贵州岩溶疏干区浅层地热能地埋管施工技术

陈 浩，赵华宣，贾玉川，曾远明，汤自华，王 虎，李 勇

（1.贵州省地质矿产勘查开发局114 地质大队，贵州 遵义563000；2.贵州省地质矿产勘查开发局111 地质大队，贵州 贵阳550008）

0 引言

贵州省浅层地热能资源赋存量及开发潜力巨大，仅主要城市地表以下100 m 深度内浅层地热能总热容量达35.2×1013kJ/℃［1-2］。贵州浅层地热能勘查及开发起步较晚［3-4］，地埋管施工沿用复合片正循环回转或空气潜孔锤钻进、人工结合机械配重下管及原浆回填等相关工艺技术，适宜贵州绝大部分区域，也推动了浅层地热能的开发利用。

贵州属典型喀斯特地貌，碳酸盐岩地层占全省面积60%以上，浅表岩溶裂隙极为发育［5-6］。局部区域在溶蚀、断裂构造及河流深切割作用下，岩溶裂隙（溶洞）发育、地下水位埋深大，地埋管埋置深度内无水，呈岩溶疏干区，地埋管施工面临浅表松散回填及岩溶软弱层成孔困难、全孔段无液面、潜孔锤钻进粉尘污染环境、溶洞跑管（PE 管）等技术难题，沿用上述施工技术存在施工困难、效率低且工程进度、质量、安全难掌控的问题，需采取有效的技术措施以提高施工效率和质量及确保施工安全。本文通过贵州仁怀妇幼保健院浅层地温中央空调地埋管工程实例，介绍了厚度较大的松散软弱层采用偏心潜孔锤跟管钻进、潜孔锤钻进、不拆卸简便除尘器除尘、提吊法下管等施工技术和成功经验，为同类地层地埋管施工提供借鉴和参考。

1 工程概况及地层特征

1.1 工程概况

贵州仁怀妇幼保健院浅层地温中央空调项目位于仁怀市盐津街道周林学校正西边约150 m、距盐津河250～500 m，高出盐津河面约200 m，为在建项目，房屋建筑面积55111.3 m2，地上4 层、地下1层，采用地源热泵空调系统，供热、制冷面积46861.3 m2。地埋管系统沿建筑物周边场地分A～F 总计6个区，设计钻孔690 个，总延米82800 m。

1.2 地层特征

建设场地属扬子准地台黔北台隆遵义断拱凤冈北北东向构造变形区，断裂构造发育。地埋管埋置区为新建开挖回填的场地，钻探揭露表层0.5～4.0 m 为回填及开挖破碎层，下伏地层为寒武系芙蓉统娄山关组白云岩，受溶蚀、袍桐坪断层及盐津河深切割作用［7］，浅层岩溶裂隙发育，局部软弱破碎（最深达22 m），下部溶蚀裂隙发育，A 区沿地表溶洞与盐津河轴线90 m 以深局部溶洞发育，地下水沿盐津河排泄，地埋管深度内无水，为岩溶疏干区，地埋管钻孔揭露地层及特征见表1。

表1 钻孔揭露地层及特征Table 1 Strata characteristics revealed by drilling

2 施工要求及难点

2.1 施工要求

（1）技术要求：地埋管孔内“双U”PE 连管，间距4 m×4 m，孔深120 m（有效孔深＞100 m），钻孔直径＞130 mm；下管前按规范试压检测PE 管质量及充水带压下管；原浆回填密实，原浆不足采用5%的膨润土＋细砂混合浆料回填。（2）工期要求及场地情况：工期3 个月，含地埋管施工及水平管铺设。

2.2 施工难点

（1）钻孔数量多、工期紧、交叉作业多、费用低，施工应“短、频、快、省”。

（2）浅表松散和软弱岩溶破碎带，孔壁掉块垮塌严重、易孔斜、成孔困难。

（3）空气潜孔锤钻进粉尘污染环境。

（4）钻遇溶洞易导致下管时管道损伤或跑管（PE 管），回填工序PE 管需稳固。

3 钻探施工技术

钻孔结构和钻探工艺是地埋管施工控制关键要素，其孔径、有效孔深及钻进效率直接影响地埋管施工效率、质量和成本，施工中根据地层特征选取科学、合理、适宜的钻孔结构和钻进工艺。

