反井钻机在导井中的应用

反井钻机在导井中的应用

1压力管道井深计算张湾引水蓄能站位于河北省石家庄市井虞区甘陶河甘棠村附近。电站据石家庄市区的直线距离为53km,公路里程85km;距井陉县城公路里程45km。张河湾抽水蓄能电站装机容量为1000MW,年发电量16.75亿kW·h,年抽水量22.04亿m3,电站综合效率为0.76。电站建成后,以500kV二回出线接入河北南部电网,在电网中担任调峰、填谷、调相及事故备用任务。电站引水系统设计两个压力管道,压力管道竖井分为S1#竖井和S2#竖井,距老爷庙台坪的东南部边沿55～60m,地面高程805～810m。压力管道竖井段井深303.36m,加上施工竖井井深高达365.277m(1#施工竖井深63.903m,2#施工竖井深61.917m。),竖井直径为7.8m,导井施工采用反井钻机,导井直径为1.4m。2类、类围岩施工竖井井口位置地形平缓,地表覆盖有黄土夹碎石,厚2.5～3.0m,基岩为长城系大红峪组石英砂岩和铁质砂岩。岩层倾角平缓。竖井上段高程728.00～619.00m为长英质砂岩(地层代号:Pt2chch),属Ⅲ类围岩;竖井中段上部高程619.00～544.00m为长英质细砂岩和石英粗砂岩(地层代号:Pt2chc2),岩体较稳定属Ⅲ类围岩;竖井中段下部高程544.00～514.00m为底砾岩、页岩(不整合带,地层代号:Pt2chc1),岩石破碎属Ⅳ类围岩;竖井下段高程514.00～436.05.00m为变质安山岩(地层代号:Pt2h21)围岩较稳定,属Ⅲ类围岩。竖井落差大,且穿越不整合接触带,给施工带来很大困难。3下分层注浆法反井钻机是连续钻进导井的机械化设备,其施工工艺是将反井钻机安装在上部浇筑好的混凝土基础上,由上向下钻进小直径导向孔,导孔和下部隧洞贯通后,拆掉导孔钻头,连接扩孔钻头,由下向上扩孔。导孔钻进时破碎下来的岩屑由循环液带出地面,扩孔时破碎下来的岩屑靠自重落到下水平面,由装载机或其它装载设备运出。4反井钻机钻机反井钻机选择主要根据是本次钻孔深度,钻孔直径φ1.4m和岩石以及有关水文地质条件、国内现有设备和以往的施工经验,选择ZYF2.0/400型反井钻机。(1)主要性能技术参数导孔直径:270mm扩孔直径:1.4～2.0m设计钻孔深度:400m钻机最大扭矩:101.5kN·m钻机拉力:3000kN钻机推力:2000kN转速:0～32r/min单根钻杆有效长度/重量:1400mm/295kg钻机功率:辅泵功率18.5kW主泵功率110kW(2)主要辅助设备功率TBW850/50型泥浆泵:90kW冷却水泵:3kW5导孔施工方法5.1水竖井的开挖和开采反井钻机施工布置在明挖后的引水井上口。引水竖井上口明挖完成之后,必须开挖到比较完整的基岩,进行必要找平之后,开挖循环池、沉淀池,以及约8m3的反井钻机基坑。5.2地层厚度分析导孔钻进的过程,也是对地层的勘探过程,反井钻机虽然不是取芯钻进,但根据对钻进过程观测以及返出岩屑的情况,根据以往的经验,可以对地层有初步定性分析和了解,为φ1.4m扩孔钻进、孔壁维护以及最后扩挖到设计直径提供参考。5.3钻机井孔调整由于反井钻施工的导井深度较大,所以都配有蝶形导向钻杆,以使钻孔偏斜控制在0.5%以内。大的钻孔偏斜,对后期的扩挖和对中产生的影响很大,若井的直径较小,就可能飘至井壁以外,需要从井底二次钻爆寻找钻头出露位置,势必会增加额外的工程量和施工难度。另外,由于飘钻距离过大,致使导井不居中,扩井钢丝绳也不能居中,给扩井施工带来不便。一方面给施工人员上下井乘坐吊笼带来安全隐患;另一方面,为保证扩挖直径,导井下扩一侧距离变大,容易产生大石,增加了堵井的可能,为导井扩挖施工增加了额外风险。引水竖井在导井一次人工扩挖时就受到钢丝绳居中的影响,后期通过钢丝绳为中心垂直下扩措施,同时在龙门吊部位增加导向辊轴,保证了施工钢丝绳处于导井中心位置,消除了钢丝绳的居中干扰。防止飘钻,除了在钻机就位时即要保证垂直居中,并要注意在开口钻进时不能加压太大,造成偏离。在钻进过程中更要时刻注意岩石条件变化,及时采取正确措施;在岩层变软和岩性不均时降低压力,减小转速,保证钻孔顺直,避免加压过大发生弯曲和偏离。