復雜地質條件下的地埋管換熱孔成孔工藝措施

馬 寧， 魏 巍，卜 穎

（1. 山東省煤田地質局，山東 271000；2. 山東宜美科節(jié)能服務有限責任公司，山東 250000）

復雜地質條件下的地埋管換熱孔成孔工藝措施

馬 寧1， 魏 巍2，卜 穎2

（1. 山東省煤田地質局，山東 271000；2. 山東宜美科節(jié)能服務有限責任公司，山東 250000）

根據(jù)統(tǒng)計，貴州省土壤源熱泵的利用情況遠落后于其它省份，原因是由于貴州省特殊的地質條件造成地埋管換熱孔施工難度及工程成本的大幅度增加造成的，故解決上述問題是在貴州省推廣土壤源熱泵系統(tǒng)的先決條件。本文針對貴州地區(qū)喀斯特地貌等復雜地質條件，特別是針對地下巖溶發(fā)育明顯的石灰?guī)r地區(qū)以及破碎、裂隙發(fā)育明顯的白云巖地區(qū)，根據(jù)貴州當?shù)氐某晒Π咐岢隽嗽趲r溶發(fā)育明顯的地區(qū)采用清水正循環(huán)回轉鉆進方式結合混合速凝劑的水泥漿回灌封孔固化后復鉆的成孔處理工藝，以及在破碎、裂隙發(fā)育明顯的地區(qū)采用添加火堿、纖維素、堵漏劑的混合泥漿作為護壁材料的正循環(huán)回轉鉆進方式，結合局部泥漿無法成功護壁的同時添加聚丙烯酰胺的成孔處理工藝。

喀斯特地貌；地埋管換熱孔；潛孔錘鉆機；回轉鉆進；泥漿

0 前言

由于地下土壤溫度常年恒定，冬季通過熱泵把大地中的熱量升溫后對建筑物供熱，同時向大地中注入冷源，蓄存冷量；夏季通過熱泵把建筑物中的熱量傳輸給大地，對建筑物降溫，同時在大地中蓄存熱量。

在土壤源熱泵系統(tǒng)中大地起到了蓄能器的作用，進一步提高了空調系統(tǒng)全年的能源利用效率。這種借助于地埋管換熱器完成與土壤源的冷熱交換的熱泵系統(tǒng)可稱之為“土壤源熱泵”。

我國從20世紀80年代開始土壤源熱泵技術的研究，90年代開始廣泛應用。近年來，地源熱泵技術開始大量應用于工程實踐，1996 年至今，遼寧、北京、河北、山東、河南、江蘇、浙江、湖北、上海等相繼建成了土壤源熱泵工程，基本覆蓋了我國黃河及長江以北的區(qū)域，并且隨著南方經濟的快速發(fā)展，以及人們對生活品質提升的需求，土壤源熱泵系統(tǒng)已逐漸向長江以南區(qū)域發(fā)展。

貴州省作為中國的西南大省，一直以其優(yōu)秀的自然生態(tài)資源環(huán)境作為其引以為傲的招商引資的資本，并且貴州省經濟建設發(fā)展的原則就是在不破壞自然生態(tài)資源環(huán)境基礎上發(fā)展經濟，而作為節(jié)能環(huán)保的土壤源熱泵系統(tǒng)既滿足了貴州省日益提高的生活水平，又貼合貴州省生態(tài)建設發(fā)展的原則，是貴州省改善生活品質，節(jié)約能源、避免生態(tài)環(huán)境污染的最優(yōu)選擇。

但目前的實際情況卻是貴州省土壤源熱泵系統(tǒng)的發(fā)展遠遠滯后于國內其他省份，究其原因主要是因為貴州省特殊的喀斯特地貌造成土壤源熱泵室外的地埋管換熱孔成孔困難，投資成本較其他省份提高30%～40%，嚴重制約了土壤源熱泵系統(tǒng)在貴州省的發(fā)展。基于這個原因，我們根據(jù)在貴州土壤源熱泵工程實例，結合在國內其他地區(qū)土壤源熱泵地埋管換熱孔成孔的特點，提出了幾種用于喀斯特及其他復雜地貌的地埋管換熱孔成孔工藝及措施。

