某水电站天井钻机导孔偏斜控制技术

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发布时间：2011-03-01 08:01:54  更新时间：2011-03-01 08:12:53

某水电站天井钻机导孔偏斜控制技术
孙勇
（中铁十四局集团有限公司 山东 济南 250014）
摘要：某水电站B5标高压水道采用天井钻机施工导井，然后再扩挖成井的方法施工。天井钻机导向孔钻进施工中，应用偏斜控制技术，取得了进度快、质量好的效果，为扩孔钻进和随后的扩挖施工创造了良好的条件，同时也为天井钻井施工提供了经验。
关键词：天井钻机；导井；偏斜控制；高压水道

1 工程概况和施工方案
某水电站为一闸坝引水式水电站，装机90MW（3×30MW），属Ⅲ等中型工程，主要建筑物为3级建筑物，次要建筑物为4级建筑物，临时建筑物为5级建筑物。电站由枢纽、引水发电隧洞、调压井、高压水道及地下厂房等建筑物组成。高压水道包括上平段、上弯段、竖井段、下弯段、下平段和岔管段。其中竖井段高254.35m,采用天井钻机施工，导井所穿岩层以页岩、风化岩、石英沙岩等为主，有两处断层，钻孔时易出现偏斜。为了充分利用现有生产系统，导井采用天井钻机施工，然后再刷大成井的施工方法。
2 施工准备工作
2.1 天井钻机选型
根据本次钻孔深度、直径，地质及水文地质条件，国内现有设备和以往施工经验，选用AT2000型天井钻机。该钻机由湖南有色重型机械有限责任公司生产，基本性能参数见表1。
表1 AT2000 型天井钻机主要技术参数
名 称 单 位 参 数
导孔直径 mm 280（Ⅱ型）
扩孔直径 mm 2000
钻井深度 m 400
主机外形尺寸 mm 3020*1420*2000
主机重量 T 12
泵站额定压力 MPa 副泵：28 主泵：25
泵站额定流量 L/min 副泵：40L/min 主泵：320L/min
泵站外形尺寸 mm 2600*1300*1600
操作台外形尺寸 mm 800*600*1080

2.2 钻机基础
根据天井钻机施工要求，先将长宽各为4m高为70cm的方形土挖除，浇灌70cm的混凝土；在主机下面铺设钢轨，钢轨和主机间垫上枕木，主机后方用卡轨器固定在钢轨上。该井施工深度为254.35m，导孔直径280mm，扩孔直径2m。
为保证导孔钻进精度，必须把天井钻机安装在混凝土基础上。基础必须保证水平，2个预留孔位置必须准确、对称，混凝土强度等级不小于C25。基础底部要清理干净，不得有杂物、浮渣等。
2.3 辅助系统建立
天井钻机施工需要建立循环系统，包括容积不小于8 的循环池、循环沟槽、沉渣池等。同时要求供电负荷不小于150kVA，供水量不小于15 /h，并要在施工现场建立照明系统。
3 天井钻机安装调试
3.1 主机、泵站、操作台及水泵就位
根据施工现场环境，合理布置主机、泵站、操作台和水泵。操作台应布置在操作手视线较好的地方，能够看到夹钻杆和各个工作流程，以便操作钻机。泵站不能离主机和操作台太远，以免造成油管长度不够。水泵要靠近循环液蓄水池布置。
3.2 组装
钻机运到井位后，按设备布置顺序，将主机推到孔位中点处。根据钻机中心与行走机构轴距中心之间距，定好钻机位置，对正孔位中点处，将卡轨器固定在轨道上。
将泵站与操作台，主机油管连接好，油管组装前一定要用清洁柴油清洗干净，避免进入污物，损坏液压油管。然后接通电源，启动油泵，用斜撑缸竖起主机。
调节螺旋千斤顶，固定主机，用上顶油缸顶住顶部，装好机械手，接好风、水、管,注意立机时,需有专人负责指挥,确保安全,钻机立起或放倒前应减小节流阀开口,使钻机慢慢起落.
