技术研究
[摘要]引水斜井定向钻机施工采用定向钻机进行φ216mm先导孔钻孔，在上斜井下弯段换接φ295mm扩孔钻头，反拉形成φ295mm的导孔，以满足反井钻机施工需要。
[关键词]抽水蓄能电站；引水斜井；高精度导井；施工技术 1工程概况
浙江宁海抽水蓄能电站引水上斜井开挖断面尺寸为5.0×7.55m（底×高），呈马蹄洞型，斜井直线段长约321m，斜井角度为50°，斜井导井长度约340m。
2工程地质
洞段岩性复杂，上斜井上段围岩为微风化流纹（斑）岩，下段围岩为九里坪组新鲜流纹质角砾熔结凝灰岩、球泡流纹岩。围岩类别Ⅱ～Ⅲ类，断层破碎带Ⅳ类，成洞条件好，围岩基本稳定，局部稳定性差，地应力属中等偏低区，发生岩爆可能性小。
3施工总体方案 1.
为确保导井轴线成孔精度，采用定向钻机施工高精度先导孔+反井钻施工导井的方法，即先采用定向钻机进行φ216mm先导孔钻孔，拆除φ216mm三牙轮钻头及配套测斜纠偏设备，在上斜井下弯段换接φ295mm扩孔钻头，反拉形成φ295mm的导孔，以满足反井钻机施工需要。
2.
导孔钻透后，拆除定向钻机及辅助设备，安装反井钻机及其辅助设备，由反井钻机进行φ2.4m导孔扫孔。
3.
考虑到后期溜渣方便，先导孔中心位置定在距斜井底板开挖轮廓线2.2m处。这样可以大大减少扩挖施工期人工扒渣量，导井上部的大多数爆渣都可以从导井落下，只需要人工清理导井下部的残渣，大大缩短循环时间，对整个斜井的工期有较大利好。4施工方法及工艺
4.1施工工艺方法及说明
引水上斜井上弯段技术性超挖完成后，在扩挖位置布置钻机作业平台及泥浆泵、电机、中控室等钻机辅助设施。先由定向钻机自上而下施工φ216mm先导孔，先导孔施工剩余80m左右须完成斜井下弯段磁导向安装，透孔后，在下弯段安装刷孔钻头，自下而上刷孔形成φ295mm导孔，随后拆除定向钻机、安装反井钻机，再由反井钻机进行导孔扫孔，扫孔完成后安装反扩刀盘，再自下而上反拉形成φ2.4m导井。
4.2扩孔方案选择 4.2.1定向钻机选型
本工程斜井导井倾角为50°，施工长度达到340m，偏斜率要求较高，扩孔直径为2.4m，属于大直径反井施工，既要选择高精度定向斜井钻机，又要选择拉力与扭矩相匹配的大型反井钻机。
4.2.2大直径斜井导井扩孔反井钻机选型
本工程岩石抗压强度取最大值151.3MPa，钻机施工长度344m、钻孔直径2.4m，选择ZFY3.5/150/500型反井钻机，进行钻机拉力和扭矩验算：
提升力=100kN（动力头及油缸缸套重量）sin50°+100kN（扩孔钻头重量）sin50°+344m×2.8kN/msin50°+1680kN（钻压）+μ(摩擦系数)（100kN+100kN+344m×2.8kN/m）cos50°=2571.1+μ744.7kN。
凝灰岩与金属在有水湿润情况下的摩擦系数通常取0.46～0.53，提升力计算结果为2913.7～2965.8kN。ZFY3.5/150/500反井钻机最大拉力为3800kN左右，满足工程要求。
本工程选用的ZFY3.5/150/500反井钻机，用于引水系统斜井施工，在中硬岩中扩孔速度约10m/d，成井速度快，施工安全性好，应用较为广泛。其工作原理为：电机带动液压马达，利用液压动力将扭矩传递给钻具系统，带动钻具旋转，并向上提升，采用楔齿盘形滚刀破岩，滚刀在钻压的作用下沿井底滚动，从而对岩石产生冲击，挤压和剪切作用，使其破碎。
定向钻机及反井钻机共用基础平台，距钻机基础左侧布置钻机主副泵、油箱、控制室，钻机基础离井口中心约8m的位置布置泥浆池、泥浆泵，泥浆池容积不小于10m³，清水池不小于4m³。材料码放整齐，钻杆高度码放不高于1.5m，做好加固措施，设置安全警示标识。
4.3定向钻导孔刷孔施工
4.3.1φ216mm高精度定向导孔施工
定向孔施工即采用定向钻具组合进行钻进。在钻进过程中使用测斜仪对钻进轨迹进行连续监测，发现偏斜，随即进行定向钻头纠偏作业，从而使整个钻井的轨迹受控。
1.
定向孔钻进轨迹设计
根据开孔点及透孔点大地测量坐标，设计高精度导孔钻进轨迹及钻进过程中的允许偏斜狗腿度。
1.