1 常規(guī)地質情況下的地埋管換熱孔成孔工藝

（1）地層巖性以較軟巖 、較硬巖、堅硬巖為主的地埋管換熱孔成孔工藝

以較軟巖 、較硬巖、堅硬巖為主的地層主要分布于沿海城市、長江流域等地區(qū)，這種地質情況往往為表層較淺的幾米至十幾米的第四紀地層，采用常規(guī)的水文地質調查及水井鉆機雖然能夠進行施工，但是完成地埋管換熱孔單孔的施工周期一般都要7～15天左右，并且對于硬巖地層更是無法進行施工。以此為基礎，考慮到這種地層情況往往巖性比較完整，極少數(shù)存在破碎及溶蝕的情況，采用沖擊、回轉復合式潛孔錘鉆機，利用空氣動力沖擊回轉破碎巖石，特別適用于巖性比較完整的硬巖地質，成孔周期大約在1～2孔/24h，成孔率高，雖然單孔成本相對于水井鉆機提高5～8倍，但是大大加快了在巖石地質情況的下的土壤源熱泵的施工工期，是目前施工較軟巖、較硬巖、堅硬巖為主的地質情況下地埋管換熱孔的主流工藝（圖1、圖2）。

圖1 水文地質調查與水井鉆機施工地埋管換熱孔現(xiàn)場Fig.1 Heat pipe hole site hydrogeological investigation and construction of underground water well drilling rig

（2）第四系在20m至50m左右，其余地層為較軟巖 、較硬巖、堅硬巖的地埋管換熱孔成孔工藝

這種地質情況由于第四系覆蓋層數(shù)一般占整個地埋管換熱孔深度的1/3至1/2，如果降低地埋管換熱孔成孔的深度，即利用第四系換熱，在目前國內城市土地面積緊缺的情況以及換熱孔換熱的角度下考慮都是不合理的。如果僅采用水井鉆機施工，剩余的基巖部分基本無法施工成孔，而如果僅采用潛孔錘鉆機常規(guī)工藝進行施工，上部分的第四系松散地質在高壓的空氣沖擊下很容易變得更為松散造成塌孔埋鉆的鉆井事故。故單純采用常規(guī)工藝無法實現(xiàn)土壤源熱泵地埋管換熱孔的成孔。

圖2 潛孔錘鉆機施工地埋管換熱孔現(xiàn)場Fig.2 The heat exchanger tube hole site DTH rig construction ground

這種情況下，通過實際施工以及參考石油鉆井的經驗，采用兩種鉆孔成孔工藝解決，一種為采用水井鉆機+潛孔錘鉆機交替施工的型式，即上部分第四系采用泥漿護壁水井鉆機施工，鉆到基巖后更換潛孔錘鉆機施工，上半部分由于泥漿的護壁作用可以防止高壓吹塌井孔，這種方式優(yōu)點是施工費用低，缺點是單孔施工周期較長一般單孔至少需要24小時；另一種方式為采用潛孔錘鉆機跟管（套管）鉆進工藝（蔣榮慶等，1999；趙建勤等，2008），即潛孔錘鉆機施工將護壁套管跟隨鉆頭一起鉆進，利用套管對鉆孔進行護壁，優(yōu)點是鉆孔施工周期較第一種方式短，缺點是由于套管為循環(huán)使用材料，如第四系過深，50m或50m以上，套管的提取比較耗費時間。

2 復雜地質情況下的地埋管換熱孔成孔工藝

（1）貴州省地質特點

貴州地處祖國西南腹地，屬于云貴高原的一部份。位于西部特提斯構造域和東部瀕太平洋構造域的交接地帶，在長達10多億年的地質演化過程中，鑄就了現(xiàn)今的地質面貌。貴州區(qū)域地質特點主要包括以下4點：①由沉積巖組成，又以碳酸鹽巖地層最為發(fā)育。②沉積類型多樣，相變頗為復雜，但以淺海臺地相沉積為主。③受后期變形、變質作用影響較弱，剖面完整，層序較全。④富含化石。

表1 貴州碳酸鹽巖分布表Tab.1 Distribution of carbonate rocks in Guizhou

貴州的碳酸鹽巖分布廣泛（占全省面積的61.9%）、連片露出、巖類齊全、成因多樣、厚度很大（累計厚近10000m），賦存的地層層位較多（表1），是貴州喀斯特地貌形成的基礎。貴州的碳酸鹽巖主要有石灰?guī)r、白云巖兩大類，次為他們的過渡類型；每一類巖石還可以按成因-結構進一步分成若干類。但貴州碳酸鹽巖巖石中CaO含量較高，平均為48.93%，一些層位的純灰?guī)rCaO含量高達55%，有利于喀斯特作用的進行。因此，CaO含量高的石灰?guī)r一般喀斯特發(fā)育較好（李宗發(fā)，2011）。

