費萬堂， 馬雨峰， 劉志強， 劉書杰, *， 劉雙華， 龍小剛， 董云濤

(1. 河北豐寧抽水蓄能有限公司， 河北 豐寧 068350； 2. 煤炭科學研究總院建井研究分院， 北京 100013； 3. 北京中煤礦山工程有限公司， 北京 100013)

0 引言

目前，我國抽水蓄能電站壓力管道的導井逐步采用反井法施工，工作人員不再下井施工，安全和工效可以大大提高[1-2]。隨著反井法的廣泛應用，導孔鉆進作為反井鉆施工的第1道工序，其破巖量雖然只占總破巖量的2.5%或更小，但導孔的成孔質(zhì)量卻直接影響反井鉆成井的質(zhì)量與效率，反井鉆機導孔的精確度問題已經(jīng)成為反井工程成敗的重要因素[3]。徐進鵬等[4]研究提出了強滲漏地質(zhì)段反井鉆導孔成型的關鍵技術；閆平等[5]將定向鉆機應用于水電工程高深豎井導孔施工，解決了反井鉆機導孔偏斜的問題；王彬彬[6]利用TSJ-2000鉆機配合陀螺儀測斜以及定位螺桿糾偏進行了先導孔作業(yè)；曹琳等[7]分析了反井鉆施工斜井導孔時產(chǎn)生偏斜的原因，并提出了偏斜控制與糾偏措施。

從已有的研究可以看出，無論是實際應用，還是理論分析，導孔施工主要包括反井鉆機直接鉆進導孔及大型地面鉆機定向鉆進導孔2種方式。反井鉆機直接鉆進導孔的缺點是： 反井鉆具沒有專業(yè)的糾偏功能，鉆孔軌跡難以精確控制，尤其是遇到大傾角、長斜井或地層條件復雜等情況時[8]，導孔偏斜率可超過5%，并且斜導孔鉆進效率很低。大型地面鉆機定向鉆進導孔的缺點是： 石油鉆機或地質(zhì)鉆機的體積大、鉆塔高，只適合于地面鉆孔施工環(huán)境，不能在井下平洞內(nèi)進行施工作業(yè)，無法鉆進大傾角斜導孔。

本文以河北豐寧抽水蓄能電站1#引水系統(tǒng)高壓管道下斜段反井導孔工程為背景，采用高精度斜導孔軌跡控制技術、定向鉆具組合技術以及鉆孔孔壁泥漿保護技術，研制出了TDX-1500型新型斜導孔專用鉆機，研發(fā)出了一套大傾角反井法斜導孔的快速、高效、精確鉆孔定向控制技術。

1 工程及工程地質(zhì)概況

河北豐寧抽水蓄能電站，地處河北省承德市豐寧縣，位于河北千萬千瓦級風電基地核心?？傃b機容量為3 600 MW，是目前世界上在建裝機容量最大的抽水蓄能電站，工程總投資192.37億元。電站分2期開發(fā)，于2016年實現(xiàn)同步建設，共安裝12臺300 MW的可逆式水泵水輪機和發(fā)電電動機組(其中，10臺為定速機組，2臺為變速機組)[9]。電站建成后，以500 kV的線路接入京津及冀北電網(wǎng)，年設計發(fā)電量為66.12億kW·h，在系統(tǒng)中承擔調(diào)峰、填谷、調(diào)頻、調(diào)相和緊急事故備用等任務，對保障京津及冀北電網(wǎng)的安全、促進風電和太陽能發(fā)電等清潔能源的大規(guī)模發(fā)展以及維護電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行具有重要作用。

