CN105888551A - 反井法一次钻成长斜井凿井工艺 - Google Patents
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Abstract
一种反井法一次钻成长斜井凿井工艺，包括步骤①利用钻机完成斜井导孔钻进；②利用大型反井钻机采用反井法（先由下向上掘出斜井导孔，然后再由下向上扩孔成井的方法）将步骤①中所钻成的斜井导孔一次扩孔成井。步骤①包括如下步骤：a、确定斜井导孔的开孔位置：使用水准仪和经纬仪确定斜井井筒中心延长线的位置，斜井井筒中心延长线与上水平平硐地面交叉的位置即为斜井导孔的开孔位置；b、斜井导孔的钻进：斜井导孔钻进过程中，钻机的钻头自上水平平硐向下水平平硐钻进，直至钻头从下水平平硐露出。采用本发明钻进长斜井，可以使施工人员不再进入工作面进行操作，改善了施工人员的工作环境，避免了施工人员受到有害气体、淋水及落石等威胁。
Description
技术领域
本发明涉及抽水蓄能电站输水系统斜井建设领域，特别涉及一种反井法一次钻成长斜井凿井工艺。
背景技术
在抽水蓄能电站、水电站、冶金矿山中存在大量斜井井筒，其中抽水蓄能电站输水系统斜井多为采用45°～75°布置。斜井段的是整个输水系统建设的关键，通常斜井具有长度长、直径大的特点，长度一般为200m以上，直径6.0m～7.5m。目前这类斜井常规的施工方法采用“先导井开挖，后扩大开挖”的施工方法。先导井开挖又分为两张，一种是采用小型反井钻机钻凿导井（一般为1.4m左右），另一种是爬罐法。后扩大开挖是利用已经完成的导井作为溜渣井，通过人工进入到工作面钻眼、爆破、清理矸石的方法将导井刷大到设计直径。这些传统方法都需要大量人员进入工作面进行钻眼、装药、出渣、危石处理、支护的作业，受到有害气体、淋水、落石等威胁，伤亡事故时有发生。
发明内容
有鉴于此，本发明目的在于提供一种反井法一次钻成长斜井凿井工艺，不仅可以利用旋转导向技术保证钻孔精度、斜井钻井液保证高效携渣、大直径反井钻机一次扩孔到设计直径（6.0~7.5m），使施工人员不再进入工作面操作，改善作业环境，而且可以全机械化作业，减少施工工序、提高施工效率40%，同时也拓宽了反井钻机的应用范围。
为解决上述问题，本发明采用如下技术方案：
一种反井法一次钻成长斜井凿井工艺，包括如下步骤：
① 利用钻机完成斜井导孔钻进；
②利用大型反井钻机采用反井法（先由下向上掘出斜井导孔，然后再由下向上扩孔成井的方法）将步骤①中所钻成的斜井导孔一次扩孔成井。
优选的，所述步骤①包括如下步骤：
a、确定斜井导孔的开孔位置：使用水准仪和经纬仪确定斜井井筒中心延长线的位置，斜井井筒中心延长线与上水平平硐地面交叉的位置即为斜井导孔的开孔位置；
b、斜井导孔的钻进：斜井导孔钻进过程中，钻机的钻头自上水平平硐向下水平平硐钻进，直至钻头从下水平平硐露出。
优选的，所述步骤b中，开钻前对钻机进行定位和角度调整，包括如下步骤：
I、使用水准仪和经纬仪对钻机基础水准和坐标进行复核，以开孔中心的点为中心，放出田字形的控制线。钻机的主机就位，调整钻机的机座与相应控制线平行；采用线垂测量法在钻机的钻架的左右两边各悬挂一个线垂，然后通过在底板下方垫放调整构件调整钻机左右方向与地面的垂直度，垂直度的偏差小于或等于0.2‰；
II、调整钻机方位与斜度：用前后支撑调整油缸来调整钻机的姿态，使钻机的钻架角度与长斜井设计角度一致；钻机的钻杆的前端安装反井钻机导孔钻头；采用量角仪测量钻杆与地面垂直线角度，调整前后支撑油缸丝杠，微调钻机姿态，使钻杆轴线与斜井设计角度一致，偏差小于0.1‰。
优选的，所述步骤b中，在开钻前浇筑中心线与斜井井筒中心延长线同轴的混凝土孔槽。
优选的，所述步骤b中，开孔时，钻机转数为50～70r/min，钻压为400～600kg，泵量为600～800L/min；所述步骤b中所用钻机为具备螺杆纠偏功能的斜井钻机。
