复杂地质条件下的地埋管换热孔成孔工艺措施

马 宁， 魏 巍，卜 颖

（1. 山东省煤田地质局，山东 271000；2. 山东宜美科节能服务有限责任公司，山东 250000）

复杂地质条件下的地埋管换热孔成孔工艺措施

马 宁1， 魏 巍2，卜 颖2

（1. 山东省煤田地质局，山东 271000；2. 山东宜美科节能服务有限责任公司，山东 250000）

根据统计，贵州省土壤源热泵的利用情况远落后于其它省份，原因是由于贵州省特殊的地质条件造成地埋管换热孔施工难度及工程成本的大幅度增加造成的，故解决上述问题是在贵州省推广土壤源热泵系统的先决条件。本文针对贵州地区喀斯特地貌等复杂地质条件，特别是针对地下岩溶发育明显的石灰岩地区以及破碎、裂隙发育明显的白云岩地区，根据贵州当地的成功案例，提出了在岩溶发育明显的地区采用清水正循环回转钻进方式结合混合速凝剂的水泥浆回灌封孔固化后复钻的成孔处理工艺，以及在破碎、裂隙发育明显的地区采用添加火碱、纤维素、堵漏剂的混合泥浆作为护壁材料的正循环回转钻进方式，结合局部泥浆无法成功护壁的同时添加聚丙烯酰胺的成孔处理工艺。

喀斯特地貌；地埋管换热孔；潜孔锤钻机；回转钻进；泥浆

0 前言

由于地下土壤温度常年恒定，冬季通过热泵把大地中的热量升温后对建筑物供热，同时向大地中注入冷源，蓄存冷量；夏季通过热泵把建筑物中的热量传输给大地，对建筑物降温，同时在大地中蓄存热量。

在土壤源热泵系统中大地起到了蓄能器的作用，进一步提高了空调系统全年的能源利用效率。这种借助于地埋管换热器完成与土壤源的冷热交换的热泵系统可称之为“土壤源热泵”。

我国从20世纪80年代开始土壤源热泵技术的研究，90年代开始广泛应用。近年来，地源热泵技术开始大量应用于工程实践，1996 年至今，辽宁、北京、河北、山东、河南、江苏、浙江、湖北、上海等相继建成了土壤源热泵工程，基本覆盖了我国黄河及长江以北的区域，并且随着南方经济的快速发展，以及人们对生活品质提升的需求，土壤源热泵系统已逐渐向长江以南区域发展。

贵州省作为中国的西南大省，一直以其优秀的自然生态资源环境作为其引以为傲的招商引资的资本，并且贵州省经济建设发展的原则就是在不破坏自然生态资源环境基础上发展经济，而作为节能环保的土壤源热泵系统既满足了贵州省日益提高的生活水平，又贴合贵州省生态建设发展的原则，是贵州省改善生活品质，节约能源、避免生态环境污染的最优选择。

但目前的实际情况却是贵州省土壤源热泵系统的发展远远滞后于国内其他省份，究其原因主要是因为贵州省特殊的喀斯特地貌造成土壤源热泵室外的地埋管换热孔成孔困难，投资成本较其他省份提高30%～40%，严重制约了土壤源热泵系统在贵州省的发展。基于这个原因，我们根据在贵州土壤源热泵工程实例，结合在国内其他地区土壤源热泵地埋管换热孔成孔的特点，提出了几种用于喀斯特及其他复杂地貌的地埋管换热孔成孔工艺及措施。

1 常规地质情况下的地埋管换热孔成孔工艺

（1）地层岩性以较软岩 、较硬岩、坚硬岩为主的地埋管换热孔成孔工艺

以较软岩 、较硬岩、坚硬岩为主的地层主要分布于沿海城市、长江流域等地区，这种地质情况往往为表层较浅的几米至十几米的第四纪地层，采用常规的水文地质调查及水井钻机虽然能够进行施工，但是完成地埋管换热孔单孔的施工周期一般都要7～15天左右，并且对于硬岩地层更是无法进行施工。以此为基础，考虑到这种地层情况往往岩性比较完整，极少数存在破碎及溶蚀的情况，采用冲击、回转复合式潜孔锤钻机，利用空气动力冲击回转破碎岩石，特别适用于岩性比较完整的硬岩地质，成孔周期大约在1～2孔/24h，成孔率高，虽然单孔成本相对于水井钻机提高5～8倍，但是大大加快了在岩石地质情况的下的土壤源热泵的施工工期，是目前施工较软岩、较硬岩、坚硬岩为主的地质情况下地埋管换热孔的主流工艺（图1、图2）。