由于貴州省全省范圍內喀斯特地貌分布，地下巖溶、裂隙、破碎發(fā)育明顯，并且由于地質變化規(guī)律性較差，故很可能相距100m左右的項目地質情況都差別很大。所以給采用土壤源熱泵系統(tǒng)帶來了極大的困難。

（2）巖溶發(fā)育明顯的地質情況下的地埋管換熱孔成孔工藝

巖溶發(fā)育明顯的地質情況下，由于地層普遍以較硬巖、堅硬巖為主，常規(guī)的水井鉆機不適用，而采用空氣動力的潛孔錘鉆機，由于溶洞、裂隙的存在，氣流被分散到巖溶縫隙里，鉆頭動力不足，高壓氣流無法將沖擊破碎后的巖粉送至地面，巖粉全部沉積在鉆孔中，造成無法下?lián)Q熱管或換熱管下不到位置的情況，并且如碰到溶洞層較大的情況，很可能造成鉆桿偏離，無法保證鉆孔的垂直度，造成穿孔事故。這也是造成貴州省土壤源熱泵工程造價居高不下的直接原因。

根據(jù)貴陽市某土壤源熱泵工程實際施工結果為例，該項目施工前期熱響應試驗孔時，由于試驗孔距離較遠，試驗孔巖溶發(fā)育不明顯，采用空氣潛孔錘鉆機完成了試驗孔的施工。但試驗孔的換熱管實際僅下管87m（設計100m）。根據(jù)實際試驗孔熱響應試驗測試后的巖土導熱系數(shù)進行設計后，項目共設計地埋管換熱孔800眼。并且根據(jù)前期的熱響應試驗施工情況選擇了空氣潛孔錘鉆機進行施工。

實際施工過程中發(fā)現(xiàn)，由于場地有限，為保證工期，鉆機安置臺數(shù)較多，采用空氣動力鉆進，造成了人為的地下溶洞、裂隙貫通，導致大多數(shù)鉆機無法施工，由于氣流的分散干擾，埋鉆、卡鉆現(xiàn)象，成孔后換熱管下不去的現(xiàn)象非常明顯，廢孔數(shù)約占到50%左右，這種情況下，根據(jù)多方專家的意見。將潛孔錘鉆機空氣動力去掉，改為僅采用泥漿護壁正循環(huán)回轉鉆進的工藝，并且將原施工用牙輪鉆頭調整為復合片鉆頭，為保證泥漿不漏進溶洞、裂隙中，采用膨潤土+火堿+纖維素調制泥漿。經過改進，明顯增加了地埋管換熱孔的成孔率，廢孔率降至10%以下。但是對于部分溶洞比較大的鉆孔，調制的泥漿無法堵住，導致無法成孔。針對這種溶洞較大的鉆孔，由于溶洞中普遍含水，故采用清水回轉鉆進工藝，保證施工過程中用水，待成孔后用灌漿泵將混合速凝劑的水泥漿自下而上灌注于孔中，待水泥漿凝結后再重新進行鉆孔，這種方式經過實際施工對于大溶洞的成孔率超過75%。另外，據(jù)了解，有新型潛孔錘鉆機可以實現(xiàn)100m深度的套管跟管鉆進，理論上可以實現(xiàn)地埋管換熱孔成孔，但具體施工成本及時間不得而知。

（3）含有破碎帶的復雜巖石地質情況下地埋管成孔工藝

地下巖溶發(fā)育為貴州省地質的一個顯著特點，而由于淺層風化造成的大范圍破碎帶的地質情況也多出現(xiàn)在貴州地區(qū)，且多見于白云巖地質。這種地質情況，由于100m以內的巖石存在不同程度的風化，巖石硬度較低，采用回轉鉆進工藝進度較快，但是由于破碎帶的存在，如果僅使用常規(guī)的膨潤土護壁，首先會因為漏漿影響成孔，其次會因為巖粉大量沉積影響成孔下管深度。根據(jù)貴州省某工程為例，此項目地質情況以強風化白云巖為主，地下破碎帶發(fā)育明顯。根據(jù)貴州省項目施工的經驗，本項目選擇復合式潛孔錘鉆機，采用泥漿護壁正循環(huán)回轉鉆進工藝，護壁泥漿采用膨潤土+火堿+纖維素的混合泥漿。但在實際施工過程中漏漿嚴重，并且由于項目施工用水緊缺，無法及時的補充水源導致多個鉆孔塌孔造成廢孔，基于上述問題，僅僅采用膨潤土+火堿+纖維素的混合泥漿無法實現(xiàn)堵漏效果，在此泥漿的基礎上，在混合泥漿中添加堵漏劑，實現(xiàn)部分淺層漏漿嚴重的鉆孔最終成孔。而部分破碎帶在深層的鉆孔還是存在漏漿現(xiàn)象，最終經過試驗選擇在鉆孔中投放聚丙烯酰胺（PAM）的方式（孫丙倫等，2009），成功堵住了部分鉆孔的深層漏點，由于采用多種堵漏的工藝，本項目的鉆孔廢孔率小于10%。