优选的，所述步骤b中，每钻进15米对斜井导孔进行一次孔斜测量；当斜井导孔孔斜超偏时，采用弯螺杆或弯螺杆与钻机的钻杆及钻头配合对斜井导孔进行纠斜，并且缩短两个相邻斜井导孔孔斜测量点之间的距离。
优选的，所述步骤b中，在斜井导孔钻进过程中，岩屑通过钻井液正循环沿着钻机的钻杆与斜井导孔孔壁之间的环形空间被提取出来，并排入上水平巷道。
优选的，所述钻井液包括以下重量百分数计的组分：85.5～93.8%水、3～5%膨润土、0.2～0.5%纯碱、1～3%降粘降滤失剂、1～3%护壁剂和1～3%润滑剂。
优选的，所述步骤②中，在斜井导孔钻成后，采用大型反井钻机对斜井导孔进行一次扩孔成井，所述大型反井钻机通过大直径反井钻井分体式扩孔钻头对斜井导孔进行一次扩孔成井，所述大直径反井钻井分体式扩孔钻头包括第一扩孔钻头和第二扩孔钻头；所述第一扩孔钻头的下端与所述第二扩孔钻头的上端固定连接，所述第一扩孔钻头的直径小于所述第二扩孔钻头的直径；所述第一扩孔钻头包括第一破岩滚刀、第一肋板、第一安装板和第一连接板，所述第一破岩滚刀沿所述第一安装板周向分布在所述第一安装板的上板面上并与所述第一安装板固定连接，所述第一肋板的上端与所述第一安装板的下板面固定连接，所述第一肋板的下端与所述第一连接板的上板面固定连接；
所述第二扩孔钻头包括第二破岩滚刀、第二肋板、第二安装板和第二连接板，所述第二破岩滚刀沿所述第二安装板周向设在临近所述第二安装板外沿的所述第二安装板的上板面上并与所述第二安装板的上板面固定连接，所述第二肋板的上端与所述第二安装板的下板面固定连接，所述第二肋板的下端与所述第二连接板的上板面固定连接；所述第一连接板与所述第二安装板通过螺栓固定连接。
优选的，所述步骤②中，在布置大型反井钻机时，先按照钻孔中心点的十字记号线方向放置底板，然后将基础钢梁利用基础预留的浇筑孔固定，初凝两天，利用吊车把大型反井钻机的主机放置在基础钢梁上，将主机底座与钢梁用高强度螺栓连接固定，然后等接电后立起大型反井钻机；在完成大型反井钻机安装调试之后，启动大型反井钻机，通过大直径反井钻井分体式扩孔钻头将斜井导孔一次性扩孔成斜井井筒。
本发明的有益效果是：
1.采用本发明钻进长斜井，可以使施工人员不再进入工作面进行操作，改善了施工人员的工作环境，避免了施工人员受到有害气体、淋水及落石等威胁。
2.本发明可以使长斜井钻井采用全机械化作业，减少施工工序，提高施工效率40%。
附图说明
图1为本发明反井法一次钻成长斜井凿井工艺施工现场示意图；
图2为本发明反井法一次钻成长斜井凿井工艺的斜井导孔钻进示意图；
图3为本发明反井法一次钻成长斜井凿井工艺的斜井导孔一次扩孔成井示意图；
图4为本发明反井法一次钻成长斜井凿井工艺的大直径扩孔钻头的结构示意图。
图中：100-钻机，110-钻杆，120-大直径扩孔反井钻井分体式钻头，121-第一扩孔钻头，1211-第一破岩滚刀，1212-第一安装板，1213-第一肋板，1214-第一连接板，122-第二扩孔钻头，1221-第二破岩滚刀，1222-第二安装板，1223-第二肋板，1224-第二连接板，123-螺栓；200-操作台；300-副泵站；400-主泵站；500-钻杆放置区；600-泥浆泵；700-清水池；800-泥浆吸水池；900-泥浆沉淀池。
具体实施方式
为清楚说明本发明中的方案，下面给出优选的实施例并结合附图1-4详细说明。
本实施例以抽水蓄能电站400m级斜井钻进为例对发明进行详细说明，采用本发明一次钻成所述抽水蓄能电站400m级斜井的步骤如下：
①施工场地布置：为了便于施工的进行，减少施工过程中出现施工事故，设备应根据施工现场的环境进行合理布置，尤其是操作台200、主泵站400、副泵站300以及泥浆泵600的布置，如图1所示，布置过程中应注意以下四点：
1）操作台200的位置应选在操作手视线较好的地方，便于操作钻机100；
2）副泵站300不能距离钻机100的主机和操作车太远，以免油管长度不够；
3）泥浆泵600要靠近清水池700、泥浆吸水池800及泥浆沉淀池900；
