王永峰
中国水利水电第七工程局有限公司 四川成都611730
摘要：阳江抽水蓄能电站通风斜井219.5m，倾角69.65°，引水上竖井340m，地质条件复杂，钻孔精度控制要求高，施工难度大。对该工程斜井、竖井的技术难点进行了深入分析和研究，采用三维实时磁导向技术为定向钻机地下钻井精准中靶指路，为类似条件下的超深斜井、竖井的导井钻孔施工起到指导和参考作用。
关键词：阳江抽水蓄能电站 斜井竖井 三维实时磁导向技术 应用
参考文献
1引言
斜/竖井施工过程中，由于受软弱夹层、溶蚀腔、溶洞群、陡倾角断层、高硬度矿石、具有一定导向作用的硬质陡倾角岩层等不同特殊地质条件的影响，很难准确掌握反井钻机正向导孔下部钻头具体位置、偏向等，随着斜/竖井深度的增大，导孔偏斜率增大的概率越高；控制深斜/竖井导井施工偏差是施工技术的关键。
2工程简介
阳江抽水蓄能电站位于广东省阳春市与电白县交界处的八甲山区，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；是国家40万千瓦级抽水蓄能电站机组设备自主化的依托项目。电站规划装机容量240万千瓦，一期装机容量120万千瓦，安装3台40万千瓦立轴单级混流可逆式水轮发电机组，最大静水头800m，最大动水头1108m，由此，对水道系统的施工技术要求非常高。
3地质构造
区域上属东南丘陵的西南部，云雾山脉南端的东南侧，地处大娘山～中间山山脉西北部的八甲大山；站址大地构造位置处于华南褶皱带的阳春～开平凹褶断束。
电站斜/竖井通过的岩性为燕山三期（γ52（3））中粗粒花岗岩和加里东期混合岩，引水竖井段共有断层6条，分别是f714、f1、f747、f741、f719（f519）、f718，其中f718从上竖井下部通过，剖面上与竖井交角约17°，主探洞揭露断层带宽度2～3m，碎裂岩、碎粉岩，石英脉断续充填，胶结较差，影响带较宽，断带潮湿，少量滴水，对上竖井下部围岩影响较大，应加强支护和防渗处理；高压隧洞除局部围岩受断层影响呈强～弱风化，其余大部分洞段深埋于微风化～新鲜的岩体内，断层破碎带以Ⅲ类围岩为主，夹少量Ⅳ类围岩；花岗岩微风化岩饱和单轴抗压强度一般100～130MPa，平均114MPa，混合岩饱和状态下单轴抗压强度一般100～181MPa，平均值约139.9MPa，以上情况来看斜/竖井围岩断层结构、断层方向及断层影响带、岩石强度差别大均对反井钻机施工不利。
4斜井竖井结构情况
阳江抽水蓄能电站通风斜井深达219.5m，钻孔正导井直径为295mm，倾角69.65°，井口上部露天，斜井下部平洞为4.5×4.5m城门型，平洞长度约15m。引水上竖井垂直段深度为340～353m，钻孔正导井直径为295mm，上下平洞段均为8.7m的马蹄形断面。
5施工方案的选择
5.1斜、竖井施工现状
目前水电行业长斜、竖井施工方法主要有：①主要采用ALIMAK爬罐施工法，如有广东广州、浙江天荒坪、浙江桐柏、福建仙游等蓄能电站引水斜井施工；②主要反井钻机+测斜仪施工法，如广东惠州、广东清远、广东深圳等蓄能电站引水斜井施工；③传统的正井爆破+人工掏挖施工法，适用于小型断面斜井；随着新型施工技术的发展，ALIMAK爬罐施工法和正井人工掏挖施工法已不适应现阶段的安全生产需求，而普通反井钻+测斜仪施工法，导井偏斜率较大，造成施工进度严重滞后，施工成本大大增加，竖井下平洞围岩扰动破坏大等。
5.2斜/竖井导孔施工方案比较
普通反井钻机钻孔扩孔法、ALIMAK爬罐法施工法、传统的正井爆破人工掏挖法等施工措施已不适应高精度、快进度、低成本的施工工艺时代的主流。由此借鉴石油钻探行业施工中的MWD、RMRS随钻测斜纠偏技术钻孔扩孔施工法，四种导井施工方案比较情况见表1。
表1 斜/竖井钻井施工方案比较
序号方案主要特点适用井挖情况
①反井钻机钻孔扩孔法井口需布置反井钻机，正井导孔反向扩孔成型，工序少，但钻孔精度受地质条件、设备安装影响大，钻孔偏斜率控制难度大，各种纠偏措施均不能彻底解决钻孔偏斜问题，且偏斜率随斜竖井深度、地质条件复杂性更难控制，如偏斜率过大甚至可能造成增加工期、增大成本情况，施工速度相对较快。地质条件较好、中等深度斜/竖井、大断面、进度较快、适用于50～90°范围