河北豐寧抽水蓄能電站引水系統(tǒng)工程地質(zhì)巖性以干溝門單元中粗?；◢弾r、灰窯子溝單元火山巖為主，沿線斷裂構造較為發(fā)育。高壓管道洞向為SW236°，開挖洞徑為4.8～7.2 m，上覆巖體厚度為127～330 m。上平段出露有不整合界面，以不整合界面為界，上游巖性為微風化熔凝灰?guī)r、凝灰熔巖、凝灰?guī)r，下游為微風化中粗?；◢弾r。巖體中發(fā)育有NE和NW 2組裂隙，均為共軛剪切節(jié)理。壓力管道受①、②組裂隙切割，巖體主要為次塊狀結構，圍巖主要為Ⅲb類，斷層出露部位為Ⅳ類。地下水埋深為52～94 m。1#高壓管道剖面圖如圖1所示。

圖1 1#高壓管道剖面圖

高壓管道采用一洞兩機的布置方式，由高壓主管、岔管和高壓支管組成，采用鋼管襯砌，4個轉彎段轉彎半徑均為30 m，轉彎角度為53°。其中： 1#高壓主管長926.73 m，開挖斷面直徑為6.5 m，中平段中心高程為1 210 m，下平段中心高程為967 m，下斜井段管徑為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。下斜段反井定向?qū)Э坠こ淘O計見表1。

表1斜反井導孔工程設計

Table 1 Engineering design of oblique guide hole constructed by raise-boring method

項目名稱直徑/mm鉆進長度/m鉆孔巖石體積/m3定向?qū)Э足@進1903028.56

2 新型斜導孔專用鉆機應用

TDX-1500型斜導孔專用鉆機(如圖2所示)是煤炭科學研究總院研發(fā)的專用設備，適用于巷道或硐室內(nèi)采用傾斜導孔鉆孔施工的工程。

圖2 TDX-1500型斜導孔專用鉆機

Fig. 2 TDX-1500 special drilling method for oblique guide hole

針對抽水蓄能電站巷道內(nèi)斜導孔施工空間小、斜孔定向要求高等特點，通過經(jīng)驗計算，并與國外同類機型的性能參數(shù)進行類比，確定了本鉆機的總體設計。由于鉆機鉆井工藝與工作環(huán)境的需求，鉆機結構龐大，組成復雜，就其控制系統(tǒng)構成來看，包含了電氣傳動系統(tǒng)、氣壓傳動系統(tǒng)、液壓傳動系統(tǒng)等各種控制系統(tǒng)[10]。本鉆機采用動力頭回轉、鉆孔傾角調(diào)整機構和傾角鎖緊機構精確調(diào)整的功能，實現(xiàn)斜導孔定向鉆進。鉆機由鉆桿上卸扣裝置、行走機構、導軌、動力頭、鉆孔傾角調(diào)整機構及液壓系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成。鉆機所有部件(包括液壓系統(tǒng)泵站、動力頭、鉆架、導軌架等)均安裝在鋼制履帶底盤上，從而實現(xiàn)了斜導孔鉆機的緊湊布局。其中，動力頭承擔驅(qū)動或帶動鉆具回轉工作，采用鉆桿上卸扣裝置實現(xiàn)機械擰卸鉆具的任務，鉆孔傾角調(diào)整機構、傾角鎖緊機構控制鉆孔角度。鉆機操縱臺、鉆機行走操縱臺、電路開關及泥漿閥門均集中置于鉆機前端機架一側的司鉆房內(nèi)，鉆機司機對鉆機的操縱十分方便。采用斜導孔專用鉆機便于斜孔施工，施工效率高，而且塔機一體，安裝、搬運快速方便[11]。鉆機具體參數(shù)見表2。

表2 TDX-1500型斜導孔專用鉆機參數(shù)

Table 2 Parameters of TDX-1500 special drilling machine for oblique guide hole

參數(shù)數(shù)值 電機驅(qū)動功率90 kW軸壓力提升力500 kN動力頭回轉轉矩16 000 N·m動力頭轉速0～80 r/min鉆機調(diào)節(jié)角度0°～90°鉆孔直徑190 mm鉆桿直徑89 mm動力頭一次推進行程4 500 mm鉆機行走速度2 km/h鉆機爬坡能力20°輔助液壓卷揚機提升力15 kN