操作中,保持钻机加压稳定,缓慢加压,消除人为的压力过大或追求进度的高速钻进也是简单易行的必要方法。张河湾抽水蓄能电站反井钻井工程,采用北京中煤新研制的ZFY-2.0/400型反井钻机进行施工,导孔钻进直径φ270mm,终孔直径1.4m,孔深300m,偏斜度要求小于1%。为保证导孔钻设达到预期要求,施工中除采用适时调整钻孔参数外,还将按一定高度直接测设井偏值的方法,以便及时采取相应调整措施。(1)测斜仪的选择JDT-6型陀螺测斜仪是测斜仪中的第三代产品,不仅精度高,而且由于引进了计算机进行地面控制及显示,使操作变的更加简便,对井下情况的反应也更加及时和直观。主要技术参数:(1)倾斜角测量范围和精度测量范围:0°～10°,0°～30°测量精度:≤±5′,≤±15′(2)方位角测量范围及精度测量范围:0°～360°测量精度:≤±4°(3)定向方位角测量范围及精度测量范围:0°～360°测量精度:≤±2.5°(4)陀螺静态漂移率:≤±15°/h(5)井下仪环境温度:-10～+70℃(6)地面仪环境温度:+5～+40℃(7)井下仪最高速度:<1000m/h(8)井下仪外部尺寸:φ48×1400mmDT-6型陀螺测斜仪操作流程:检查线路→开机→定测斜零位→下放仪器→测量→数据存盘→关机→上提仪器(2)测井方案根据井深,拟定测井3次。第1次测斜位置在孔深100m处,选用JDT-6型陀螺测斜仪;第2次测斜位置在孔深200～250m处,选用JDT-6型陀螺测斜仪;第3次测量应在终孔后,用经纬仪测量。为提高测量成果精度,检测是利用测斜仪直接在反井钻机钻杆中测量,测量数据见表1。根据测斜数据绘制的井孔中心曲线如图1所示。上图为原始数据曲线,下图为后期经过计算机拟合后的曲线。可见200m深度的井孔偏斜方向为南偏西8°,偏距为90cm左右。由图中分析知,由于前20m测斜仪井下部分未完全接触钻杆内孔壁而导致误差。从理论上分析,岩层走向及钻头转向导致的孔斜方向与测量结果一致。由于偏差在允许范围内,不影响继续钻进。5.4断层灌浆处理在导孔钻进过程中,应对破碎带、泥岩等地层进行必要的处理,根据钻进过程观察,导孔钻进钻到这些地层时,加大循环量,将断层中泥质部分冲洗较干净后,提钻进行灌浆处理,灌浆时由稀浆逐渐增大稠度,使其达到一定的扩散范围。然后重新钻进到孔,当通过全部影响带后,再将钻具提出,用稀浆进行全孔灌浆,主要是增强地层稳定性和封堵部分地层涌水,然后继续钻进直到和下水平洞贯通。5.5钻头扩孔过程扩孔开孔,当扩孔钻头接好后,慢速上提钻具。直到滚刀开始接触岩石,然后停止上提,用最低转速(5～9rpm)旋转,并慢慢给进、保证钻头滚刀不受过大的冲击而破坏,给进一些停下,等刀齿把凸出的岩石破碎掉,再继续给进。开始扩孔时,下边要有人观察,将情况及时通知操作人员,等钻头全部均匀接触岩石,才能正常扩孔钻进。在扩孔过程中,当岩石硬度较大,可适当增加钻压,反之可以减少钻压。扩孔时,要及时出渣,防止堵孔。扩孔过程,也是拆钻杆的过程,拆下的钻杆要进行必要的清理,上油带好保护帽。当钻头始至距基础2.5m时,要降低钻压慢速钻进,并且要认真观察基础周围是否有异常现象,如果有,要及时采取措施处理。慢慢的扩孔,直至钻头露出地面。出渣采用WA380侧翻装载机,装15t自卸车,弃到要求的弃渣场。5.6孔的扩张完孔后,将扩孔钻头固悬挂,将钻架主机和一些辅助设备拆下。然后将钻头提出孔外,运到井上;再将泵车、油箱等拆装整理、运输。6断层破碎岩裂隙发育张河湾抽水蓄能电站地质条件比较复杂,上下库间地形陡缓相间,最大坡度约75°,平均坡度43°,受一系列北西向冲沟切割成北西向沟梁相间地形,冲沟切割深度30～60m;裂隙发育,断层破碎层多充填破碎岩、岩屑以及断层泥或糜棱岩,胶结差。由于压力管道竖井采用反井钻机法施工,导孔施工产生的岩屑依靠循环液由上部反出,这样,在常规使用清水钻进时水不可避免的会渗入到周围岩层,随着时间的增长岩层中的充填物就会水解、剥离,进入地层的水量也会增加,而且岩层具有节理,吸水后岩层极易滑移,影响围岩的稳定性。尤其压力管道上部该层岩体处于强卸荷带,长期浸水不但对压力管道本身安全产生影响,渗水进入上库库盆还将对上库施工造成严重影响。