②ALIMAK爬罐施工法斜井下部布置轨道及爬灌，风水管路随轨道布置，施工难度大，爆破损坏概率高，施工人员暴露时间长，安全风险大，机械化程度低，施工速度慢。适用长斜井、缓斜井（40～60°），围岩条件好，施工期要求不高
③正井爆破人工掏挖法井口需布置小型提升设施，边开挖边支护，井内布置安全躲避旁洞，施工工序多，起吊过程安全风险大，但机械化程度低，施工速度慢。浅竖井、小断面、不具备机械使用条件
④MWD、RMRS随钻测斜纠偏技术钻孔法井口需要布置定向钻机和反井钻机，正井导孔反向扩孔成型，工序少，导孔钻孔偏斜率可控，实时纠偏实时调整，偏斜率不受斜竖井深度影响，施工工期、成本可控，施工速度快。地质影响不大、进度快、成本可控、适用超深斜/竖井，适用12°～90°范围
通过上述对比，采用MWD、RMRS随钻测斜纠偏技术钻孔方案更适合本工程。
6三维实时磁导向原理
三维实时磁导向技术导向钻机主要由三大部分组成：井下MWD无线随钻测斜仪、RMRS旋转磁场测距仪、定向钻机随钻纠偏集成系统等。
6.1MWD无线随钻测斜施工技术及原理
系统组成及原理图
从原理上分析：MWD测斜仪涉及到了力学的相关知识，即地面系统中的压力传感器可以将泥浆脉冲信号转变为电信号，并及时的传输到地面的接口箱，采用专用软件进行数值的特殊处理。除此之外，还将处理结果及时传给计算机系统，通过专业软件如实反馈井下仪器坐标、方位、磁偏角、偏斜方向等各项参数，供施工人员参考调整。
6.2RMRS旋转磁场测距系统施工技术及原理
RMRS旋转磁场测距系统主要由磁场源、探管和数据分析计算软件组成，它主要测量两点之间的垂距和相对方位角。
系统工作原理：井下探管为旋转磁场测距系统的核心部分，它以单片机为基础，将磁通门传感器、加速度传感器、温度传感器和井深测量系统测量的信号进行处理量化，传输给井上的接口箱，再传递给数据处理软件进行计算，最后得到两测量点之间的相对位置数据。
6.3非开挖导向钻机随钻智能纠偏集成系统及原理
钻具工作原理：作为当前一种较为先进的一种井下动力钻具。当井下钻具偏移较大时启用的另一套钻进动力系统，其螺杆钻具主要是利用泥浆流体压力作为动力，高压泥浆流体通过专用装置推动马达转子旋转，并经传动系统将动力传递给前段钻头，从而达到纠偏回位钻进的目的。
参考文献
8.2施工先进性分析
MWD无线随钻测斜仪、RMRS旋转磁场测距系统在功能和施工方法上的先进性及可操作性表现如下：
（1）采用MWD无线随钻测斜仪施工进度可控，施工成本可控。仅测井的斜速度比较快，还可以保证井下安全，除此之外，还可以降低工作人员的劳动强度，节省成本与时间。通过通风斜井和引水竖井导孔施工的应用，充分体现出MWD系统具有测量方便、快捷、准确，随时可掌握井眼轨迹情况等优点。
（2）定向钻孔精度可控、质量可靠。本工程通风斜井导井出钻点偏离设计靶心29cm，偏斜率为0.13%，引水上竖井导井贯通后偏差约34.2cm，偏斜率0.1%，均远低于反井钻机规范允许偏斜率，创国内同类施工较高水平。
（3）工作性能稳定。定向钻机钻孔运行可靠，MWD、RMRS随钻测斜仪的井斜、方位、工具面、磁偏角等数据、对钻井方向智能纠偏技术等关键工序可以轻松地精确掌控，拆装和运输也比较方便。
9应用前景
阳江抽水蓄能电站斜井、竖井采用MWD无线随钻定位测斜、RMRS旋转磁场测距、井下智能随钻纠偏等综合施工技术，在长斜井、深竖井导井施工中进行实时纠偏控制，其出钻点偏斜率均提高到0.1%左右，提高幅度之大，改变了水电行业反井钻机盲打的历史，开启智能化水电建设斜/竖井施工的新篇章。该技术的应用与研究将大大提高水电行业长深斜/竖井施工导孔精度控制，加快井挖的施工进度，降低开挖爆破作业对高压隧洞围岩的松动破坏作用，且较大程度降低水电行业的施工成本（不必要的超挖超填等）。
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参考文献
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论文作者:王永峰
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第23期
论文发表时间:2018/12/19
标签：竖井论文; 斜井论文; 钻机论文; 钻孔论文; 围岩论文; 电站论文; 阳江论文; 《建筑学研究前沿》2018年第23期论文;