3 結論

（1）在貴州省采用土壤源熱泵系統(tǒng)，前期勘察及熱響應試驗孔施工建議在規(guī)范的基礎上增加勘察及試驗孔的數(shù)量，以盡量的能揭露項目所在地的地質情況為最佳。

（2）建議選擇復合式潛孔錘鉆機，采用正循環(huán)回轉鉆進的方式，盡量避免采用沖擊+回轉鉆進的工藝，但經過勘察測試巖性比較完整的區(qū)域除外。

（3）在喀斯特及復雜地質條件下鉆孔，建議采用膨潤土+火堿+纖維素以及添加多種其他化學物質的根據(jù)不同地質情況進行配比的泥漿。

（4）建議在勘察時根據(jù)巖溶發(fā)育走勢合理安排地埋管換熱孔布局，確屬地埋管換熱孔布置空間不夠的再利用地下巖溶發(fā)育的區(qū)域。

（5）由于在地下溶洞大的鉆孔中采用了回灌水泥漿處理，由于項目較少，還需進一步驗證是否對地下水以及地層情況產生不利影響。并且對于在建筑基底下埋設的地埋管換熱孔，由于貴州省夏季雨水量充沛，是否因為鉆孔干擾地層的疏水能力還需進一步驗證。

［1］蔣榮慶，殷琨. 潛孔錘鉆進的復雜地層中應用［J］.地質與勘探， 1999，35（6）：83～87.

［2］趙建勤，李子章，石紹云，等. 空氣潛孔錘跟管鉆進技術與應用［J］. 探礦工程：巖土鉆掘工程，2008，35（7）：55～59.

［3］李宗發(fā). 貴州喀斯特地貌分區(qū)［J］. 貴州地質，2011，28（3）：177～181.

［4］孫丙倫，陳師遜，陶士先. 復雜地層深孔鉆探泥漿護壁技術探討與實踐［J］. 中國農業(yè)氣象，2009，30（S2）：200～204.

Pore-forming Technology of the Ground-pipe Heat Exchanger under Complicated Geological Conditions

MA Ning1， WEI Wei2， BU Ying3
（1. Shandong Geological Bureau of Coal Mine， Shandong 271000； 2. Shandong Yimeike Energy Saving Service Co.， Ltd，Shandong 250000）

According to the statistics， the promotion of Ground Source Heat Pump （GSHP） in Guizhou is relative low comparing with other domestic provinces. The geological complexity in this area makes the construction of ground-pipe heat exchanger more diffcult and results in increase of costs. Therefore， solving the above problems is prerequisite to promote the application of GSHP system in Guizhou. According to successful cases in this area，the paper introduces new craft processes of pore-forming under complicated geological conditions such as karst topography in Guizhou， specifcally for limestone area， where the development of subground karst is obvious， it needs to adopt a repetitive drilling method based on a normal-circulation rotary drilling method using clear water，combined with a recirculation technology applying the liquid cement mixed with accelerating admixture. Besides，in the area with obvious development of fracture and crack， this paper puts forward a pore-forming technology by a normal-circulation rotary drilling method using mixed slurry-supported wall， which is added by caustic soda，cellulose and plugging agent， polyacrylamide to mix slurry-supported wall when local slurries couldn't support the wall of pore.

Karst topography； Ground-pipe heat exchanger； DTH hammer drill； Circulation rotary drilling； Slurries

TU83

A

1007-1903（2016）03-0049-05

10.3969/j.issn.1007-1903.2016.03.009

馬寧（1975- ），女，碩士，主要從事地質調查與礦產勘查。E-mail： maning118@126.com