斜導孔施工地點位于水平平洞中，平洞斷面高度為6.5 m，平洞斷面寬度為5 m，鉆機工作空間極其狹小。綜合考慮斜導孔技術要求及施工條件，斜導孔專用鉆機接電后駛入平洞，鉆機的開孔角度為53°，鉆機托架頂端距地面高6.3 m，鉆機液壓支柱間距為1.6 m，能夠放置在平洞內(nèi)進行鉆孔施工；鉆桿選用φ89 mm高強度鉆桿，單根長度為4.5 m，液壓機械手從側面自動抓取鉆桿，通過上卸扣裝置自動擰緊或卸松鉆桿，利用動力頭推進裝置實現(xiàn)鉆桿加尺或減尺的動作；正常鉆進段采用回轉鉆進的送鉆方式，定向鉆進段采用滑動鉆進的送鉆方式。斜導孔鉆孔結構如圖3所示。

圖3 斜導孔鉆孔結構示意圖

3 定向鉆具組合技術研究

在常規(guī)鉆具上，利用適當增加一些部件改變鉆具結構的方法，如增設柔性鉆桿、支撐接頭、加重鉆鋌、扶正器、大鉆頭、短粗徑等，使鉆具具有增斜、減斜或穩(wěn)斜的功能。采用彎接頭和井下動力鉆具組合進行定向造斜施工。這種造斜鉆具組合是利用彎接頭使下部鉆具產(chǎn)生一個彈性力矩，迫使井下動力鉆具(螺桿鉆具或渦輪)驅(qū)動鉆頭側向切削，使鉆出的新導孔偏離原導孔軸線，達到定向造斜或變換方位的目的。為保障導孔順利鉆進，對穩(wěn)定鉆桿翼板進行了補焊，設計了全新的螺旋形穩(wěn)定鉆桿[12]，螺旋形穩(wěn)定鉆桿選用φ89 mm高強度鉆桿。在旋轉過程中，與直翼板鉆桿相比，螺旋形穩(wěn)定鉆桿與導孔井壁之間的接觸面積更加均勻，有助于增強鉆桿系統(tǒng)的穩(wěn)定性，減小導孔的偏斜量。理想的反井施工導孔鉆頭應具有鉆硬巖鉆頭的大多數(shù)特性，以獲得最小的鉆頭移步量和最大的進刀強度，同時，還應具有中等范圍的內(nèi)列切割結構，以便在低鉆壓下獲得最大的鉆進速度。根據(jù)實際工程的技術要求[13]，斜導孔選用φ190 mm的三牙輪鋼齒鉆頭。

鉆具組合結構如圖4所示，可分為4個階段進行分析。1)開孔鉆具組合為φ190 mm牙輪鉆頭+φ159 mm鉆鋌+φ73 mm短鉆桿(長2 m)，鉆壓控制在3～5 kN，轉速控制在30～40 r/min，泥漿循環(huán)泵量為600～800 L/min。2)正常鉆進鉆具組合為φ190 mm牙輪鉆頭+φ159 mm鉆鋌(2～4根)+φ89 mm高強度鉆桿，鉆壓控制在15～35 kN，轉速控制在50～60 r/min，泥漿循環(huán)泵量為990 L/min。3)測斜鉆具組合為φ190 mm牙輪鉆頭+φ159 mm無磁鉆鋌+NC46懸掛短節(jié)+φ89 mm高強度鉆桿+φ73 mm高強度鉆桿。4)定向鉆具組合為φ190 mm牙輪鉆頭+φ165 mm彎螺桿+φ159 mm無磁鉆鋌+NC46懸掛短節(jié)+φ89 mm高強度鉆桿+φ73 mm高強度鉆桿，鉆壓以控制工具面角為主，轉速控制在0～20 r/min，泥漿循環(huán)泵量為990 L/min。