3.1 钻孔结构

根据地埋管孔径＞130 mm 和浅表松散回填和软弱岩溶破碎带下管护壁需求，采用二开钻孔结构，护壁管孔段：Ø180 mm 孔径开孔，进入稳定岩层1.0～2.0 m，下Ø168 mm 套管护壁；裸眼孔段：Ø140mm 孔径终孔。

3.2 浅表松散及软弱破碎层钻探技术

根据施工区域浅表地层松散、无胶结、全漏失特性及厚度和孔径等，施工中使用清水顶漏回转钻进、潜孔锤钻进、偏心潜孔锤跟管钻进，钻探工艺措施及效果见表2。

表2 浅表钻探工艺措施及效果Table 2 Shallow drilling technology and results

3.2.1 清水顶漏回转钻进

深度2.5 m 以浅松散软弱破碎层，动力头送套管能一次性到位护壁，采用不污染环境和成本较低的清水顶漏回转钻进工艺［8］，Ø180 mm 孔径进入稳定岩层1.0～2.0 m，下Ø168 mm 套管护壁。钻探设备使用SL400/600 型钻机和WQ30/120 型泵，钻具组合为Ø180 mm 三翼复合片钻头+Ø168 mm 扶正器+Ø89 mm 钻杆。钻进参数：钻压6～7 kN，转速80～100 r/min，泵量8.3 L/s。因钻进效率低施工5个钻孔停用，改用空气潜孔锤钻进。

3.2.2 空气潜孔锤钻进

深度2.5 m 以浅松散软弱破碎层，动力头送套管能一次性到位护壁，采用效率高、工艺简单、劳动强度小的空气潜孔锤钻进工艺［9］，Ø180 mm 孔径进入稳定岩层1.0～2.0 m，下Ø168 mm 套管护壁。钻探设备使用SL400/600 型钻机+空压机（1070XH、XHP1070、V90、寿 力660 型，2 台 钻 机 配1 台 空 压机），钻具组合为Ø180 mm 锤头+Ø170 mm 扶正器+SPMS60 型潜孔锤（Ø152 mm）+Ø89 mm 钻杆。钻进参数：钻压6～8 kN，转速25～30 r/min，风压1.0～1.2 MPa，风量18.6～30.3 m3/min，钻进时注水除尘。

3.2.3 偏心潜孔锤跟管钻进

深度2.5 m 以深松散软弱破碎层，常规工艺护壁管一次性到位困难至不能到位。使用护壁效果好、钻效高和防止孔壁垮塌的钻进工艺与下管护壁同步的偏心潜孔锤跟管钻进技术［10-12］，进入稳定岩层1.0～2.0 m，反转起出偏心潜孔锤钻具，套管留孔内护壁。钻探设备使用SL400/600 型钻机+空压机（同空气潜孔锤），钻具组合为Ø140 mm 偏心潜孔锤头（偏心最大直径190 mm）+SPM350/140/68 型高风压潜孔锤（带Ø168 mm 套管）+Ø89 mm 钻杆。钻进参数：钻压8～9 kN，转速25～30 r/min，风压1.0～1.2 MPa，风量18.6～30.3 m3/min，钻进时注水除尘。

3.3 稳定基岩地层钻探技术

3.3.1 钻探工艺

下伏娄山关组白云岩地层，岩溶裂隙发育、岩层稳定，A 区9 个钻孔90 m 以深见0.3～0.5 m、1.0～2.0 m 溶洞，地埋管埋置深度内无水，常规工艺液体冲洗介质随钻遇岩溶裂隙流失、岩屑不能排出、事故隐患大，采用空气潜孔锤正循环钻进工艺以降低成本、提高钻进效率和保证钻孔安全［13-14］，施工区钻进情况见表3。

表3 空气潜孔锤钻进情况Table 3 Air DTH hammer drilling results

3.3.2 设备机具配置

（1）钻探设备配置：使用SL400/600 型钻机，空压机A、B、F 区使用1070XH、XHP1070 型，C、E 区使用V90 型，D 区使用寿力660 型，空压机与钻机配置1 拖2。