4）以上设备摆放不得影响钻杆放置区500内钻杆110的放置。
②斜井导孔钻进，包括如下步骤：
a、确定斜井导孔的开孔位置
使用水准仪和经纬仪确定输水系统斜井井筒中心延长线位置，输水系统斜井井筒中心延长线与上水平平硐地面交叉的位置即为斜井导孔的开孔位置。
b、斜井导孔钻进
在开孔前，需要将钻机安装就位并将钻机锁固。在将钻机安装就位过程中，需对钻机进行定位和角度调整，由于此步骤直接关系到斜井导孔的偏斜度，进而决定着施工的成败，所以必须高度重视，故将其分为两步进行：
I、使用水准仪和经纬仪对钻机基础水准和坐标进行复核，以开孔中心的点为中心，放出田字形控制线。钻机主机就位，调整钻机机座与相应控制线平行。采用线垂测量法在钻架的左右两边各悬挂一个线垂，然后通过在底板下方垫放调整构件调整钻机左右方向与地面的垂直度，垂直度的偏差小于或等于0.2‰。
II、调整钻机方位与斜度：用前后支撑调整油缸，调整钻机姿态，使其钻架角度与长斜井设计角度一致。钻机的钻杆的前端安装反井钻机导孔钻头。采用量角仪测量钻杆与地面垂直线角度，调整前后支撑油缸丝杠，微调钻机姿态，使钻杆轴线与斜井设计角度一致，偏差小于0.1‰。对钻进进行完角度调整后，还需再用专用设备测量钻机方位，确定无误后才可进行下一步施工操作。
在对完成钻机定位与角度调整后，将水、电及油管连接好就可以进行钻机的调试了。首先全面检查各部件安装连接是否正确，然后再合上电闸启动电机。启动后先观察电机和油泵的运转是否正常，再观察主、副泵压力表；其空载压力为：主泵0.8-1.2MPa；副泵0.1-0.2MPa；若不正常应检查处理，正常后再启动液压马达和推力油缸空载运行。一切无误后方可进行开孔钻进。
为了确保斜井导孔的偏斜度以及开孔顺利，同时为了保证钻头顺利下钻，在斜井导孔开钻前要提前浇筑出与输水系统斜井井筒中心线一致的混凝土孔槽。而斜井导孔的开孔直径大小可以根据选用的钻杆直径大小确定，例如钻杆直径为367mm时，斜井导孔开孔所用的反井钻机导孔钻头直径则需要380mm。
鉴于目前反井钻机导孔钻进不具备纠偏的功能，偏斜率难以满足工程需要，本实施例中采用具备螺杆纠偏功能的TDX1500的斜井钻机钻进。在斜井导孔钻进过程中，反井钻机导孔钻头自上水平平硐向下水平平硐钻进，直至反井钻机导孔钻头从下水平平硐中露出，而斜井导孔钻进过程中产生的岩屑则通过钻井液的正循环沿着钻杆与孔壁之间的环形空间被提取出来，并排入上水平巷道。由于一次钻凿反井的扩孔直径大，约6.0～7.5m，需要钻机钻杆直径大，导孔破岩体积大，岩屑多，易引起岩屑沉积，导致摩阻力及扭矩增大，进而会引起卡钻事故，因此斜井导孔钻进过程中应以轻压、慢转、大泵量为宜，本实施例中，钻机转数为60r/min，钻压为500kg，泵量为600～800L/min。
为了保证钻井液的携带能力，本实施例中，采用主要由85.5～93.8wt%水、3～5wt%膨润土、0.2～0.5wt%纯碱、1～3wt%降粘降滤失剂、1～3wt%护壁剂和1～3wt%润滑剂组成的钻井液，其性能指标如表1所示。
表1 钻井液性能主要指标
| 指标名称 | 粘度s | 密度/cm3 | 失水量 mL | PH | 含砂量% |
| 指标数值 | 30-40 | 1.03-1.15 | ＜10 | 8-9 | ＜1 |
而为了保证钻井液的携带能力，避免出现岩屑沉积，需对钻井液性能进行监测，并对钻井液进行性能维护。斜井导孔钻进过程中，每日需对钻井液性能进行一次测定，如果钻井液的性能不符合施工要求，要及时找出原因，并加入相应的处理剂进行调整，如降粘降滤失剂、增粘防塌剂、高效堵漏剂、高效润滑剂等，并使用钻井液机械净化装置对泥浆槽和沉淀池进行清理。一旦钻井液性能发生改变，必须在钻井液性能调整至符合施工要求之后才可恢复斜井导孔钻进。