图1 水文地质调查与水井钻机施工地埋管换热孔现场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，其余地层为较软岩 、较硬岩、坚硬岩的地埋管换热孔成孔工艺

这种地质情况由于第四系覆盖层数一般占整个地埋管换热孔深度的1/3至1/2，如果降低地埋管换热孔成孔的深度，即利用第四系换热，在目前国内城市土地面积紧缺的情况以及换热孔换热的角度下考虑都是不合理的。如果仅采用水井钻机施工，剩余的基岩部分基本无法施工成孔，而如果仅采用潜孔锤钻机常规工艺进行施工，上部分的第四系松散地质在高压的空气冲击下很容易变得更为松散造成塌孔埋钻的钻井事故。故单纯采用常规工艺无法实现土壤源热泵地埋管换热孔的成孔。

图2 潜孔锤钻机施工地埋管换热孔现场Fig.2 The heat exchanger tube hole site DTH rig construction ground

这种情况下，通过实际施工以及参考石油钻井的经验，采用两种钻孔成孔工艺解决，一种为采用水井钻机+潜孔锤钻机交替施工的型式，即上部分第四系采用泥浆护壁水井钻机施工，钻到基岩后更换潜孔锤钻机施工，上半部分由于泥浆的护壁作用可以防止高压吹塌井孔，这种方式优点是施工费用低，缺点是单孔施工周期较长一般单孔至少需要24小时；另一种方式为采用潜孔锤钻机跟管（套管）钻进工艺（蒋荣庆等，1999；赵建勤等，2008），即潜孔锤钻机施工将护壁套管跟随钻头一起钻进，利用套管对钻孔进行护壁，优点是钻孔施工周期较第一种方式短，缺点是由于套管为循环使用材料，如第四系过深，50m或50m以上，套管的提取比较耗费时间。

2 复杂地质情况下的地埋管换热孔成孔工艺

（1）贵州省地质特点

贵州地处祖国西南腹地，属于云贵高原的一部份。位于西部特提斯构造域和东部濒太平洋构造域的交接地带，在长达10多亿年的地质演化过程中，铸就了现今的地质面貌。贵州区域地质特点主要包括以下4点：①由沉积岩组成，又以碳酸盐岩地层最为发育。②沉积类型多样，相变颇为复杂，但以浅海台地相沉积为主。③受后期变形、变质作用影响较弱，剖面完整，层序较全。④富含化石。

表1 贵州碳酸盐岩分布表Tab.1 Distribution of carbonate rocks in Guizhou

贵州的碳酸盐岩分布广泛（占全省面积的61.9%）、连片露出、岩类齐全、成因多样、厚度很大（累计厚近10000m），赋存的地层层位较多（表1），是贵州喀斯特地貌形成的基础。贵州的碳酸盐岩主要有石灰岩、白云岩两大类，次为他们的过渡类型；每一类岩石还可以按成因-结构进一步分成若干类。但贵州碳酸盐岩岩石中CaO含量较高，平均为48.93%，一些层位的纯灰岩CaO含量高达55%，有利于喀斯特作用的进行。因此，CaO含量高的石灰岩一般喀斯特发育较好（李宗发，2011）。

由于贵州省全省范围内喀斯特地貌分布，地下岩溶、裂隙、破碎发育明显，并且由于地质变化规律性较差，故很可能相距100m左右的项目地质情况都差别很大。所以给采用土壤源热泵系统带来了极大的困难。

（2）岩溶发育明显的地质情况下的地埋管换热孔成孔工艺

岩溶发育明显的地质情况下，由于地层普遍以较硬岩、坚硬岩为主，常规的水井钻机不适用，而采用空气动力的潜孔锤钻机，由于溶洞、裂隙的存在，气流被分散到岩溶缝隙里，钻头动力不足，高压气流无法将冲击破碎后的岩粉送至地面，岩粉全部沉积在钻孔中，造成无法下换热管或换热管下不到位置的情况，并且如碰到溶洞层较大的情况，很可能造成钻杆偏离，无法保证钻孔的垂直度，造成穿孔事故。这也是造成贵州省土壤源热泵工程造价居高不下的直接原因。

根据贵阳市某土壤源热泵工程实际施工结果为例，该项目施工前期热响应试验孔时，由于试验孔距离较远，试验孔岩溶发育不明显，采用空气潜孔锤钻机完成了试验孔的施工。但试验孔的换热管实际仅下管87m（设计100m）。根据实际试验孔热响应试验测试后的岩土导热系数进行设计后，项目共设计地埋管换热孔800眼。并且根据前期的热响应试验施工情况选择了空气潜孔锤钻机进行施工。