（2）钻具组合：Ø140 mm 锤头+SPML50 型高风压潜孔锤+Ø135 mm 扶正器（钻杆加工）+Ø89mm 钻杆。

3.3.3 钻进效果

地埋管施工孔径较小，1070XH、XHP1070 型空压机供风量大，钻进风压高（油耗大），排屑干净，钻效高，能满足溶洞地层要求，但成本较高。V90 型空压机供风量适中，钻效较高，成本较低。寿力660 型空压机供风量偏小，钻进效率相对较低。

3.4 钻探技术措施

（1）防斜措施：浅表松散软弱破碎层易孔斜，清水顶漏回转钻进用Ø168 mm 扶正器防斜，潜孔锤钻进用SPMS60 型潜孔锤+Ø170 mm 扶正器防斜，岩溶裂隙（溶洞）发育稳定岩层用Ø135 mm 扶正器（钻杆加工）钻具防斜。

（2）偏心潜孔锤跟管钻进使用高强度套管（钢级42CrMo、壁厚10 mm），防冲击震动和转动挤压变形，反扣螺纹连接防跟管钻进时丝扣松脱。

（3）偏心潜孔锤跟管钻进反转回收起出偏心潜孔锤钻具前排渣2～3 min，待孔内清洁后再回收钻头，反转不宜过猛，以免将钻具反脱在孔内。

（4）简便除尘器除尘：空气潜孔锤钻进常用的鼓风机负压捕尘、钻机立管设高压水喷嘴喷水除尘［14］等除尘装置存在装拆繁琐费时或除尘不及时、不彻底等问题，不适宜地埋管“短、频、快”施工和环境除尘要求，现场根据护壁管规格和高压水喷嘴喷水除尘原理，制作“外管+内滤管+上下密封环+外通水管”简便除尘器（图1）。

图1 简便除尘器Fig.1 Simple dust arrester

在浅表层Ø168 mm 护壁套管下好后，将简便除尘器罩在Ø168 mm 护壁管上，开泵通水，压力水（0.3～0.4 MPa）从内管滤孔喷出，在内滤管处与返出粉尘混合形成喷淋幕（图2），将钻进产生的粉尘清除，注水量根据钻进速度控制，以将钻进产生的粉尘完全除去为准，一般5～7 m3/h。

图2 除尘效果Fig.2 Dust removal effect

该简便除尘器安拆使用方便、快速，满足地埋管快速成孔施工要求，除尘效果好，钻进无粉尘飞扬，在7 台钻机同时施工时场外均无可视粉尘，施工2.5 个月无粉尘污染投诉和环境影响事件。

（5）钻遇溶洞处理措施：地埋管钻探施工钻遇溶洞若不处理会导致后续施工跑管（图3）、回填量及回填质量不可控。100 m 以浅钻遇溶洞，不满足钻深＞100 m 要求，提钻去潜孔锤和防斜钻具，下钻杆至距溶洞底0.3～0.5 m，灌注M20 水泥砂浆固结封堵溶洞，待强度满足后重新钻进。100 m 以深钻遇溶洞，满足钻深＞100 m 要求，固结封堵费时耗力极不经济，用止浆垫+圆木封隔溶洞。

（6）认真、详细记录钻进岩溶裂隙、溶洞情况，尤其是准确记录钻遇溶洞位置和深度，以及时采取措施处理。

4 下管技术

下管是地埋管施工关键工序，其施工质量对地源热泵系统运行性能起至关重要作用［15］，施工中应进行地埋管入孔前后的试压检测和根据地层特性使用适宜下管工艺，以确保入孔使用时管路不漏失、无破损及下管深度满足要求。

4.1 管道试压检测

地埋管管道试压检测是确保地埋管系统质量满足换热运行和寿命要求的重要工序，应严格按设计和规范要求对地埋管入孔前后作试压检测工作。

（1）下管前试压检测：地埋管使用厂家定制成型的PE100 级Ø32 mm×3 mm“双U”管（长度130 m），下管前管道试压检测是检查其质量是否满足性能指标和运输中是否损伤的必须手段。在PE 管与压力表热熔连接后，接洗车泵注清水加压，试验压力1.6 MPa，稳压15 min，压力降＜0.1 MPa 及无渗漏为合格，带压0.4 MPa 待用。