3.3 天井钻机定位操作
(1)钻机运到井位后,将各部件按工作顺序排列好。固定主机，装上卡轨器，将机架用斜撑油缸慢慢竖起。此高压水道是竖直井，将机架竖直，到位，校正水平，检查机架中心是否对准孔位中点处，无误后用上顶油缸顶牢机架。
(2)调整钻机方位和垂直度。先用斜撑杆将钻机顶起(目测前后方向与地面大致垂直即可)，然后调整钻机左右方向，要求与地面严格垂直。一般采用线垂测量法，即在钻架左右两边各悬挂2m长的线垂，通过在底板下方垫斜铁等办法来调整钻机垂直度，允许偏差0.2%。
(3)利用靴板固定钻机。靴板安装在天井钻机钻架底部侧面，装上地脚螺栓后，进行二次浇筑，将底板固定在基础上。导孔钻进中，要定期测量钻机倾斜角；若有变化，可调节斜拉杆校正。除此之外，不允许再动钻机，直至天井钻进施工结束。
3.4 天井钻机调试
钻机安装好后，全面检查主机安装得是否牢固，各部件的动作是否准确，液压系统是否漏油，风力系统的压力流量是否合适，电气系统是否正常，所需钻杆垫圈，机油是否备齐，一切正常后在启动主机，空载运装3分钟，确认一切无误后方可开钻。
4 导孔钻进操作
天井钻机钻进操作：先由上向下钻直径280MM的导向孔，直到和下湾段巷道贯通；然后卸下钻头和短钻杆，安上扩孔刀盘进行反钻扩孔。导向孔钻进时产生的岩渣，由高压循环水带到地面。扩孔钻进中产生的岩渣，靠自重落到下部巷道中，由装载机和出渣车运出。
导向孔钻进过程也是对地层的勘探过程。天井钻机虽然不是取心钻进；但根据对钻进过程和排出岩屑的观测分析及以往经验，可以对地层情况有个初步了解，从而可为扩孔钻进、孔壁维护及衬砌方案的制定提供参考依据。
导向孔钻进是天井钻井施工中的最为关键的一个环节，其偏斜率直接关系到钻孔质量，甚至天井施工的成败。导向孔钻进成功通常意味着天井钻进成功了8O％ ，剩下的扩孔钻进只是时间问题，因此必须予以高度重视。
4.1 开孔
开孔的质量不仅对钻进偏斜率有直接影响，而且孔口毁坏后还影响顺利排渣，从而影响效率和钻具寿命。一般情况下，第一根使用短钻杆，短钻杆的结构与钻杆结构基本相同，但长度较短，他的用途主要是连接牙轮钻头和钻杆；其次是用短钻杆开孔，由于长度短，刚性好，稳定性高，所以开孔开的较正，也是确保钻进偏斜率的一个重要环节。
4.2 钻进
天井钻机钻进导向孔的钻具组合包括钻杆和牙轮钻头。一般情况下，导向孔正常钻进速度高于开孔钻进速度，并应将动力头出轴转速调整为高速。钻进时应注意合理调整钻压和转速和及时清理完全排除岩渣。如果钻孔内返水量极少，甚至不返水，说明遇到了断层、裂隙或溶洞等地质构造，此时应进行灌浆处理。灌浆操作方法：提出钻杆，将水泥浆沿孔壁倒人，直到灌满钻孔为止。待水泥浆凝固后，方可重新开钻。另外钻进中遇破碎带或者孔壁塌落，虽然孔内不漏水，但钻具旋转困难，且不进尺时，也应进行灌浆处理。灌浆操作方法：先提出钻杆，尽量抽干孔内存水，然后将水泥浆灌入孔内，直到灌满钻孔为止。待水泥浆凝固后，方可重新开钻。
5 产生偏斜的原因
天井钻机施工产生钻孔偏斜的原因很多，除了钻井操作人员的技术水平、操作方法、钻井设备的性能等主观和人为因素以外，钻孔时产生偏斜的客观原因主要有钻头荷载与钻杆作用、岩层特性和钻头移步、施工方法不当等方法。
5.1 钻杆轴向荷载造成的偏斜
在垂直的导向孔钻进中，钻孔开孔时钻杆不会弯曲，因此不会出现因钻压引起的钻头偏转，但随着钻井深度的增加，钻压的增大，钻杆就会逐渐弯曲，由弯曲的钻杆产生的非垂直荷载导致了钻进方向角度的变化，致使钻具的下面偏离钻孔的预定路线。
