三維實(shí)時(shí)磁導(dǎo)向技術(shù)在陽江抽水蓄能電站斜井豎井鉆孔施工中的應(yīng)用

1、三維實(shí)時(shí)磁導(dǎo)向技術(shù)在陽江抽水蓄能電站斜井豎井鉆孔施工 中的應(yīng)用摘要：陽江抽水蓄能電站通風(fēng)斜井219.5m，傾角69.65，引水上豎井340m，地 質(zhì)條件復(fù)雜，鉆孔精度控制要求高，施工難度大。對(duì)該工程斜井、豎井的技術(shù)難 點(diǎn)進(jìn)行了深入分析和研究，采用三維實(shí)時(shí)磁導(dǎo)向技術(shù)為定向鉆機(jī)地下鉆井精準(zhǔn)中 靶指路，為類似條件下的超深斜井、豎井的導(dǎo)井鉆孔施工起到指導(dǎo)和參考作用。關(guān)鍵詞：陽江抽水蓄能電站 斜井豎井 三維實(shí)時(shí)磁導(dǎo)向技術(shù)應(yīng)用參考文獻(xiàn)1引言斜/豎井施工過程中，由于受軟弱夾層、溶蝕腔、溶洞群、陡傾角斷層、高硬 度礦石、具有一定導(dǎo)向作用的硬質(zhì)陡傾角巖層等不同特殊地質(zhì)條件的影響，很難 準(zhǔn)確掌握反井鉆機(jī)正向?qū)Э紫?/p>

2、部鉆頭具體位置、偏向等，隨著斜/豎井深度的增大， 導(dǎo)孔偏斜率增大的概率越高；控制深斜/豎井導(dǎo)井施工偏差是施工技術(shù)的關(guān)鍵。2工程簡介陽江抽水蓄能電站位于廣東省陽春市與電白縣交界處的八甲山區(qū)，是目前國 內(nèi)核準(zhǔn)建設(shè)的單機(jī)容量最大、凈水頭最高、埋深最大的抽水蓄能電站；是國家40 萬千瓦級(jí)抽水蓄能電站機(jī)組設(shè)備自主化的依托項(xiàng)目。電站規(guī)劃裝機(jī)容量240萬千 瓦，一期裝機(jī)容量120萬千瓦，安裝3臺(tái)40萬千瓦立軸單級(jí)混流可逆式水輪發(fā) 電機(jī)組，最大靜水頭800m，最大動(dòng)水頭1108m，由此，對(duì)水道系統(tǒng)的施工技術(shù) 要求非常高。3地質(zhì)構(gòu)造區(qū)域上屬東南丘陵的西南部，云霧山脈南端的東南側(cè)，地處大娘山中間山 山脈西北部的八

3、甲大山；站址大地構(gòu)造位置處于華南褶皺帶的陽春開平凹褶斷 束。電站斜/豎井通過的巖性為燕山三期(Y52 (3)中粗?；◢弾r和加里東期混 合巖，引水豎井段共有斷層6條，分別是f714、f1、f747、f741、f719 (f519)、 f718，其中f718從上豎井下部通過，剖面上與豎井交角約17，主探洞揭露斷層 帶寬度23m，碎裂巖、碎粉巖，石英脈斷續(xù)充填，膠結(jié)較差，影響帶較寬，斷 帶潮濕，少量滴水，對(duì)上豎井下部圍巖影響較大，應(yīng)加強(qiáng)支護(hù)和防滲處理；高壓 隧洞除局部圍巖受斷層影響呈強(qiáng)弱風(fēng)化，其余大部分洞段深埋于微風(fēng)化新鮮 的巖體內(nèi)，斷層破碎帶以B類圍巖為主，夾少量IV類圍巖；花崗巖微風(fēng)化巖飽和 單

4、軸抗壓強(qiáng)度一般100130MPa，平均114MPa，混合巖飽和狀態(tài)下單軸抗壓強(qiáng) 度一般100181MPa，平均值約139.9MPa，以上情況來看斜/豎井圍巖斷層結(jié)構(gòu)、 斷層方向及斷層影響帶、巖石強(qiáng)度差別大均對(duì)反井鉆機(jī)施工不利。4斜井豎井結(jié)構(gòu)情況陽江抽水蓄能電站通風(fēng)斜井深達(dá)219.5m，鉆孔正導(dǎo)井直徑為295mm，傾角 69.65，井口上部露天，斜井下部平洞為4.5x4.5m城門型，平洞長度約15m。引 水上豎井垂直段深度為340353m，鉆孔正導(dǎo)井直徑為295mm，上下平洞段均 為8.7m的馬蹄形斷面。5施工方案的選擇5.1斜、豎井施工現(xiàn)狀目前水電行業(yè)長斜、豎井施工方法主要有：主要采用ALIM