为此应采取了相应的措施,严格控制导孔施工时渗入地层的水量。6.1化学增强预处理泥浆是钻井的血液,泥浆工艺技术是钻井工程的重要组成部分,随着钻井难度的逐渐增大,泥浆在确保安全、优质、快速钻井中起着越来越重要的作用(图2)。其主要为:(1)降低失水量;(2)临时护壁和平衡地层压力;(3)携带和悬浮岩屑;(4)冷却和润滑钻头。通过使用化学泥浆可有效控制渗入地层中的水量,泥浆的作用及防渗机理如下:聚合物在泥浆中主要起增加泥浆黏度、降低失水量的作用。泥浆中的聚合物水化后的吸附基团能吸附在黏土上,而水化基团通过水化使泥浆中的自由水减少,滤液黏度增大,多个黏土细颗粒会同时吸附在聚合物的一条分子链上,形成布满整个体系的混合网状结构,避免土粒接触,从而提高了泥浆的聚结稳定性,提高了泥浆的携岩能力。黏土水化时吸收大量的自由水,大大减少了泥浆中自由水的含量,这样泥浆中的自由水就很少了,同时配制好的泥浆具有一定的黏度、切力和小的失水量,这样在孔壁的周围形成致密、薄而韧的泥饼,而泥饼的渗透性一般远远小于岩层的渗透性,只有极少量的水能通过泥饼,从而有效控制了渗入地层中的水量。6.2失水量及用量泥浆用特制土和水配制而成,另外加入聚合物型增黏降失水剂。配制泥浆密度至1.2左右。控制泥浆的失水量在10mL左右,并使其具有一定的切力。配制方法及所用材料的用量见表2。泥浆在使用过程中可能会受到污染,性能发生变化,则需要及时补充新浆或换浆,以达到所需的泥浆参数。为使用泥浆做洗井液,需要配备W800/50泥浆泵1台、配件若干;1.5m3泥浆搅拌机1台。6.3钻井微胶囊及采空维护若遇到溶槽、溶洞等易发生漏浆的地层,应根据具体情况,积极采用措施处理。钻井泥浆漏失主要有渗透性漏失、裂缝性漏失和溶洞漏失3种。渗透性漏失一般漏失量较小,漏速慢,看到的现象只是泥浆池液面逐渐下降。裂缝性漏失的漏失速度由每小时几方至几百方,视裂缝的大小而定。溶洞漏失一般出现在石灰岩、白云岩地层,钻遇这种溶洞有跳钻、钻具放空等现象,接着就是循环失灵,泥浆大量漏失且漏速很大。(1)钻井泥浆漏失预防钻井泥浆漏失的危害很大,首先要做好预防工作,制定合理的措施防止钻井泥浆漏失;使用低比重、低黏度、低切力泥浆。控制井内液柱压力,保证在不喷不漏的情况下钻进;减小压力激动,避免造成人为裂缝漏失,开泵要慢,注意泵压表低排量循环,一直到泥浆返出井口认为确无漏失时,再逐渐增加排量,开泵前先旋转钻具,下钻的末尾,速度要慢;在容易漏失的地层,可以考虑配较稠的新浆钻井,待钻过该层时再改用低黏度、低切力的泥浆;备足泥浆量,钻穿漏失层前,地面要储备足够的泥浆量,以备处理漏失用。若泥浆储备量不足而由其他地方不能及时供应时,必须起钻至漏失层以上,以防卡钻及其他事故的发生。(2)钻井泥浆漏失处理首先应根据漏速大小、井内液面高度、漏层位置和岩性等项资料综合分析,确定漏失的类型和特点,然后针对情况进行处理。起钻静止。当钻至漏失不太严重的地层时,可将钻头提至安全的井段,静止一段时间,待其形成泥饼后堵塞了漏失孔隙,再下钻至井底,若不漏则可继续钻进。提高泥浆的黏度、切力,加入纤维类物质。若地层漏失用起钻静止法不能奏效时,可在泥浆中加入Na-CMC、黏土、石灰、栲胶等处理剂提高泥浆的黏度和切力,并且同时加入锯末、稻草、麦秸等堵漏材料。但黏度、切力不宜提高过多,若过大则钻屑不易沉除,泥浆密度反而有所提高,造成井内泥浆液柱压力增加而促使了钻井泥浆漏失。快速钻穿漏失层。在有大量泥浆补充的情况下,可以采取边漏边钻的方法,强行钻穿漏失层。用此法时严禁在强行穿漏的过程中停止循环或泥浆量不足,否则会出现复杂情况甚至引起坍塌卡钻。另外,还可以降低泥浆密度,并降低泥浆的排量和泵压,以减少泥浆对井壁的冲刷作用。边漏边钻堵漏法。如有充足的泥浆可使用高钻压、高转速、大排量有进无出的强行钻进,使大量岩屑随液流进入裂缝,封堵漏层。若井口返出了泥浆,并且排量逐渐增大时,可将泥浆循环换成清水,逐渐恢复循环和正常钻进。使用此法时要切实注意操作工艺,要环环紧扣,严防卡钻。石灰乳泥浆堵漏法。若强行钻穿、提高黏度、切力、降低排量、加堵漏材料等方法无效时,则应配制堵漏剂进行堵漏。石灰乳即是其中之一。它的配方是:以石灰乳(密度1.35～1.40)和新配膨润