（2）回填前试压检测：地埋管带压下到位（深度＞100 m）回填前，作管道严密性试压检测（下管过程是否损伤），接压力泵注清水加压至0.6 MPa，稳压60 min、压力降＜0.02 MPa 为合格。

（3）水平连管前试压检测：水平连管开挖前，对回填地埋管严密性试压检测，试验压力0.6MPa，稳压8 h、压力降＜0.02 MPa 为合格。

图3 溶洞跑管示意Fig.3 Running tube in the cave

4.2 下管工艺技术

地埋管较多使用人工下管、机械下管及重物下管工艺以克服孔内浆液浮阻力［16］。在岩溶裂隙发育（局部溶洞）及孔内无液面、下管只有摩阻力和管、水自重力（带压PE 管质量＞3.24 kg/m）的岩溶疏干地层，易发生管道破损及跑管事故，造成经济损失和人员受伤的安全隐患。

人工下管到一定深度后下管速度难控制，PE 管与孔壁快速摩擦和碰撞易导致管道破损，遇0.5 m以上未处理溶洞，柔性PE 管失去孔壁束缚，易散开向溶洞快速移动导致管道破损及跑管（图3）。施工初期A 区发生2 起跑管事故导致管道损失。施工中根据钻遇地层特性，采用提吊下管、提吊+支撑下管、控制下管速度和溶洞缚管的措施，有效地避免了跑管。

4.2.1 提吊下管

钻探施工未遇溶洞或100 m 以浅溶洞已灌浆封堵钻孔，采用提吊法下管：将Ø6 mm 钢筋加工的外径Ø90 mm 保护环套在双U 头锥形端，在保护环下面钻Ø8 mm 钢绳固定孔，Ø6 mm 柔性钢绳从固定孔穿过，绕过保护环在双U 头上端与提吊钢绳对中固定，利用钻机工具卷扬人工辅助送管，辅助提升装置匀速下放充水带压PE 管，护壁管口套橡胶套防PE 管破损（图4a），送管到位留不少于1.0 m 的PE 管作回填前试压检测，余管用于水平管连接，试压合格进入回填工序，不合格起出PE 管、查明原因并解决后重新下入。

4.2.2 提吊、支撑下管

钻探施工中在100 m 以深遇溶洞，其孔深满足地埋管有效孔深＞100 m 要求，采用提吊+支撑下管：用Ø130 mm 圆木（长度大于溶洞高度2.0 m 以上），圆木上端面钉5～6 层（厚度1 mm、外径＞143mm）软橡胶止浆垫作支撑物，钻杆送支撑物入孔底以临时支撑和封隔溶洞，后用提吊下管法下入PE管，护壁管口套橡胶套防PE 管破损（图4b）。

图4 下管施工Fig.4 Placement of the pipe by lifting

5 回填技术

地埋管回填是用低渗透率的材料充填地埋管换热器（“双U”PE 管）与钻孔壁环状空间，增强换热器与围岩换热和密封钻孔，其质量是保障地埋管高效换热的关键环节，应根据地层特性使用适宜的回填材料和回填工艺措施。

5.1 回填材料

地埋管回填较多使用钻孔碎屑、钻屑泥浆、膨润土回填料、吸水树脂、纯水泥浆、砂子和泥砂混合物等材料，使用膨润土基回填料、纯水泥浆基回填更利于环境保护和实际操作［17］。下部遇局部溶洞钻孔，钻孔碎屑、钻屑泥浆、膨润土基回填料对PE管稳固性差，纯水泥浆基回填料流失大、成本高。本工程回填材料采用水泥砂浆+钻屑原浆：下部孔段回填水泥砂浆以减少流失固结充填裂隙（溶洞）和稳固PE 管，上部孔段回填钻屑原浆。下部无溶洞钻孔采用钻屑原浆，原浆不足时采用“5%膨润土＋细砂拌合”浆液。