实际施工过程中发现，由于场地有限，为保证工期，钻机安置台数较多，采用空气动力钻进，造成了人为的地下溶洞、裂隙贯通，导致大多数钻机无法施工，由于气流的分散干扰，埋钻、卡钻现象，成孔后换热管下不去的现象非常明显，废孔数约占到50%左右，这种情况下，根据多方专家的意见。将潜孔锤钻机空气动力去掉，改为仅采用泥浆护壁正循环回转钻进的工艺，并且将原施工用牙轮钻头调整为复合片钻头，为保证泥浆不漏进溶洞、裂隙中，采用膨润土+火碱+纤维素调制泥浆。经过改进，明显增加了地埋管换热孔的成孔率，废孔率降至10%以下。但是对于部分溶洞比较大的钻孔，调制的泥浆无法堵住，导致无法成孔。针对这种溶洞较大的钻孔，由于溶洞中普遍含水，故采用清水回转钻进工艺，保证施工过程中用水，待成孔后用灌浆泵将混合速凝剂的水泥浆自下而上灌注于孔中，待水泥浆凝结后再重新进行钻孔，这种方式经过实际施工对于大溶洞的成孔率超过75%。另外，据了解，有新型潜孔锤钻机可以实现100m深度的套管跟管钻进，理论上可以实现地埋管换热孔成孔，但具体施工成本及时间不得而知。

（3）含有破碎带的复杂岩石地质情况下地埋管成孔工艺

地下岩溶发育为贵州省地质的一个显著特点，而由于浅层风化造成的大范围破碎带的地质情况也多出现在贵州地区，且多见于白云岩地质。这种地质情况，由于100m以内的岩石存在不同程度的风化，岩石硬度较低，采用回转钻进工艺进度较快，但是由于破碎带的存在，如果仅使用常规的膨润土护壁，首先会因为漏浆影响成孔，其次会因为岩粉大量沉积影响成孔下管深度。根据贵州省某工程为例，此项目地质情况以强风化白云岩为主，地下破碎带发育明显。根据贵州省项目施工的经验，本项目选择复合式潜孔锤钻机，采用泥浆护壁正循环回转钻进工艺，护壁泥浆采用膨润土+火碱+纤维素的混合泥浆。但在实际施工过程中漏浆严重，并且由于项目施工用水紧缺，无法及时的补充水源导致多个钻孔塌孔造成废孔，基于上述问题，仅仅采用膨润土+火碱+纤维素的混合泥浆无法实现堵漏效果，在此泥浆的基础上，在混合泥浆中添加堵漏剂，实现部分浅层漏浆严重的钻孔最终成孔。而部分破碎带在深层的钻孔还是存在漏浆现象，最终经过试验选择在钻孔中投放聚丙烯酰胺（PAM）的方式（孙丙伦等，2009），成功堵住了部分钻孔的深层漏点，由于采用多种堵漏的工艺，本项目的钻孔废孔率小于10%。

3 结论

（1）在贵州省采用土壤源热泵系统，前期勘察及热响应试验孔施工建议在规范的基础上增加勘察及试验孔的数量，以尽量的能揭露项目所在地的地质情况为最佳。

（2）建议选择复合式潜孔锤钻机，采用正循环回转钻进的方式，尽量避免采用冲击+回转钻进的工艺，但经过勘察测试岩性比较完整的区域除外。

（3）在喀斯特及复杂地质条件下钻孔，建议采用膨润土+火碱+纤维素以及添加多种其他化学物质的根据不同地质情况进行配比的泥浆。

（4）建议在勘察时根据岩溶发育走势合理安排地埋管换热孔布局，确属地埋管换热孔布置空间不够的再利用地下岩溶发育的区域。

（5）由于在地下溶洞大的钻孔中采用了回灌水泥浆处理，由于项目较少，还需进一步验证是否对地下水以及地层情况产生不利影响。并且对于在建筑基底下埋设的地埋管换热孔，由于贵州省夏季雨水量充沛，是否因为钻孔干扰地层的疏水能力还需进一步验证。

［1］蒋荣庆，殷琨. 潜孔锤钻进的复杂地层中应用［J］.地质与勘探， 1999，35（6）：83～87.

［2］赵建勤，李子章，石绍云，等. 空气潜孔锤跟管钻进技术与应用［J］. 探矿工程：岩土钻掘工程，2008，35（7）：55～59.

［3］李宗发. 贵州喀斯特地貌分区［J］. 贵州地质，2011，28（3）：177～181.

［4］孙丙伦，陈师逊，陶士先. 复杂地层深孔钻探泥浆护壁技术探讨与实践［J］. 中国农业气象，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

马宁（1975- ），女，硕士，主要从事地质调查与矿产勘查。E-mail： maning118@126.com