400 m 级超深竖井导井定向纠偏施工技术

邓鹏

（中国水利水电第七工程局有限公司，成都 610081）

1 工程概况

阳江抽水蓄能电站位于广东省阳春市与电白区交界处的八甲山区，上水库地处阳春市八甲镇南西约8 km 的河尾山林场，下水库位于阳春市八甲镇南西5 km 的高屋村石祥、更口、丰田一带，上、下水库落差约670 m，上下库相距约18 km。阳江抽水蓄能电站开发任务以输水发电为主。电站上水库设计正常蓄水位773.7 m，总库容2.836 5×107m3；下水库总库容3.105×107m3，正常蓄水位103.7 m。

引水发电隧洞下平洞和岔管段内水压力水头达800 m，是目前国内核准建设的单机容量最大、净水头最高、埋深最大的抽水蓄能电站。

2 关键技术

2.1 定向钻机施工原理

定向井施工即采用定向钻具组合进行钻进。在钻进过程中，需使用测斜仪连续监测钻进轨迹，若发现偏斜，应立即进行定向钻进，从而使整个钻井的轨迹受控，以满足设计需要[1]。其中，使用到的设备主要有：

1）无线随钻测斜仪。其采用三轴重力和三轴磁力线传感器，来对三轴重力、磁力线进行检测，并利用传输到传感器中的数据来进一步编码，再利用泥浆脉动将相关数据传到地面，这部分数据在通过计算机将其解码后，通过综合钻井深度参数，可测试出整条井的钻井轨迹。

2）螺杆钻杆。作为井下动力钻具的一种，它是利用高压泥浆驱动钻头旋转，选择螺杆时，一般都会选取具备弯曲角度的，以便实现滑动钻进的效果，通俗说就是让孔“转弯”。

3）本工程采取的钻进方式为复合钻进，所用钻具为定向钻进以及复合钻进2 种钻具。在正常钻进时，钻机和螺杆钻具同时旋转，以提供较高的转速进行钻进；而在无线随钻测斜仪测定出偏斜的情况时，则需调整至滑动钻进，以便在控制钻井轨迹的同时，降低孔偏斜量。

2.2 MWD 测斜原理

井下测量仪器和地面设备共同组成了MWD 随钻测斜仪。一般来说，井下测量仪器的组成较复杂，由专用短接、定向探管、打捞头、脉冲发生器、扶正器以及用于提供电量的电池筒组成。地面设备则由连接电缆、地面控制箱、计算机、压力传感器以及司钻显示器构成。MWD 随钻测斜仪的具体操作程序如下：

1）当定向探管获取井下的参数并编码后，脉冲器在控制信号的指引下上下运动，从而导致泥浆发生流动。流动所产生的能量可以进一步促进提升阀运动，并最终让限流环以及提升阀二者内部的流通面积发生变化。

2）当提升阀提起时，泥浆可从钻柱流向限流环；当提升阀下落时，泥浆流通截面积会变小，而泥浆压力会在钻柱中产生一个正脉冲。

3）提升阀的状态由控制信号进行控制，定向探管则发出控制信号，间接控制脉冲宽度、间隔。

4）由于控制信号的强弱由泥浆流通截面积所决定，因此，在各种复杂的环境中，如排量、井深以及井眼不相同时，可通过改变限流环、提升阀的外径或者内径来控制信号的强弱。

5）在探管、泥浆脉冲发生器的共同作用下，可以完成数据的获取以及传输。

2.3 确定施工设备

2.3.1 定向钻机设备选型

根据设计地质勘探资料，超深竖井采用型号DL450T 定向钻机进行导孔。定向钻机主要由孔口装置、上下夹持器及卸扣器、动力头、动力头侧摆机构、机体滑架、机体滑架补偿机构、举升油缸、履带底盘、动力系统、液压系统、小绞车及泥浆泵组成。

定向钻系统配套设备主要由定向钻机、泥浆泵及变频系统、射流泵、潜水泵、测斜仪、分析解码器、钻具及泥浆池组成。

2.3.2 钻具选型

1）开孔钻具组合：（1）φ216 mm 牙轮钻头+φ172 mm 钻铤+φ127 mm 短钻杆（2m）；（2）钻压0.3～0.5 t，钻速30～40 r/min，泵量600 L/min。

2）定向钻进钻具组合：（1）216 mm 牙轮钻头+172 mm 螺杆+411 mm×410 mm 浮阀+212 mm 扶正器+165 mm 定位短节+165 mm 无磁钻铤1 根+165 mm 钻铤3 根+127 mm 加重钻杆9柱+127 mm+标准钻杆；（2）钻压1.5～3.5 t，钻速50～60 r/min（硬岩段），泵量1 200 L/min。

3 施工工艺及纠偏控制

3.1 定向钻施工工艺及质量控制

在使用定向钻进行施工时，为更好地控制质量，需掌握4个施工要点。

3.1.1 把握好开孔的角度

为使钻孔的角度和直线符合设计要求，开孔时要把握好角度。

1）在留好孔槽的基础上，保证大泵量600～1 200 L/min、慢转60 r/min 以及在轻压500 kg 的条件下进行钻孔。

2）钻孔时要保证排渣能循环进行。为了确保冷却钻机液压系统和循环排渣顺畅，要求导孔钻进时循环补水，补水量为10 m3/h；使用扩孔钻头和冷却液压系统时，则需要按5 m3/h 补水。