(a) 開孔鉆具組合(b) 正常鉆進鉆具組合合

(c) 測斜鉆具組合(d) 定向鉆進鉆具組合

圖4鉆具組合結構圖

Fig. 4 Structural sketch of drilling tools combination

4 高精度斜導孔軌跡控制技術研究

導孔施工是控制最終成井偏斜率的關鍵工序，直接影響到整個豎井質(zhì)量，如果偏斜過大則不利于擴孔鉆進，嚴重的會造成豎井報廢[14]。該工程采用無線隨鉆測斜儀+螺桿鉆具的軌跡控制方式，無線隨鉆測斜儀將井下參數(shù)進行編碼后，產(chǎn)生脈沖信號驅(qū)動脈沖發(fā)生器內(nèi)的電磁閥動作，限制部分泥漿流入鉆桿，從而產(chǎn)生泥漿正脈沖；地面上采用泥漿壓力傳感器檢測來自井下儀器的泥漿脈沖信息，并傳輸?shù)降孛鏀?shù)據(jù)處理系統(tǒng)(包括主機和計算機)進行處理，井下儀器所測量的井斜角、方位角和工具面數(shù)據(jù)可以顯示在計算機和司鉆顯示器上。無線隨鉆測斜儀工作原理如圖5所示。

圖5 無線隨鉆測斜儀工作原理

采用SMWD-76型無線隨鉆測斜儀對斜導孔鉆孔軌跡進行監(jiān)測，測量精度為：方位±1.0°，孔斜±0.1°，工具面角方位±1.5°，溫度±3 ℃。無線隨鉆測斜儀安裝在無磁鉆鋌中。如果發(fā)現(xiàn)鉆孔軌跡與設計值不相符，提出鉆桿后，在無磁鉆鋌與鉆頭之間加裝彎曲角度為1°～1.25°的短螺桿鉆具，實施鉆孔的糾偏定向鉆進。

如果說無線隨鉆測斜儀是鉆孔的眼睛，螺桿鉆具就是鉆孔軌跡控制的心臟，其選擇是否合適直接影響到鉆孔軌跡的可控性。通過針對不同孔段選擇了不同的螺桿鉆具，經(jīng)現(xiàn)場使用證明，其均很好地滿足了鉆孔軌跡的控制要求[15]。螺桿鉆具基本參數(shù)見表3。

表3 螺桿鉆具基本參數(shù)

研究采用的無線隨鉆測斜、小角度短螺桿和滑動+旋轉的復合鉆進方式可實現(xiàn)斜導孔的高精度連續(xù)定向鉆進。斜導孔的鉆孔偏斜率在0.42%以內(nèi)，全孔最大偏距為0.89 m，斜導孔的綜合鉆進速度保持在15 m/d，鉆孔曲率保持平直光滑，鉆孔孔徑規(guī)則平整，沒有出現(xiàn)極大變化的狗腿角，與斜導孔設計的鉆孔軌跡曲線基本擬合，保證了反井鉆機鉆桿在斜導孔內(nèi)的安裝與下放。鉆孔實際綜合偏斜率變化規(guī)律如圖6所示。

圖6 斜導孔鉆孔綜合偏斜率變化曲線

5 鉆孔泥漿保護技術研究

鉆孔泥漿是鉆進過程中使用的循環(huán)流體，主要功能有： 沖洗井底、攜帶巖屑、平衡地層壓力、冷卻與潤滑鉆頭、穩(wěn)定井壁、獲取地層信息、傳遞功率，其直接關系到鉆井質(zhì)量的優(yōu)劣、鉆井速度的快慢[16]。在斜導孔定向鉆進中，鉆孔泥漿的減摩潤滑、攜帶巖屑、平衡地層壓力、穩(wěn)定井壁的功能尤其重要。