5.2 回填工艺

地埋管回填常采用插管机械灌注［18］，但在岩溶裂隙（局部溶洞）发育的疏干地层，插管机械灌注工艺存在浆液流失大、首次灌注量和灌注孔段不确定以及需反复多次回填充实等问题。本项目钻屑泥浆收缩率小，采用原浆沉淀+人工填砂，反复多次以确保填实。

5.3 回填施工

下管到位并试压合格后，将下管钢绳固定在钻孔周边地锚上防坠管，并采用麻绳绷直PE 管固定，待回填至护壁管底起管时再收回钢绳和麻绳。

5.3.1 无溶洞钻孔回填

钻进施工无溶洞钻孔，采用钻屑原浆反复多次回填：将钻屑原浆或配置好的浆液从孔口缓慢灌入，每次4～6 桶、间隔时间5～6 h 至孔口满浆，后每2～3 天检查一次，浆液沉淀密实过程中及时补填至满（图5a）。

5.3.2 遇溶洞钻孔回填

钻进施工下部遇溶洞及邻近其它钻孔，为防后续钻孔施工损坏PE 管和支撑圆木损坏后PE 管下坠，下部不少于30 m 孔段用水泥砂浆回填，水泥砂浆现场机械拌置，用32.5 级，砂为潜孔锤钻进钻屑，配合比参考M20 水泥砂浆为水∶水泥（32.5 级）∶砂=0.9∶1∶3，从孔口灌入0.55 m3水泥砂浆（Ø140 mm孔径30 m 孔段容量的120%）。待水泥砂浆灌注1天后再用原浆回填方法回填上部孔段（图5b）。

图5 回填施工Fig.5 Backfilling

6 施工效果

（1）用时2.5 个月完成653 个钻孔，总延米81182 m，除施工初期因不熟悉疏干地层及下部局部溶洞特性，措施失当发生2 起跑管事故外，未再发生跑管事故。

（2）热响应测试数据：导热系数达2.99～3.0 W/（m·℃），容积比热容（2.15～2.91）×106J/（m3·℃），夏季（28 ℃）延米换热量49.71～51.68 W/m，冬季（6 ℃）延米换热量52.64～54.7 W/m，达到设计目的，换热节能效果良好。

（3）厚度较大的松散破碎浅表层采用偏心潜孔锤跟管钻进实现钻进与护壁下管同步，防止孔壁垮塌效果好、钻进效率高。

（4）稳定基岩地层采用空气潜孔锤钻进效率高，无溶洞地层钻速25～32 m/h、遇溶洞漏风钻速23～25 m/h。避免常规工艺液体冲洗介质钻进全漏、岩屑不能排出的埋钻风险。除尘使用的简便除尘器加工方便，安拆快速，满足地埋管快速成孔施工要求，除尘效果好，钻进无粉尘飞扬，施工2.5 个月无粉尘污染投诉和环境影响事件。

（5）下部钻遇溶洞时采取固结封堵和圆木支撑封隔措施，避免下管跑管和减少回填难度，保证工程质量和提高施工效率。

7 结语

（1）贵州浅层地热能资源丰富，开采开发潜力巨大，但碳酸盐岩分布广，浅表岩溶裂隙极为发育，局部区域在溶蚀和断裂构造及河流深切割影响下，溶洞发育，地下水位埋深大。在地埋管施工中应根据地层特性采取合理和行之有效的技术措施以提高施工效率和确保工程质量。

（2）岩溶裂隙（溶洞）发育地层地埋管施工，应认真、详细记录钻进岩溶裂隙、溶洞情况，尤其是准确记录钻遇溶洞位置和深度并及时采取措施处理。

（3）厚度较大的松散破碎浅表层偏心潜孔锤跟管钻进护壁效果好，钻效高，可有效避免孔壁垮塌引发的复杂情况发生。

（4）溶洞发育的稳定基岩地层宜采用带扶正器的防斜组合钻具防斜，有效深度以浅钻遇溶洞采用水泥砂浆固结封堵，有效孔深以深钻遇溶洞采用止浆垫+圆木封隔以减少回填料用量和确保回填质量。