作用于斜孔的钻具载荷可分为垂直分力和水平分力。垂直分力使钻头沿倾斜方向向下钻进；而水平分力使钻头沿倾斜方向向上钻进。由于钻杆的直径比导孔直径小，在斜孔中，钻杆的重量将使钻杆朝着导孔低侧方向垂落。在给钻杆施加轴向载荷时，作用于钻杆上的推进力会使钻杆产生一定程度的弯曲，弯曲的钻杆顺着垂落的方向移动，而稳定器起支点作用，其结果使钻头沿倾斜上部钻进。
5.2 岩层对钻头的反作用造成的偏斜
在无层理、节理或断层的坚硬而均质岩层中钻凿导孔时。因岩层反作用力造成导孔偏斜的情况很少，其偏斜量也极小。钻头钻进的方向在很大程度上取决于钻头与硬度变化的岩石表面相遇时的角度，如果角度小，由于钻头受到岩石表面对钻头的水平分力较大，因而钻头一般朝着与变化的岩石平面平行的方向钻进；如果角度大，由于钻杆受到偏心载荷，使得钻杆朝着受力较大的一侧弯曲，因而钻孔的偏斜将趋向与变化的岩石平面成垂直的方向钻进。
5.3 钻头移步对钻孔偏斜的影响
钻头移步是指三牙轮钻头的旋转不围绕钻孔中心旋转。钻头移步将造成钻孔不是圆形和钻孔直径加大，引起钻孔偏斜。一般来说，软岩中钻进比硬岩中钻进移步量大，至于钻头是沿顺时针方向还是逆时针方向移步，至今尚无完善的理论可依。调整钻头的旋转方向，可以部分解决钻头移步带来的偏斜变化问题。但天井钻机由于受钻杆连接方式的影响，只能单方向旋转，所以钻头移步对钻孔偏斜还是有较大影响的。
5.4 施工工艺对偏斜的影响
(1)钻机定位不稳定造成钻孔偏斜。在施工前，钻机一定要牢牢地固定在混凝土基础上，以承受因钻进产生的推拉力和扭矩，否则施工中会出现钻机机身摇动，严重影响钻机的定位和稳定，从而使钻机移位和钻孔偏斜。
(2)开孔控制不当造成孔位偏斜，从而无法保证钻孔的精度。
(3)钻机压力和钻进速度控制不当造成钻孔偏斜。当钻机轴向压力过小、钻进速度控制过慢时，受钻具重量影响钻孔方向可能出现向下偏斜，而一旦出现向下的偏斜后，在钻具重量和施加压力共同作用下使向下的偏斜加大。
6 防止偏斜的措施
以上几种产生钻孔偏斜的原因，第一种可采取在施工时每间隔一段放置一根稳定器(稳定钻杆)的方法加以消除或减少，根据钻井深度和钻杆的刚度不同，施工中一般每10~20M应放置一根稳定杆。第二种原因主要是由于施工地质条件而产生，施工中往往由于地质资料的不完全或不准确，很难对岩石交变点及角度和方向进行预测，一般只能根据施工人员的目测和经验进行控制，具有很大的滞后性和不准确性，所以该原因也是天井施工产生孔位偏斜的主要原因，该研究的目的就是在于找出一种能够及时测量出因岩石交变，可能产生钻孔偏斜的因素并加以合理控制。第三种产生钻孔偏斜的原因由于不确定性，很难加以控制。最好在安装钻机时，要保证钻机垂直度达到要求(一般控制在1‰ 以内)。第四种原因，可以通过合理制定施工工艺，开孔前将钻机安装牢固，开孔时加上开孔导向装置，并在施工时合理控制钻机压力和钻进速度来防止钻机产生钻孔偏斜。为了有效地防止天井施工中产生孔位偏斜现象，一般可采取以下预防措施。
6.1 合理选择推进压力和回转压力
开孔钻进时，转速要低，推进压力要小。在普通旋转钻进作业中，推进压力和转速需要搭配合适，以获得最佳的钻进速度。对于天井作业，钻硬岩时，推进压力的变化常常比转速变化更加敏感。为了提高钻孔精度，应采用最佳钻进速度的低钻压钻进。在钻进导向孔时，保持恒定的钻进速度是控制偏斜最常用的方法。选择转速一般采用钻头制造厂产品样本中的推荐值。钻压与转速的调整一般是通过试验获得，也可通过计算获得。无论采用哪种确定钻压和转速的方法都必须注意一个重要的问题，即随着钻压的增加转速一般应减少；反之，钻压减小时转速增加。
6.2 正确使用稳定杆