由于在斜井导孔钻进过程中，斜井导孔可能出现偏斜，因此斜井导孔每钻进一段长度之后就需对斜井导孔的孔斜进行测量，本实施例中，在斜井导孔每钻进15米时采用KXP-2E型遥控数字测斜仪对斜井导孔的孔斜测量一次。而当斜井导孔的孔斜超偏时，应当增加测量次数，即缩短两个相邻测量点的距离，不再以每钻进15米测量一次为操作标准，同时及时制定纠偏设计，增加或降低造斜率。而在对斜井导孔进行纠偏时，可以根据制定的纠偏设计以及钻孔孔径，采用弯螺杆或弯螺杆与钻机的钻杆及钻头配合进行造斜或纠斜的定向钻进操作，使钻孔回到中心位置，定向后对新钻进段，利用随钻测斜仪进行测量。如测量不能满足钻孔设计要求，重新进行定向长度及纠偏角度设计，并重新进行钻孔定向操作直至达到设计要求。
（3）将步骤②中所钻成的定向导孔扩孔成井
在斜井导孔钻成后，采用大型反井钻机对斜井导孔进行一次扩孔成井，本实施例中选用BMC型大型反井钻机，施工布置图如图2所示。在对斜井导孔进行扩孔时，采用大直径反井钻井分体式扩孔钻头120，如图2～4所示，大直径反井钻井分体式扩孔钻头120包括第一扩孔钻头121和第二扩孔钻头122，第一扩孔钻头121的下端与所述第二扩孔钻头122的上端固定连接，第一扩孔钻头121的直径小于第二扩孔钻头122的直径；第一扩孔钻头121包括第一破岩滚刀1211、第一肋板1213、第一安装板1212和第一连接板1214，第一破岩滚刀1211沿所述第一安装板1212周向分布在所述第一安装板1212的上板面上并与所述第一安装板1212固定连接，第一肋板1213的上端与所述第一安装板1212的下板面固定连接，第一肋板1213的下端与所述第一连接板1214的上板面固定连接；第二扩孔钻头122包括第二破岩滚刀1221、第二肋板1223、第二安装板1222和第二连接板1224，第二破岩滚刀1221沿所述第二安装板1222周向设在临近第二安装板1222外沿的第二安装板1222的上板面上并与第二安装板1222的上板面固定连接，第二肋板1223的上端与第二安装板1222的下板面固定连接，第二肋板1223的下端与第二连接板1224的上板面固定连接；第一连接板1214与第二安装板1222通过螺栓123固定连接。
大直径反井钻井分体式扩孔钻头采用“塔式”的梯形结构，第二扩孔钻头与岩石接触面为斜锥形，可以保证大直径反井钻井分体式扩孔钻头在破岩工作中的稳定性，防止第一扩孔钻头因破岩冲击而造成钻具的左右摆动；该钻头整体结构简单，拆分后单件运输尺寸小、质量轻，可以满足井下狭窄巷道的运输要求，组装和拆卸方便快捷。
在布置大型反井钻机时，先按照钻孔中心点的十字记号线方向放置底板，然后将基础钢梁利用基础预留的浇筑孔固定，初凝两天，即可利用吊车把大型反井钻机的主机放置在基础钢梁上，将主机底座与钢梁用高强度螺栓连接固定，然后可等接电后立起大型反井钻机的主机。
在完成大型反井钻机安装调试之后，即可启动所述大型反井钻机通过所述大直径反井钻井分体式扩孔钻头120将斜井导孔一次性扩孔成斜井井筒，岩屑靠自重直接落到下水平巷道内，而无需通过人工进入到工作面钻眼、爆破、清理矸石的方法将导井刷大到设计直径，从而可以减少施工工序，提高施工效率40%。
上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明创造所作的举例，而并非对本发明创造具体实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所引伸出的任何显而易见的变化或变动仍处于本发明创造权利要求的保护范围之中。
Claims (10)
1.一种反井法一次钻成长斜井凿井工艺，其特征在于，包括如下步骤：
①利用钻机完成斜井导孔钻进；
②利用大型反井钻机采用反井法将步骤①中所钻成的斜井导孔一次扩孔成井。
2.根据权利要求1所述的反井法一次钻成长斜井凿井工艺，其特征在于，所述步骤①包括如下步骤：
a、确定斜井导孔的开孔位置：使用水准仪和经纬仪确定斜井井筒中心延长线的位置，斜井井筒中心延长线与上水平平硐地面交叉的位置即为斜井导孔的开孔位置；