根据开孔点、透孔点坐标计算所得钻孔方位角误差不得大于0.2°，磁偏角误差不大于0.2°；
2.
狗腿度允许值小于4°/30m。 1.
测量仪器选择
主仪器为无线随钻测斜仪，辅助仪器为磁导向仪。 1.
无线随钻测斜仪
无线随钻测斜仪中，采用对三轴重力和三轴磁力线进行探测的传感器，通过这些传感器测得的数值，由内置计算机进行编码，经脉冲发生器通过泥浆脉动传递至地面，地面计算机解码数据后，再综合钻井深度参数，可试出整条井的钻井轨迹。
1. 磁导向仪
主要用于修正随钻测斜仪累积误差。 1.
纠偏钻具选择
螺杆钻具为一种井下动力钻具。它可在钻杆不旋转的情况下，由高压泥浆驱动钻头旋转。通常选择具有一定弯曲角度的螺杆，从而可以进行滑动钻进，即使孔“转弯”，选择弯度1.25°的螺杆钻具。
1.
其他钻具选择
钻孔直径设计为216mm，最终成孔直径为295mm。钻杆满足纠偏和扩孔需要，最终选择普通钻杆直径为127mm，钻铤直径为168mm，扶正器直径为212mm。
1.
钻进方式
设计定向孔钻孔全程采用复合钻进的方式。钻具组合为定向钻进、复合钻进钻具组合。在正常钻进时，钻机和螺杆钻具同时旋转，提供较高的转速进行钻进；在无线随钻测斜仪测定出偏斜的情况下，调整至滑动钻进，从而对钻井轨迹进行控制，以使孔偏斜降低。
1. 纠偏技术
在无线随钻测斜仪测量参数指导下，通过定向螺杆钻具对钻孔轨迹进行定向控制。每钻进一单根钻具测斜一次。孔斜超偏时，加密测点，并制定定向纠偏设计。
根据制定的纠偏设计利用弯螺杆造斜角度进行反向钻进实现纠偏，以及随钻测斜仪进行测量，保证整个长斜钻孔的实现。如偏斜角大于设计数值，可减少定向长度，进行复合钻进。
1.
高精度定向孔测斜定向方案 1. 开孔阶段
开孔长度为25～30m，开孔阶段测斜主要验证开孔方位角、磁偏角等参数的准确性，主要采用陀螺测斜仪等仪器。
1.
正常钻进过程测斜
正常钻进长度为开孔之后，距离透孔点80m之前。 1.
透孔钻进过程测斜
透孔钻进长度为80m。钻进至离透孔点80m时，安装磁导向仪，根据磁导向仪显示数据，修正正常钻进过程中的累积测量误差。
4.3.2φ216mm高精度定向导孔施工过程控制 1. 开钻前准备 1.
开孔前要将钻机进行认真找正，使钻孔中心和动力头主轴中心重合，确保开孔垂直度。
2.
开孔前钻井泥浆制备完成，并使泥浆充分循环。 1. 开孔
开孔是保证钻孔直线及角度的关键，为确保开孔的角度，在开钻前要预留孔槽，开孔钻进过程中以轻压、慢转、大泵量为宜。一般控制在转数不大于40r/min，钻压不大于500kg，泵量600～1200L/min之间。
1. 钻进成孔
定向钻成孔过程中，使用钻机和井下动力钻具（螺杆）产生旋转动力，其工作方式主要有以下两种：
1.
复合钻进。即钻机和螺杆同时旋转的工作方式，钻头旋转速度为二者之和。这种钻进方式为主要的钻进方式，在不需要进行纠偏时使用。
2.
定向钻进。螺杆钻具由泥浆推动旋转，钻机旋转至一定角度后锁定旋转。由于螺杆有弯角，导孔将沿弯角指向，进行定向钻进。这种工作方式在需要纠偏时使用，以使导孔沿着需要的方向进行钻进。
无线随钻测斜仪在定向钻的工作全过程中，均安装于螺杆钻具后的无磁钻铤内。定向钻进的全过程中，如需要测斜，只需对无线随钻测斜仪发送开始测斜信号即可，测试时间只需不到2分钟，故在钻进过程中无需起下钻等费时的操作，就可快速完成测斜，并根据测斜的结果来判断是否需要进行定向钻进。通常在每钻进3米时，进行一次偏斜测定，以确保偏斜得到控制。
5.结束语
本工程长斜井导井施工技术总结了国内其他电站施工的成功经验，并结合电站自身特点进行的，在施工中同样存在许多困难和教训，但进度、质量、安全总体受控，对国内其他类似斜井施工具有非常实际的参考意义。
参考文献： 1.
吕永航，方志勇.抽水能电站施工技术[M].北京：中国水利水电出版社，2014.
[2]刘忠华，禚伟.超长斜井钻孔设备选型及施工工艺研究[J].工程技术研究，2017（10）：65-67
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