2020抽水蓄能电站斜井导井定向钻机及反井钻机施工技术导则条文版

抽水蓄能电站斜井导井定向钻机及反井钻机施工技术导则Q/GDW4610045—2020序号条目条文详细内容1范围本标准规定了国网新源控股有限公司所属抽水蓄能电站工程建设中采用定向钻机和反井钻机施工斜井导井的术语和定义、工程准备、施工技术条件、钻井过程及安全控制、工程质量及验收。

本标准适用于国网新源控股有限公司所属抽水蓄能电站工程建设中采用定向钻机和反井钻机进行斜井施工作业的过程管控。本标准中使用的定向钻机和反井钻机施工斜井导井技术，适用于长度300m级斜井导井开挖施工，其他斜井和竖井导井可参照执行。2规范性引用文件下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，仅所注日期的版本适用于本文件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。

GB50021岩土工程勘察规范

DL/T5099水工建筑物地下开挖工程施工技术规范

DL/T5407-2019水电水利工程竖井斜井施工规范

DL/T5173水电水利工程施工测量规范

AQ2004地质勘探安全规程

DZ/T0054定向钻探技术规程

DL/T5701水电水利工程施工机械安全操作规程反井钻机3术语和定义下列术语和定义适用于本文件。3.1定向钻机采用无线随钻测斜、螺杆钻具纠偏等技术与设备，实现钻孔轨迹可控、按预定方位造斜的旋转式钻机。3.2反井钻机以正向钻出导孔后反向扩孔方式进行作业的旋转式钻机。3.3钻具导孔钻头、扩孔钻头、钻杆的机构统称。3.4井斜角钻孔轴线上某点的切线与铅垂线的夹角。3.5方位角钻孔轴线在水平面上的投影或钻孔轴线在给定点上的切线在水平面上的投影与正北方向之间的夹角。3.6工具面角工具面与基准线之间的夹角，以重力高边为基准线则为重力工具面角，在水平面以磁北方向线为基准线则为磁北工具面角。3.7磁偏角磁场强度矢量的水平投影（磁北）与正北（真北）方向之间的夹角，亦即磁子午线与地理子午线之间的夹角。东偏为正，西偏为负。3.8随钻测量采用测斜技术利用测量仪器实时监测近钻头孔底的钻孔参数、钻具姿态等信息，得到钻孔实钻轨迹，并将信息即刻传送到地表的过程。3.9导孔采用定向钻机按设计的斜井轴向轨迹钻进形成的首次小直径钻孔。3.10扩孔采用反井钻机沿导孔正向扩大钻进形成的钻孔。3.11导井采用反井钻机扩孔钻头沿扩孔反向钻进，将井径扩大形成的扩挖溜渣通道。根据钻具不同，导井直径一般为2.0m、2.2m和2.5m。4施工准备4.1工程地质条件钻井前应按照GB50021进行岩土工程勘察，掌握斜井穿过的工程区域地质基本情况，包括但不限于以下情况：

a）岩体名称、岩性、成分、岩石强度及硬度、岩石结构、起止深度。

b）岩层走向、倾向、倾角及主裂隙方向。

c）该区域地质构造、断层、破碎带、构造断裂、溶蚀、风化程度、发育特征及充填情况。

d）水文地质条件。

e）相邻洞室空间位置、概况。

f）有害气体和放射性元素的分布情况。

g）拟定的钻头钻进轨迹区域是否残留地质勘察时期的金属物。4.2钻机及辅助设备选择4.2.1定向钻机选择a）用于斜井施工的专用定向钻机，应与斜井长度和岩石特征相适应，满足钻进要求，同时应具有占用空间小、安拆搬运便捷等优点，尽量避免或减少地质技术超挖。

b）应具备主动钻杆锁止功能，以利于定向。

c）宜选用转盘型钻机，以减轻劳动强度，提高工作效率。

d）可选用低转速、大扭矩、多头井下动力钻具，不宜采用单头井下动力钻具。

e）定向接头上键的尺寸应充分考虑与定向仪上靴的配合，保证接入顺利。4.2.2反井钻机选择反井钻机主要控制参数为输出拉力与扭矩。

a）反井钻机的拉力主要取决于钻具自重、破岩压力、摩擦阻力等因素，可采用式（1）计算：

b）反井钻机的扭矩取决于钻头直径、岩石性质、钻压等因素，可采用式（2）计算：4.2.3测斜仪器选择根据信息传输介质的不同，随钻测量系统可分为有线式随钻测量和无线式随钻测量。