5、AK爬罐施工法， 如有廣東廣州、浙江天荒坪、浙江桐柏、福建仙游等蓄能電站引水斜井施工； 主要反井鉆機(jī)+測(cè)斜儀施工法，如廣東惠州、廣東清遠(yuǎn)、廣東深圳等蓄能電站引 水斜井施工；傳統(tǒng)的正井爆破+人工掏挖施工法，適用于小型斷面斜井；隨著 新型施工技術(shù)的發(fā)展，ALIMAK爬罐施工法和正井人工掏挖施工法已不適應(yīng)現(xiàn)階 段的安全生產(chǎn)需求，而普通反井鉆+測(cè)斜儀施工法，導(dǎo)井偏斜率較大，造成施工 進(jìn)度嚴(yán)重滯后，施工成本大大增加，豎井下平洞圍巖擾動(dòng)破壞大等。5.2斜/豎井導(dǎo)孔施工方案比較普通反井鉆機(jī)鉆孔擴(kuò)孔法、ALIMAK爬罐法施工法、傳統(tǒng)的正井爆破人工掏 挖法等施工措施已不適應(yīng)高精度、快進(jìn)度、低成本的施工工藝時(shí)代的

6、主流。由此 借鑒石油鉆探行業(yè)施工中的MWD、RMRS隨鉆測(cè)斜糾偏技術(shù)鉆孔擴(kuò)孔施工法，四 種導(dǎo)井施工方案比較情況見表1。表1斜/豎井鉆井施工方案比較序號(hào)方案主要特點(diǎn)適用井挖情況反井鉆機(jī)鉆孔擴(kuò)孔法井口需布置反井鉆機(jī)，正井導(dǎo)孔反向擴(kuò)孔成型，工序少， 但鉆孔精度受地質(zhì)條件、設(shè)備安裝影響大，鉆孔偏斜率控制難度大，各種糾偏措 施均不能徹底解決鉆孔偏斜問題，且偏斜率隨斜豎井深度、地質(zhì)條件復(fù)雜性更難 控制，如偏斜率過大甚至可能造成增加工期、增大成本情況，施工速度相對(duì)較 快。地質(zhì)條件較好、中等深度斜/豎井、大斷面、進(jìn)度較快、適用于5090范圍ALIMAK爬罐施工法斜井下部布置軌道及爬灌，風(fēng)水管路隨軌道布置，施工

7、難 度大，爆破損壞概率高，施工人員暴露時(shí)間長，安全風(fēng)險(xiǎn)大，機(jī)械化程度低，施 工速度慢。適用長斜井、緩斜井（4060），圍巖條件好，施工期要求不高正井爆破人工掏挖法井口需布置小型提升設(shè)施，邊開挖邊支護(hù)，井內(nèi)布置安 全躲避旁洞，施工工序多，起吊過程安全風(fēng)險(xiǎn)大，但機(jī)械化程度低，施工速度 慢。淺豎井、小斷面、不具備機(jī)械使用條件MWD、RMRS隨鉆測(cè)斜糾偏技術(shù)鉆孔法井口需要布置定向鉆機(jī)和反井鉆機(jī)， 正井導(dǎo)孔反向擴(kuò)孔成型，工序少，導(dǎo)孔鉆孔偏斜率可控，實(shí)時(shí)糾偏實(shí)時(shí)調(diào)整，偏 斜率不受斜豎井深度影響，施工工期、成本可控，施工速度快。地質(zhì)影響不大、 進(jìn)度快、成本可控、適用超深斜/豎井，適用1290。范圍通過上述對(duì)

8、比，采用MWD、RMRS隨鉆測(cè)斜糾偏技術(shù)鉆孔方案更適合本工程。6三維實(shí)時(shí)磁導(dǎo)向原理三維實(shí)時(shí)磁導(dǎo)向技術(shù)導(dǎo)向鉆機(jī)主要由三大部分組成：井下MWD無線隨鉆測(cè) 斜儀、RMRS旋轉(zhuǎn)磁場測(cè)距儀、定向鉆機(jī)隨鉆糾偏集成系統(tǒng)等。6.1MWD無線隨鉆測(cè)斜施工技術(shù)及原理系統(tǒng)組成及原理圖從原理上分析：MWD測(cè)斜儀涉及到了力學(xué)的相關(guān)知識(shí)，即地面系統(tǒng)中的壓 力傳感器可以將泥漿脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，并及時(shí)的傳輸?shù)降孛娴慕涌谙?，?用專用軟件進(jìn)行數(shù)值的特殊處理。除此之外，還將處理結(jié)果及時(shí)傳給計(jì)算機(jī)系統(tǒng)， 通過專業(yè)軟件如實(shí)反饋井下儀器坐標(biāo)、方位、磁偏角、偏斜方向等各項(xiàng)參數(shù)，供 施工人員參考調(diào)整。6.2RMRS旋轉(zhuǎn)磁場測(cè)距系統(tǒng)施工