3）开挖长×宽×深为2 m×1.5 m×1.5 m 泥浆池的过程中，需让泥浆池离井口10 m 左右，且泥浆池容积≥4.5 m3。

3.1.2 钻机泥浆

钻进硬岩段时，所需泥浆黏度为20～35 Pa·s，比重1.03～1.15，且后续仍要依据返渣情况及时调整泥浆黏度。此外，要严格监控泥浆状态，如果出现漏失现象要及时处理。尤其需要注意的是，泥浆材料、添加剂量和泥浆配比需要按照设计要求进行配置。

3.1.3 偏斜率控制

本工程在利用直井MWD 无线随钻测斜仪检测钻孔的过程中，当发生偏差时，一般利用磁导向装置监测钻孔的角度和方位。对此，每钻进30 m 后检测1 次孔斜情况，每隔5～10 m设置1 个观测点；如果偏斜严重，则需加密测点。

3.1.4 钻进控制

使用定向钻机进行导孔钻井，前26 m 为纠偏钻具核心部位，主要依次为钻头、钻杆、扶正器、无磁钻铤、仪器、无磁钻铤2～3 节、钻铤3～4 节、标准钻杆。为了让该段钻进过程能够平稳，从而更好地保证启钻段及续井深的平直，需控制的相关参数值有压力2.3 MPa、扭矩4～8 kN·m、泵压1.9 MPa，且需根据钻孔开口围岩条件来进行适当调整。

前段钻具26 m 后为标准钻具，标准钻具3.1 m 长。由于本次深井为超深井，按井深对钻进数据分为以下4 个阶段进行设计：

1）井深26～140 m 钻井控制数据：控制压力2.4 MPa，扭矩5～8 kN·m，泵压从1.9 MPa 逐步增加至2.1 MPa，单根钻杆钻进时间2～3 h。

2）140～180 m 钻井控制数据：控制压力2.4 MPa，扭矩6～9 kN·m，泵压从2.1 MPa 逐步增加至2.2 MPa，单根钻杆钻进时间1～2 h。

3）180～270 m 钻井控制数据：控制压力2.4 MPa，扭矩6～10 kN·m，根据钻进情况适当增加，泵压3.5 MPa，单根钻杆钻进时间0.5～1 h。

4）270～340 m 钻井控制数据：控制压力2.4 MPa，扭矩5～7 kN·m，泵压3.5 MPa，单根钻杆钻进时间0.5～1 h。

上下竖井定向钻机导井钻孔最快速度应≤40.65 m/d，通常上下竖井导孔钻井平均速度18 m/d（包括钻机及其他设备附件修理时间、等候配件时间等）。

3.2 MWD 测斜仪测量纠偏施工工艺

3.2.1 MWD 纠偏工艺

1）将压力传感器安装在立管上，传感器的信号需要利用接线盘传到仪器房上，之后再连接到控制箱。

2）安装司钻显示器，并通过接线盘和控制箱连接在一起。

3）将地面控制箱利用串口线和笔记本电脑连接，并在开启后利用专业软件来采集信息数据。

4）起钻工作需要等到下钻达到造斜点后方可进行，且需和弯接头、螺杆钻、MWD 专用短节依次相连。

5）要测量从弯接头键（即高边）顺时针到专用短节定位螺丝（即定向键）的角差。

6）计算工具面修正值是指角差和高边零值。在记录工具面修正值时，如果其大于360°，需要先减去360°，再将得到的值记录在MWD 软件中。

7）设置好2 段仪器后将连接处的螺扣上紧，同时，为了确保脉冲器正常运转，需定期检查小阀。

8）将无磁钻铤连在短节上，然后再安装仪器。

9）必须检查坐键情况。在此过程中，要在打捞杆上做标记，并用管钳夹住打捞杆，采取“提起、转动、放下”或“左右转动”的模式，而完成坐键的标志是处于打捞杆的标记朝向一致、操作结束的标志是以左旋的方式将打捞杆提起。

10）将水龙带连在方钻杆上，就能够测试井口。在开泵后，计算机约在3 min 后会显示脉冲，当其幅度≥1.034 MPa 时，方能符合规定。

3.2.2 MWD 测斜仪测量纠偏步骤

对MWD 测斜仪测量进行纠偏时，主要步骤如下：

1）井口测试：提前在井口对仪器进行测试，显示正常方可下钻；如果开泵2 min 后计算机上未反映出脉冲，则需要更换仪器。

2）浅层测试：处于300 m 处时，就需及时完成浅层测试，且此时的检测仍然主要针对的是仪器；及时观察计算机上对脉冲信号，如果监测不到信号，需要及时更换井下仪器。

3）测量结果分析：通常情况下，如果MAG 较稳定，可以通过地磁图反映出钻孔偏差；但如果MAG 超过标准值的11%，则说明井下存在磁干扰。

4 结语

通过MWD 无线随钻测斜技术、非开挖导向钻井技术及大型反井钻机反扩施工技术的成功运用，较常规的施工技术，导孔平均钻进速度18 m/d，缩短施工工期约30 d。上竖井导孔贯通后偏斜33 cm，偏斜率控制在0.1%内，下竖井导孔贯通后偏斜25 cm，偏斜率控制在0.1%内，取得了良好的施工效果，可为今后类似工程提供参考。