b、斜井导孔的钻进：斜井导孔钻进过程中，钻机的钻头自上水平平硐向下水平平硐钻进，直至钻头从下水平平硐露出。
3.根据权利要求2所述的反井法一次钻成长斜井凿井工艺，其特征在于，所述步骤b中，开钻前对钻机进行定位和角度调整，包括如下步骤：
I、使用水准仪和经纬仪对钻机基础水准和坐标进行复核，以开孔中心的点为中心，放出田字形的控制线；
钻机的主机就位，调整钻机的机座与相应控制线平行；采用线垂测量法在钻机的钻架的左右两边各悬挂一个线垂，然后通过在底板下方垫放调整构件调整钻机左右方向与地面的垂直度，垂直度的偏差小于或等于0.2‰；
II、调整钻机方位与斜度：用前后支撑调整油缸来调整钻机的姿态，使钻机的钻架角度与长斜井设计角度一致；钻机的钻杆的前端安装反井钻机导孔钻头；采用量角仪测量钻杆与地面垂直线角度，调整前后支撑油缸丝杠，微调钻机姿态，使钻杆轴线与斜井设计角度一致，偏差小于0.1‰。
4.根据权利要求3所述的反井法一次钻成长斜井凿井工艺，其特征在于，所述步骤b中，在开钻前浇筑中心线与斜井井筒中心延长线同轴的混凝土孔槽。
5.根据权利要求4所述的反井法一次钻成长斜井凿井工艺，其特征在于，所述步骤b中，开孔时，钻机转数为50～70r/min，钻压为400～600kg，泵量为600～800L/min；所述步骤b中所用钻机为具备螺杆纠偏功能的斜井钻机。
6.根据权利要求5所述的反井法一次钻成长斜井凿井工艺，其特征在于，所述步骤b中，每钻进15米对斜井导孔进行一次孔斜测量；当斜井导孔孔斜超偏时，采用弯螺杆或弯螺杆与钻机的钻杆及钻头配合对斜井导孔进行纠斜，并且缩短两个相邻斜井导孔孔斜测量点之间的距离。
7.根据权利要求6所述的反井法一次钻成长斜井凿井工艺，其特征在于，所述步骤b中，在斜井导孔钻进过程中，岩屑通过钻井液正循环沿着钻机的钻杆与斜井导孔孔壁之间的环形空间被提取出来，并排入上水平巷道。
8.根据权利要求7所述的反井法一次钻成长斜井凿井工艺，其特征在于，所述钻井液包括以下重量百分数计的组分：85.5～93.8%水、3～5%膨润土、0.2～0.5%纯碱、1～3%降粘降滤失剂、1～3%护壁剂和1～3%润滑剂。
9.根据权利要求1～8任一所述的反井法一次钻成长斜井凿井工艺，其特征在于，所述步骤②中，在斜井导孔钻成后，采用大型反井钻机对斜井导孔进行一次扩孔成井，所述大型反井钻机通过大直径反井钻井分体式扩孔钻头对斜井导孔进行一次扩孔成井，所述大直径反井钻井分体式扩孔钻头包括第一扩孔钻头和第二扩孔钻头；所述第一扩孔钻头的下端与所述第二扩孔钻头的上端固定连接，所述第一扩孔钻头的直径小于所述第二扩孔钻头的直径；所述第一扩孔钻头包括第一破岩滚刀、第一肋板、第一安装板和第一连接板，所述第一破岩滚刀沿所述第一安装板周向分布在所述第一安装板的上板面上并与所述第一安装板固定连接，所述第一肋板的上端与所述第一安装板的下板面固定连接，所述第一肋板的下端与所述第一连接板的上板面固定连接；
所述第二扩孔钻头包括第二破岩滚刀、第二肋板、第二安装板和第二连接板，所述第二破岩滚刀沿所述第二安装板周向设在临近所述第二安装板外沿的所述第二安装板的上板面上并与所述第二安装板的上板面固定连接，所述第二肋板的上端与所述第二安装板的下板面固定连接，所述第二肋板的下端与所述第二连接板的上板面固定连接；所述第一连接板与所述第二安装板通过螺栓固定连接。
10.根据权利要求9所述的反井法一次钻成长斜井凿井工艺，其特征在于，所述步骤②中，在布置大型反井钻机时，先按照钻孔中心点的十字记号线方向放置底板，然后将基础钢梁利用基础预留的浇筑孔固定，初凝两天，利用吊车把大型反井钻机的主机放置在基础钢梁上，将主机底座与钢梁用高强度螺栓连接固定，然后等接电后立起大型反井钻机的主机；在完成大型反井钻机安装调试之后，启动大型反井钻机，通过大直径反井钻井分体式扩孔钻头将斜井导孔一次性扩孔成斜井井筒。
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