泥漿循環(huán)動力設備采用TBW-1200型泥漿泵，正常排量在10.0～18.7 L/s，滿足現(xiàn)場的施工要求。鉆孔泥漿性能參數(shù)見表4。

1)正常鉆進段要求泥漿密度在1.05～1.10 g/cm3，馬氏漏斗黏度為27 s，含砂量<5%。具體配方是： 淡水+質(zhì)量分數(shù)為5%～10%的膨潤土+質(zhì)量分數(shù)為0.3%～0.5%的純堿；HV-CMC、護壁劑、磺化褐煤樹脂、堵漏劑等添加劑根據(jù)情況適量使用。

2)定向鉆進段泥漿密度控制在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)小于0.1。在鉆進過程，適時地添加質(zhì)量分數(shù)為1%～3%的磺化褐煤樹脂、質(zhì)量分數(shù)為1%～3%的廣譜護壁劑以及潤滑劑等材料，泥皮厚度控制在0.01～0.05 mm，鉆孔泥漿失水量控制在6～10 mL。

表4 鉆孔泥漿性能參數(shù)

鉆孔中巖屑等固相顆粒，在經(jīng)過鉆具與孔壁等反復擠壓研磨后，顆粒度變小，甚至低于15 μm，如果不及時進行處理，大顆粒長期積聚堆積，而微小有害固相顆粒懸浮在鉆孔泥漿中，則會造成密度增大，泥漿循環(huán)阻力增加，泥漿泵配件以及鉆頭的損耗增大。固相質(zhì)量分數(shù)每降低1%，每只鉆頭的進尺數(shù)即可提高7%～10%；在小于1 μm的顆粒中比在大于1 μm的顆粒中機械鉆速降低12倍。因此，結合鉆孔泥漿凈化要求與現(xiàn)場施工實際情況，采取的鉆孔泥漿循環(huán)凈化工藝流程如圖7所示。

圖7 鉆孔泥漿循環(huán)凈化工藝流程

鉆孔斜長為0～300 m處采用鉆孔泥漿保護鉆進，鉆孔內(nèi)巖粉及巖屑通過孔內(nèi)泥漿循環(huán)由孔口排出；300～302 m采用旋轉鉆進，巖粉及巖屑留在孔底，在鉆頭實際鉆穿地層后，巖粉及巖屑由下方排出，如圖8所示。鉆井液中的巖屑等固體顆粒在鉆井過程中將影響鉆井液的性能。通常固相控制方法有3種： 稀釋與替換法、化學處理法、機械消除法。機械消除法是通過合理使用振動篩、除砂器、除泥器、清潔器和離心機等機械設備，利用篩分和強制沉降的原理，將鉆井液中的固相根據(jù)密度和顆粒大小的不同而分離開[17]，其有以下優(yōu)點： 1)能夠較快捷安全地清除掉各種有害、多余固相顆粒； 2)容易控制鉆井液性能，降低維護費用，環(huán)境污染??； 3)設備維護操作簡單，節(jié)省投入費用。研究選用的潤滑減摩鉆孔泥漿配方、三級泥漿凈化工藝能有效地保證鉆孔孔壁的穩(wěn)定，減少斜導孔的內(nèi)摩阻力，保證鉆孔孔壁的穩(wěn)定性。

圖8 斜導孔鉆孔實際漏鉆點

在導孔的鉆進過程中，返渣、返水、鉆機參數(shù)的變化以及鉆進速度的快慢等情況，都能一定程度上反映孔內(nèi)的圍巖情況[18]，如果遇到破碎帶、斷層等薄弱地層，孔內(nèi)常常會出現(xiàn)塌孔、卡鉆、鉆孔泥漿漏失等事故。使用為定向鉆進設計的泥漿作為鉆井液進行施工，可直接通過Ⅲ、Ⅳ類圍巖段，遇到斷層時，若偶發(fā)泥漿嚴重漏失，提鉆灌漿后可恢復定向鉆進。另外，在斜導孔施工時，利用定向鉆機鉆桿進行圍巖的高壓注漿處理，可采用黏土水泥復合漿或雙液漿進行注漿，在擴挖前對巖層進行改良，以減小炮刷時塌孔超挖量。采用合適的注漿技術對薄弱地層進行加固，不但能封堵大部分的漏水裂隙，而且能最大限度地加固孔周圍巖，為隨后進行的導井反鉆提供最大限度的安全保障。

