行控制，以使孔偏斜降低。

1.鉆頭；2.螺桿；3.無磁鉆鋌；4.無線隨鉆測斜儀；5.鉆桿圖5 滑動與復(fù)合鉆進(jìn)示意圖

6.5 糾 偏

在無線隨鉆測斜儀[2]測量參數(shù)指導(dǎo)下，通過定向螺桿鉆具對鉆孔軌跡進(jìn)行定向控制。每鉆進(jìn)一單根鉆具測斜一次，每隔5～10 m 一個測點。孔斜超偏時加密測點并制定定向糾偏設(shè)計(表2)。

根據(jù)制定的糾偏設(shè)計，利用彎螺桿造斜角度進(jìn)行反向鉆進(jìn)以實現(xiàn)糾偏，加之隨鉆測斜儀進(jìn)行測量以保證整個長斜鉆孔的完成。如偏斜角大于設(shè)計數(shù)值，可以減少定向長度后進(jìn)行復(fù)合鉆進(jìn)。

表2 測斜、糾偏表

7 結(jié) 語

在本次陽江抽水蓄能電站引水上豎井導(dǎo)孔施工過程中，采用定向鉆機(jī)+MWD、RMRS隨鉆測斜儀進(jìn)行導(dǎo)孔偏斜控制，引水上豎井導(dǎo)孔偏差為0.32 m，偏斜率為0.08%，遠(yuǎn)低于《水電水利工程斜井豎井施工規(guī)范》DL/T 5407-2009中的偏斜率，實現(xiàn)了導(dǎo)孔優(yōu)質(zhì)、快速、經(jīng)濟(jì)、安全的實施，是豎井施工工藝的一次重大升華，其相關(guān)技術(shù)成果可為后續(xù)水利、礦山、交通等多個領(lǐng)域類似工程提供重要的參考，具有廣闊的應(yīng)用前景及較大的利用價值。