稳定杆是避免钻孔偏斜最有效的工具。同时要根据钻孔深度进行稳定钻杆的合理组合，并根据具体情况及时进行调整。稳定杆一般被设计为六棱，以便在钻孔底部形成一段刚性的与孔壁多处接触的钻具组。稳定器的抗斜效果与稳定段的直径和长度有密切联系。如果稳定器直径小于导孔直径，钻头在孔内将发生轻微的晃动，这种晃动将造成孔径超大。超大的孔径使稳定器与孔壁的间距加大，直至使稳定器完全失效，而稳定器直径过大会增大钻进摩擦阻力。钻具的刚性越大，长度越长，则抑制稳定段上部的钻杆弯曲或垂弛的效果越好。施工中还应注意稳定器的放置密度，通常来讲，放置的密度越大，钻具的相对刚性越好，但密度太大会影响钻孔时的排渣性能。
6.3 清晰了解岩层特性
了解岩层特性，有助于确定最合适的钻头。岩层的第一特性为岩石硬度，一般从极软岩到极硬岩分7个等级。其次，岩石弹性，虽然这一特性对钻进特性曲线非常重要，但目前尚无定量测定岩石弹性的装置。显然，岩石的塑性越大，越需要更大刨削和刮削力来钻凿；反之，脆性岩石，则最好采用凿削和挤压的方式。第三特性是岩石的磨蚀性，它也是一种无测量单位的岩石特性。在制订导孔钻进工艺时，应考虑所钻岩层的特性，收集掌握所钻地区的详细地勘资料及附近施工的地质资料都有助于钻井工艺施的正确制定，避免发生意外。在影响钻进操作的诸因素中，岩层特性是唯一不可控制的因素，钻孔时尤其格外重视。另外要根据岩石状况和返渣、返水情况控制钻进速度：岩石破碎时，快速通过；岩石较硬时，减缓进尺速度。
7 发生偏斜时偏斜的测量与纠偏措施
采用天井钻机施工导向孔,每钻进50m,必须停钻进行测斜,以了解偏斜情况。如钻孔偏斜角度大于2%，则认定为严重偏斜，必须停钻纠偏；如偏斜不严重，则在150m左右进行纠偏，然后继续进行钻进，同时必须坚持每50m 进行1次测斜，以防出现偏斜异常情况。
当天井施工发现孔位偏斜时，应当及时对偏斜量进行测量并采取纠偏处理，这是天井深孔施工保证钻孔偏斜率达到施工要求的保证。根据钻孔深度、岩层地质条件和对钻孔精度要求，可选用钟表测斜仪、磁性测斜仪和陀螺测斜仪进行测井。
如果发现井孔超偏，必须停止钻进，对钻孔进行纠偏处理。钻孔纠偏的方法很多，选用哪种方法应视钻孔的具体情况而定。
如果钻孔偏斜程度和方向非常有规律，有时可采取偏置钻机的方法来纠正预计的偏斜。移动钻机的距离和方向可根据本地的施工经验而定。在钻进中，如遇到岩层向更硬岩层过渡，同时降低钻压和转速有助于钻头以直线的方式钻进坚硬岩层，避免出现偏斜转折点。当稳定器进入新岩层后，即可恢复原来的钻压和转速。
如果在钻进中发生不规则或意外的偏斜，可采用钻具组和变化钻压的方法纠偏；也可以利用潜孔马达和一个弯接头纠偏；还可以采用充填偏斜孔、重新钻孔的方法解决孔斜。充填钻孔指用水泥砂浆将变向点至孔底一段进行充填，并使之凝固。
8 扩孔钻进
导孔钻透后，用手拉葫芦卸掉牙轮钻头和短钻杆。将扩孔刀盘运至天井下部，将刀盘和钻杆用手拉葫芦连接起来。通过电话或其他信息（敲击钻杆等）与上部操作者联系，上提钻杆，安装好后，由下向上扩孔。连接上扩孔钻头(提前运到风井下口)，由下向上扩孔。扩孔过程中，要注意观察落下的岩屑，了解岩层变化情况。
9 结 语
随着天井钻机设备和科技的不断发展，天井钻井法在煤炭、冶金等地下采矿工程领域得到了广泛应用。天井钻井施工技术关键是导向孔钻进精度控制。在三道弯水电站B5标高压水道导孔钻进施工中，由于使用了偏斜控制技术，提高了导向孔精度，取得了进度快、质量好的效果，为扩孔钻进和随后的浇灌衬砌施工创造了良好的条件，同时也为天井钻井施工提供了经验。
参考文献：
（1）杜建国．天井钻机在斜井导井开挖中的应用(J)．中国水利,2005（10）
（2）何孝森．天井钻机钻进中井斜的原因分析与防止(J).矿业研究与开发,1998（12）
（3）AT2000天井钻机安全操作及维修手册．湖南有色重型机械有限责任公司
（4）刘志强．天井钻机技术装备及发展(J)．煤炭科学技术,2001（4）