9、技術(shù)及原理RMRS旋轉(zhuǎn)磁場測(cè)距系統(tǒng)主要由磁場源、探管和數(shù)據(jù)分析計(jì)算軟件組成，它 主要測(cè)量兩點(diǎn)之間的垂距和相對(duì)方位角。系統(tǒng)工作原理：井下探管為旋轉(zhuǎn)磁場測(cè)距系統(tǒng)的核心部分，它以單片機(jī)為基 礎(chǔ)，將磁通門傳感器、加速度傳感器、溫度傳感器和井深測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量的信號(hào)進(jìn) 行處理量化，傳輸給井上的接口箱，再傳遞給數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行計(jì)算，最后得到兩測(cè)量點(diǎn)之間的相對(duì)位置數(shù)據(jù)。6.3非開挖導(dǎo)向鉆機(jī)隨鉆智能糾偏集成系統(tǒng)及原理鉆具工作原理：作為當(dāng)前一種較為先進(jìn)的一種井下動(dòng)力鉆具。當(dāng)井下鉆具偏 移較大時(shí)啟用的另一套鉆進(jìn)動(dòng)力系統(tǒng)，其螺桿鉆具主要是利用泥漿流體壓力作為 動(dòng)力，高壓泥漿流體通過專用裝置推動(dòng)馬達(dá)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，并經(jīng)傳動(dòng)系統(tǒng)

10、將動(dòng)力傳遞 給前段鉆頭，從而達(dá)到糾偏回位鉆進(jìn)的目的。參考文獻(xiàn)8.2施工先進(jìn)性分析MWD無線隨鉆測(cè)斜儀、RMRS旋轉(zhuǎn)磁場測(cè)距系統(tǒng)在功能和施工方法上的先進(jìn) 性及可操作性表現(xiàn)如下：（1）采用MWD無線隨鉆測(cè)斜儀施工進(jìn)度可控，施工成本可控。僅測(cè)井的斜 速度比較快，還可以保證井下安全，除此之外，還可以降低工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度， 節(jié)省成本與時(shí)間。通過通風(fēng)斜井和引水豎井導(dǎo)孔施工的應(yīng)用，充分體現(xiàn)出MWD 系統(tǒng)具有測(cè)量方便、快捷、準(zhǔn)確，隨時(shí)可掌握井眼軌跡情況等優(yōu)點(diǎn)。（2）定向鉆孔精度可控、質(zhì)量可靠。本工程通風(fēng)斜井導(dǎo)井出鉆點(diǎn)偏離設(shè)計(jì) 靶心29cm，偏斜率為0.13%，引水上豎井導(dǎo)井貫通后偏差約34.2cm，偏斜率

11、0.1%，均遠(yuǎn)低于反井鉆機(jī)規(guī)范允許偏斜率，創(chuàng)國內(nèi)同類施工較高水平。（3）工作性能穩(wěn)定。定向鉆機(jī)鉆孔運(yùn)行可靠，MWD、RMRS隨鉆測(cè)斜儀的 井斜、方位、工具面、磁偏角等數(shù)據(jù)、對(duì)鉆井方向智能糾偏技術(shù)等關(guān)鍵工序可以 輕松地精確掌控，拆裝和運(yùn)輸也比較方便。9應(yīng)用前景陽江抽水蓄能電站斜井、豎井采用MWD無線隨鉆定位測(cè)斜、RMRS旋轉(zhuǎn)磁 場測(cè)距、井下智能隨鉆糾偏等綜合施工技術(shù)，在長斜井、深豎井導(dǎo)井施工中進(jìn)行 實(shí)時(shí)糾偏控制，其出鉆點(diǎn)偏斜率均提高到0.1%左右，提高幅度之大，改變了水電 行業(yè)反井鉆機(jī)盲打的歷史，開啟智能化水電建設(shè)斜/豎井施工的新篇章。該技術(shù)的 應(yīng)用與研究將大大提高水電行業(yè)長深斜/豎井施工導(dǎo)孔精

12、度控制，加快井挖的施工 進(jìn)度，降低開挖爆破作業(yè)對(duì)高壓隧洞圍巖的松動(dòng)破壞作用，且較大程度降低水電 行業(yè)的施工成本（不必要的超挖超填等）。下轉(zhuǎn)第450頁參考文獻(xiàn)徐文耀.我國地磁觀測(cè)研究的發(fā)展J.地球物理學(xué)，1997，40（S0）： 217- 230。安振昌.1950-2000年中國地磁測(cè)量地磁圖與地磁研究J.地球物理學(xué)進(jìn)展， 1999， 14 （4）： 75-88。徐文耀.地磁學(xué)（中國現(xiàn)代科學(xué)全書固體地球物理學(xué)）M.北京：地震出 版社，2003。劉國衛(wèi).MWD無線隨鉆測(cè)斜儀在鉆井中的應(yīng)用J.西部探礦工程，2011。韓問科.MWD無限隨鉆測(cè)斜儀信號(hào)判斷分析及處理方法M.技術(shù)推廣中心， 2012。付承義，陳運(yùn)泰，祁貴仲.地