斜導孔鉆透之后，拆除斜導孔鉆機、鉆桿、鉆頭及泥漿循環(huán)系統(tǒng)等，在斜導孔上孔口安裝反井鉆機，下放φ190 mm的反井鉆桿，將擴孔鉆頭運到斜導孔下孔口，安裝上直徑2.25 m的擴孔鉆頭。擴孔鉆頭向上反鉆過程中，破巖滾刀在壓力和轉矩的聯(lián)合作用下，對巖石產(chǎn)生沖擊、擠壓和刮削，使巖石破碎，巖屑靠自重落到下水平平洞，然后用皮帶機或裝載機運走。

6 結論與建議

河北豐寧抽水蓄能電站1#引水系統(tǒng)高壓管道下斜段反井導孔工程，實際施工的鉆孔直徑為190 mm，鉆進長度為302 m，鉆孔綜合偏斜率為0.42%，施工工期為35 d。

通過對大傾角斜井反井法斜導孔鉆進施工技術難題進行研究，得出以下結論：

1)以新型斜導孔專用鉆機為核心，綜合研究了高精度斜導孔軌跡控制技術、定向鉆具組合技術以及鉆孔孔壁泥漿保護技術，研發(fā)出了一套大傾角反井法斜導孔鉆孔定向控制技術。

2)新型大傾角反井法斜導孔鉆孔定向控制技術，在河北豐寧抽水蓄能電站1#引水系統(tǒng)高壓管道下斜段反井導孔工程中成功應用，真正實現(xiàn)了快速、高效、精確地反井法斜導孔鉆孔定向控制。

3)反井法斜導孔鉆孔實際鉆孔直徑為190 mm，鉆孔軌跡平直而圓滑，沒有急速增減的狗腿角，滿足反井法的斜導孔內(nèi)鉆桿下放安裝及向上式擴孔的技術要求。

4)新型大傾角反井法斜導孔鉆孔定向控制技術，可以在破碎、斷層及不穩(wěn)定地層中進行注漿治理，增大了反井法的適用性。

雖然大傾角斜反井導孔定向鉆進技術已成功應用于河北豐寧抽水蓄能電站1#引水系統(tǒng)高壓管道下斜段反井導孔工程，但是，還需在以下方面進一步研究探索：

1)斜導孔內(nèi)使用無線隨鉆儀進行鉆孔軌跡的跟蹤監(jiān)測，特別是定向糾偏鉆進過程中，鉆孔軌跡參數(shù)數(shù)據(jù)總是落后于鉆頭，即鉆頭附近存在一段鉆孔軌跡的監(jiān)測盲區(qū)，雖然利用新型短螺桿把監(jiān)測盲區(qū)范圍縮小到了7 m，但是在實際鉆進過程中會對軌跡精確控制造成不利影響，因此，建議進一步開展近鉆頭定向鉆具研究，縮小監(jiān)測盲區(qū)范圍。

2)斜導孔定向鉆進過程中使用鉆孔泥漿護壁鉆進，不可避免地會產(chǎn)生廢棄泥漿，由于工作地點位于地下平洞內(nèi)，場地狹窄而閉塞，鉆孔廢棄泥漿的清理、儲存及運輸都存在極大的困難，并且對周邊環(huán)境造成了較大的破壞，因此，建議進一步研制出新型綠色無污染的鉆孔泥漿以及小型高效廢棄泥漿不落地成套技術。