有线式随钻测量采用中心通缆钻杆作为信号传输通道，无线式随钻测量主要有泥浆脉冲、电磁波、声波、智能钻杆、光纤五种传输方式，考虑定向反井钻井工况，推荐选择基于泥浆脉冲原理的测量仪器。4.2.4泥浆泵选择a）应具备足够大的泵压和流量，以保证启动井下动力钻具。

b）循环液洗井速度宜根据钻具直径、岩屑粒度、钻杆与钻孔的环形空间、地质条件等因素确定，其原则是能充分携带岩屑和冷却钻头。可采用式（3）进行计算：4.2.5循环液选择a）应根据地质情况合理选择循环液类型。应使用环保型材料，并能够实现携带岩屑返渣、平衡底层压力、稳定井壁的作用。在施工过程中要严格监测泥浆流量、岩粉含量及其他泥浆参数，及时调整泥浆参数，除砂除泥，保证孔内岩粉及时排除。

b）正常钻进段要求泥浆比重1.05~1.10g/cm³，马氏漏斗粘度27s，含砂量<5%，配方为淡水+质量分数为5%~10%的膨润土+质量分数为0.3%~0.5%的纯碱；HV-CMC、护壁剂、磺化褐煤树脂、堵漏剂等添加剂根据情况适量使用。

