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导井开挖技术控制参数及复杂地质条件下的钻机技术优化

时间:2023-06-30 理论教育 版权反馈
【摘要】:表1导孔钻进控制参数3.1.2复杂地质条件反井钻机钻进技术复杂地质条件下反井钻机钻进技术主要是预防导孔钻进期间卡杆埋钻技术及反扩期间滚刀及刀盘保护技术。

导井开挖技术控制参数及复杂地质条件下的钻机技术优化

600m级导井施工和200m级竖井的导井施工方案有很大差异性,200m导井可采用国内成熟的LM-200型反井钻机,施工方案也较为成熟。而600m级竖井的导井施工就较为复杂,从施工设备到施工工艺都有其自身的特点。

开挖方案选用了水电站常用反导井法先打溜渣井、人工正井钻爆扩挖成型。溜渣井采用RHINO1088型反井钻机,先打直径为280mm导孔,然后反扩成直径2100mm的溜渣井。

从钻孔方法来看,600m级导井和200m级导井的反井钻机施工方法基本是一样的,在上井口架设钻机向下打先导孔,导孔贯通后在下井口更换成扩孔刀盘,然后反扩成井。

3.1.1 超深竖井反井钻机施工防偏技术

钻孔精度与钻杆刚度岩石的均匀性、钻孔速度以及稳定钻杆安放等相关,岩石钻机不能在孔内进行纠偏,所以钻机的架设精度、稳定钻杆摆度及钻孔过程控制极为重要。

钻机的架设精度可人为控制,一方面要确保钻机基础牢靠,另一方面钻进过程中要做到不移位变形,开孔角度校准其精度满足要求即可。

(1)稳定钻杆安放。本工程导孔直径为279mm,反井钻机钻杆分为普通钻杆和稳定钻杆两种,普通钻杆直径254mm,稳定钻杆直径279mm。作为几百米深的超深孔,钻机钻杆的刚度不可能设计达到没有挠度或者说受外界影响不变形的程度,几百米钻杆连成整体如果没有外界约束,其刚度较小,因此稳定钻杆的摆放位置及数量至关重要。所谓稳定钻杆,即该钻杆能使钻孔平稳,其直径与钻头一样大,而普通钻杆与钻头直径存在差值,钻孔过程中会有晃动,钻进方法不易掌控,由于受排渣制约,钻杆直径越大,排渣空间就越小,排渣不畅钻孔工效低、极易造成卡钻、埋钻,所以并非稳定钻杆越多越好。根据延长线理论,即钻头向下钻进延伸时,只需钻头后部有一段孔是直的,稳定钻杆受孔壁约束,理论上钻头向前伸也不会产生偏差。基于这一理论,本工程安放6~7根约10m长稳定钻杆即可,从实际施工情况来看,效果是比较理想的。

(2)导孔钻进过程控制。低压慢速开孔非常重要,钻机角度校准后,让钻头在不受推力情况下开孔最好。正常钻进过程中,必须合理控制钻进速度,即要达到钻机施加的推力刚好达到钻头破碎岩石所需,而不额外施压增加钻杆挠度。否则,如遇不良地质带,孔径会变大,更易跑偏,如遇岩石软硬不均匀地带,钻头会偏向软岩位置。本工程中导孔钻进控制参数见表1。

表1 导孔钻进控制参数

3.1.2 复杂地质条件反井钻机钻进技术(www.xing528.com)

复杂地质条件下反井钻机钻进技术主要是预防导孔钻进期间卡杆埋钻技术及反扩期间滚刀及刀盘保护技术。导孔钻进期间判断是否会发生卡杆埋钻的主要根据是孔内出渣量是否正常及钻进参数扭矩反应值;反扩期间对滚刀及刀盘的保护至关重要,一方面超深竖井更换滚刀费工费时,另一方面风险也很大,在浅井也发生过刀盘在更换滚刀下放过程中被卡住的实例,还存在遇不良地质带,掌子面塌方,卡住刀盘,上、下不能动弹,导致全井作废的风险。

施工期间不良地质段导孔钻进主要采用降低推进压力来控制钻进速度,以防止导孔跑偏。每根钻杆换杆时必须洗孔干净,以防止卡杆埋钻。钻孔的同时必须记录每根钻杆实际出渣量,并比对实际出渣量与理论出渣量:如果实际出渣量比理论出渣量大,说明孔内出现塌孔,根据出渣量来判断是否需处理,如果量小洗孔时间短则不需处理,否则需采用灌浆等方式护壁后方可继续钻进;如实际出渣量比理论量小,说明渣量不能正常排出,此时扭矩应该增大,如果多根杆连续出现此情况,必须查明原因并采取相应措施使导孔内能正常排渣方可继续钻进——排除水泵设备故障外,一般情况是孔壁出现坍塌形成空腔,在该部位断面加大,水流速不够,携沙能力不足,此时必须护壁处理后方可继续钻孔。

反扩时刀盘上安装有多把滚刀,本工程中2.1m导井刀盘布置有12把滚刀,每把滚刀最大承受力为270kN,在中、硬岩地区钻进,需要的拉力都在1000kN以上,如果掌子面遇岩石破碎,岩面不平,极易形成只有少数滚刀受力,极端情况是只有一把滚刀受力,如果不及时调整拉力,很容易就把滚刀损坏。另一种情况是掌子面异常破碎,如果用力过大,大量岩块掉落在刀盘上,极易卡住刀盘,上下不能动弹,无法转动,如遇这种情况,施加大力转动则会造成反转甚至脱落,即使脱困也会造成换杆困难。所以反扩施工前必须根据地勘资料、反井钻导孔施工参数、孔内返渣及孔内地质摄像等地质信息,确定不良地质段分布情况。穿越不良地质带,其明显特征是钻机异常抖动,操着人员必须根据实际情况调整各项钻进参数,基本原则是平稳钻进,通过调整钻进压力、转速等参数来控制。扩孔钻进控制参数见表2。

表2 扩孔钻进控制参数

复杂地质条件下实施超深竖井钻进,探明孔内地质情况十分必要,一般的地勘资料也是对山体岩层整体性的描述,有着指导意义。反井钻机导孔施工期间,各项施工参数的记录及孔内返渣情况分析比对非常重要。从本工程实际开挖揭露岩石来看,根据导孔推进压力大小和扭矩变化来判断井下岩石强度和岩石完整性的方法是可靠的。

本工程中采用了JL-IDOI(B)智能钻孔全景成像仪对孔内地质状况作进一步确认判断。该仪器自动化程度较高,对节理裂隙用配套软件可分析识别,也可在现场通过视频直观判断,并可保存全孔摄像图片资料。当然,由于该设备需将钻杆全部从孔内取出后才能实施,费工费时,所以只能作为一种井下地质情况判别的辅助手段。

3.1.3 复杂地质条件下超深竖井灌浆技术

在钻进过程中,钻杆遇到断层、裂隙、溶沟、溶槽或软弱夹层等不良地质段时,导孔会发生偏斜,容易导致导孔偏离原设计轴线,甚至会出现突然塌孔、无法返水返渣情况,致使孔内岩渣沉淀而堵塞,钻进无法继续,严重时会导致卡钻、埋钻等后果。遇到因地质情况而无法继续导孔钻进时,通常要进行灌浆处理,直到返水返渣恢复正常后方可继续钻进。

从实际施工情况看,采用孔底返浆、拔管法灌浆方法作为导孔护壁是可行的,效果也比较显著。

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