c）定向钻进段泥浆比重控制在1.15~1.20g/cm³，马氏漏斗粘度40~45s，含砂量<1%，摩阻系数<0.1。在钻进过程，适时地添加质量分数为1%~3%的磺化褐煤树脂、质量分数为1%~3%的广谱护壁剂、润滑剂等材料，泥皮厚度控制在0.01~0.05mm，钻孔泥浆失水量控制在6~10mL。钻孔泥浆质量参数的选择范围详见表1。表1钻孔泥浆质量参数4.2.6钻杆无损检测钻杆应在使用半年或钻进600m后，进行一次全面的无损检测。掉落或碰撞过的钻杆在使用之前必须进行无损检测。检测方法包括磁粉检测、裂纹测深、超声波检测。4.3技术准备4.3.1施工前，应编制详细施工组织设计，包括定向导孔施工、反井扩孔施工、环水保、冬季施工、临时施工用电等专项技术措施。4.3.2施工前应编制作业指导书，并对施工作业人员进行导孔钻进作业、扩孔钻进作业、扩孔钻头吊装作业、扩孔钻头防止掉落、施工工序转换等各关键环节安全技术交底。4.3.3根据设计要求、合同约定以及施工条件，确定导孔偏斜的质量验收标准，并进行钻机、测斜仪、泥浆泵、循环液等选型。4.3.4工程开工前应对现场测量所用的全站仪、水准仪等进行校验，确保开孔孔位精确。4.4场地准备4.4.1施工图设计阶段应充分考虑施工场地布置要求。4.4.2施工场地应满足钻机及配套设备设施的运输、安装和运行等要求，应按施工方案合理摆放钻机系统（主机、操作台、油箱、主副泵站等）、循环洗井系统（泥浆泵、泥浆池等）、钻具等。布置钻机位置应提前进行技术性扩挖，满足施工场地尺寸为：长×宽×高=(15~20)m×4m×(7~8)m。4.4.3位于斜井终止点的下平洞应满足运输和组装扩孔钻头的工作场地要求，同时应满足岩屑、冷却水及时清除要求。4.4.4钻机基础应清理至稳定基岩，基础混凝土强度等级应不小于C15，基础厚度应结合钻机重量及施工时震动扰动大小确定，一般不小于50cm。4.4.5钻机基础混凝土浇筑分两期进行，浇筑一期混凝土时应预留地脚螺孔位置，钻机运输就位后安装地脚锚栓，再浇筑二期混凝土以固定钻机。地脚锚栓按照荷载计算结果进行100%拉拔试验。4.4.6定向钻机、反井钻机运行作业场所应满足设备安全作业要求，应保证设备作业中供电、供水安全充足可靠。根据钻机、泥浆泵等设备总功率，供电功率一般不小于400kW，电压等级选用380V，电源频率为50Hz。4.4.7施工现场应布置泥浆池和清水池各一个，泥浆池不小于15m³，清水池不小于4m³，不得渗水。4.4.8定向钻机和反井钻机为连续作业，为保证夜间正常施工，在钻机、开关柜、循环池等位置分别设置小于36V安全电压且不小于200W的照明灯，并作防水保护。4.4.9钻机应划定施工作业区域、设置警示标识，非工作人员未经批准不得入内。4.5安装、调试与校准4.5.1钻机安装前，应检查并确认设备安装作业环境、基础、电源、水源、洗井液池、冷却水池等满足设计及使用要求。4.5.2钻机基础施工前，应测量并标记斜井起始点中心位置，基础完工后、钻机位置固定前，复测斜井起始点中心位置，除非有特殊约定，其与设计理论点水平误差应不大于100mm。4.5.3钻机重量和体积较大，应通过安设的提吊天锚用手拉葫芦装卸至工作面。4.5.4定向钻进、反井钻机设备起吊采用天锚配合左右水平锚点移动就位。钻机起吊采用4组Φ25锚杆作为天锚，天锚锚杆应达到设计强度后方可使用，按照荷载计算结果进行100%拉拔试验。每组采用4根入岩4m，外露50cm的Φ25锚杆，天锚布置在洞轴线顶部，在钻孔中心点布置一组，钻前1m处布置一组，钻后3m，每隔1.5m布置一组天锚，泥浆泵放置处同样布置一组天锚，相对应天锚两侧墙4m高处布置水平锚杆锚点，水平锚点锚杆采用Φ25，入岩4.0m，外露0.5m锚杆，水平锚点除了在天锚两侧墙布置外，还在钻杆堆放和运输区对称布置4-5组水平锚点，吊运钻杆锚点间距2.5m。下部反扩钻头安装时天锚和水平锚点参考起吊反井钻机锚点设置，天锚设置2组，水平锚点对应设置。4.5.5钻机通电调试前，应根据钻孔角度调整并固定主机，反复测量并校准水平度、垂直度、钻孔角度，尽可能减小安装误差。4.5.6钻机安装完成后，应进行全面检查，根据设备的技术文件及安装技术方案进行调试和试运转。5钻井过程及安全控制5.1导孔开孔5.1.1按仪器操作规程进行传感器安装、地面操作系统连接、下井仪器组装、下井仪器总成与下井钻具连接，设置工具面角、计算工具面角校正值、各传感器位置参数，并输入计算机。5.1.2入钻角度应根据导井设计倾角确定，调整钻机的位置和角度，将钻机固定于基础上并防止摆动，避免开孔偏斜。5.1.3开孔作业采用低钻压、低扭矩开孔，保证开孔精确度。开孔钻具组合：牙轮钻头+钻铤+2m短钻杆；钻压控制在0.3~0.5t；钻速宜控制在一定低速范围内，一般选取30~40r/min；泥浆循环泵量600~800L/min。5.2导孔钻进5.2.1导孔钻进时一般采取满眼钻进。正常钻进钻具组合：牙轮钻头+钻铤(2~4根)+高强度钻杆，钻压控制在15~35kN，转速控制在50~60r/min，泥浆循环泵量为990L/min；测斜钻具组合：牙轮钻头+无磁钻铤+悬挂短节+高强度钻杆；定向钻具组合：牙轮钻头+弯螺杆+无磁钻铤+悬挂短节+高强度钻杆，钻压以控制工具面角为主，转速控制在0~20r/min，泥浆循环泵量为990L/min。5.2.2钻进过程中，监测工具面角，如果偏离设计方位，转动钻具应进行调整。5.2.3钻孔轨迹基本参数包括孔深、顶角、孔斜方位角。定向钻井测斜方法主要有陀螺测斜仪法、随钻测斜仪法、电子单点和多点测斜仪法。一般情况下，每钻进一根钻具测斜一次，5~10m为一个测点。5.2.4定向钻井纠偏方法主要有旋转导向技术、钻井液马达技术、地质导向钻井技术、滑动导向钻井技术。孔斜超偏时，加密测点，制定纠偏措施，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。5.2.5若实测导孔轴线超出斜井设计结构线或与实际轨迹的最大夹角超过35°（100m），则视为废孔。需灌浆回填后重新开孔钻进。5.2.6导孔钻进时连续作业，无特殊情况不要停钻。若必须停钻，应将孔内岩屑冲洗干净，再把钻杆提出10m以上，使导孔钻头距孔底一定距离。导孔钻透后，停止泥浆循环，向钻孔加清水稳定转动，直至扭矩变化不大时方可停钻。导孔钻进遇到不良地质段时，应先进行灌浆、注浆等岩体固壁处理。5.2.7在钻进过程中，应收集并分析泥浆循环携带的岩屑，对钻进前方范围地层情况及岩性提前进行预判。既可以辅助调整导孔钻进参数设置，又可以为扩孔钻进和爆破挖挖参数的合理控制提供参考。5.2.8当发生导孔钻头水眼堵塞、循环液或返渣量明显减少等现象时，应及时提钻处理。5.2.9距离钻透5m以内时，应密切观察洗井返渣情况，降低钻速，使孔内岩渣充分返回地面，避免因钻孔即将沟通导致大量岩渣在某一时刻集中下泄，引发抱钻。同时，在下平洞钻孔区域布置防护与警戒，防止钻透时混合岩渣的洗井液下泄伤人。5.3扩孔钻进5.3.1钻进过程中，应适当接入稳定钻杆以保证钻孔精度。稳定钻杆数量根据具体地质情况确定。5.3.2计划停电或停运一班以上时，停机前必须把钻具提到距离孔底1m以上位置，同时主机处宜保留一根钻杆接在动力水龙头上，保证处理潜在事故时推力油缸有上下动作余地。5.3.3钻进过程中，如发现钻具旋转困难，可能遇到裂隙或岩层塌落，此时应把钻具边旋转边提到一定高度，再慢速向下扫孔，若经反复扫孔，仍无效果时，需要提钻，查明原因进行处理。5.4导井施工准备5.4.1扩孔钻透后，在钻杆能够顺畅上下的情况下，应继续下钻杆至下平洞地面附近，以供拆卸钻头。钻杆下放到位后应仔细观察钻透周围巷道顶板稳定情况，必要时增加临时支护以确保工作人员安全。5.4.2钻孔上下端的工作面之间应建立有效的信息传递机制，以安全拆卸扩孔钻头、连接导井反拉钻头。5.4.3导井钻头连接好以后应清除钻孔范围内的钢制件，如锚杆、护网、顶梁等，避免损坏钻头，同时，采取措施平整钻孔附近顶板，使其与钻孔方向尽量垂直。5.4.4提钻前应对工作面进行观察和处理，钻头滚刀在接近下平洞顶板时改为低压慢速提升并旋转，直到所有滚刀接触并开始平稳破岩时完成导井反拉准备。5.5导井反拉钻进5.5.1导井反拉准备完成后，开始提钻钻进，应保证连续的滚刀冷却条件，一般为冲水冷却。5.5.2反拉时，发现排渣不畅，钻头激烈晃动，压力不稳，进尺慢等情况时，应短时空转或下钻查明原因，及时处理。5.5.3发生蹩钻时，应及时停止作业，进行处理。5.5.4发生掉钻时，应停止施工并确保现场人员及设备安全，分析事故原因，根据应急预案并利用专用打捞装置，进行钻具的卡固、提吊、更换及重新连接等作业。5.5.5当钻头钻至距离基础3~5m时，应降低钻压慢速钻进，并应认真观察基础周围情况，如果出现异常现象，需及时采取措施处理，直至钻头露出地面。当钻头接近基础时，基础如果出现破裂情况，可凿除基础，提出钻头。5.5.6为保障反拉施工连续，应及时将下平洞堆积的岩渣清运走，将积水清除，防止下孔口堵塞。岩渣清运工作进行时应停止反拉作业。5.5.7扩孔钻进时，应设立警戒牌，禁止人员进入下孔口处10m范