水源热泵地源热泵钻井技术现状及应用

 

  水源热泵以节能、环保、水资源可重复利用等优点，近二十年来，在我国迅速推广发展。水

源热泵正常运转主要靠地下水循环使用，地下水主要来源以水源井为主，因此打井出水量、水温、

水质，是保证水源热泵系统正常工作的关键。冬季供暖，水源热泵日夜连续工作，充足的地下水

源才能使水源热泵系统长期可靠运行，因此，做好回灌井才是保证水资源循环使用的关键。

 

 河北清泉钻井工程有限公司，近几年本公司承揽施工水源热泵空调井工程数十个，积累了丰富的施工经验

。水源热泵回灌井采用**专利打井工艺，保证****无压回灌。

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地源热泵管井是热泵系统的重要组成部分，特别是土壤源地源热泵系统，以其钻井工作量大、施工期较长（相对）、费用占系统造价比重较高（一般简单软土层15－20％、岩石地层30－35％、特殊复杂地层45－50％甚至更高），是地源热泵系统初装成本偏高的主要原因之一。特别是在一些复杂的地质条件下，高比重的管井费用直接增高了地源热泵系统的整体成本，这在一定程度上制约了地源热泵系统的推广应用。

如何考虑钻井成本，我们认为不是孤立的问题，虽然热泵钻井作为工程钻井的新领域，但其与行业钻井技术水平及发展是分不开的。施工区域的地质条件、钻井设备、工艺技术条件等诸多因素都直接影响钻井效率、成本，也可以说是钻井行业的技术水平一定程度上决定了地源热泵钻井的现状，并且由于地源热泵是新兴技术，而热泵钻井方面的特点又与其他钻井业有所不同，甚至可以说在某些方面热泵钻井要落后于其他钻井行业。

 

 如何做好地源热泵钻井环节，为市场发展、节能技术推广服务，要综合考虑。谈以下几个方面体会：

一、认真研究地源热泵钻井的特点

根据地源热泵系统的要求，一般说，其钻井具有以下特点：

1、结构简单

（1）深度浅，一般100米左右（大致）；

（2）孔径相对较小，（介于大小口径之间，所以我们或称孔、或称井）；

（3）井身结构简单，要求不高；（通常以保证垂直度、满足下管、回填为准）。

2、工作量较大、施工区域集中；

3、施工工期要求紧；

4、钻井单价受系统整体投资制约；

5、单项工程施工地质条件具有确定性。

（1）重视试验孔地层地质勘探

（2）重视管井结构设计、方法选择、施工设备、工艺选择

（3）预测钻井施工成本。

6、囿于地层条件，工程施工具有多次重复性。

二、加强对施工区域地质条件认识

地质条件是确立管井结构、选择施工方法、施工设备、工艺的依据；影响钻井成本的重要因素之一。

由于钻井深度一般为100米左右，处于岩土层的上部，岩土工程地质条件复杂。例如我们常遇到的：回填地层、卵砾石层、岩溶地层，以及遇水膨胀地层、构造破碎带等，都会对钻井过程产生影响。

怎样去研究不同地质条件下成孔技术，跟一般地质勘探或其他工程钻探目的绝然不同，那么工程施工考虑角度亦有所不同，采用的方法也相对较多，可以从以下几个方面去分析：

1、地层特点与工程施工难度关系的初步探讨

（1）新近地史时期形成的沉积地层，相对简单；

第四系（Q）新第三系（N）是通常说的覆盖层-松散堆积、无胶结或半固结的松散地层，钻井成孔容易、钻井效率高、耗能低，钻井成本相对较低。

老第三系（E）以前岩层：

岩石的密度、强度，随地层的延深、地质年代的前移均有所增加。

破碎岩石（或钻进成孔）难度相对增加，钻井效率降低、耗能高，钻井成本自然增加；

地层倾角较大的地质条件下施工钻孔，往往容易产生孔斜，必须采取防斜措施。

（2）变质岩与岩浆岩地区施工

受各个时期地质运动、造山运动影响，岩层发生（乃至多期次发生）褶皱、断裂、扭曲、交代等作用的影响，形成结构复杂、致密坚硬的岩体。

并且此类地区的基岩，地史上一般都经历了长期风化、剥蚀、冲刷、变质等自然因素影响，古风化壳、构造破碎带等地质现象较为发育，岩层结构不均一，这都会增加钻井施工的难度。

（3）山前和谷地地层

此类地区的坡积、洪积物较为发育，由于沉积物搬运距离较短，分选磨圆较差，一般以砾石层及粗颗粒沉积为主。其特点是：

A、堆积物粒度、厚度、甚至成份不一；

B、结构松散、无胶结或胶结程度差、无充填；

C、空隙比大，位于区域地下水位以下或有补给源时，往往为富水层。

在该类地层（层厚较大情况下）钻探成井难度较大，钻井过程中经常会遇到下列问题：

A、钻井循环介质（液体或气体）失返、无法形成有效循环；

B、有效破碎卵砾石困难，钻探效率极低；

C、研磨工具消耗大，多为非正常磨损破坏；

D、出现塌孔、掉块现象频率高，易造成钻井事故；

E、即使成孔，在裸孔情况下，孔壁不规则光滑，下管也困难（孔壁不稳定）；

目前在该类地层施工，*有效的手段是空气潜孔锤跟管钻进技术，但目前国内该技术尚有局限性，主要是：

A、深度有限，单级深度一般不超过30米；

B、地下水（特别是富水层）对空气钻井影响大；

C、由于使用高压力空压机，动力消耗大；

D、成套设备及配套工具昂贵。

（4）各类回填地层

由于回填物杂乱、多样也对钻井会产生不同程度的影响，但影响较大的还主要是一些大规模、深厚度、块状物的回填。其特点类似上述。

2、施工深度范围内地层构成及合理施工方案的确定

研究施工深度范围内地层构成，有利于系统地制定钻井方案、确定钻井工艺或复合钻井工艺，达到优化钻井，来提高钻井效率、合理钻井成本。根据地源热泵管井的特点，可以把钻井揭露的岩土层分为：

（1）简单地层，钻孔揭露地层类型单一、施工方法简单。如:

一般松散软土、砂土地层，采用普通回转钻机、简易泥浆护壁即可，工艺简单；

一般岩石地层，地层稳定、构造简单、岩石硬度较低、可钻性好，回转钻进可以施工，当然有条件情况下使用空气潜孔钻进更有利于提**率；

岩石硬度较高时，易采用空气潜孔钻进。

（2）复合地层，钻孔穿越两类以上地层、需一种以上工艺或钻井方法或钻井工具结合来完成钻孔。如：

基岩之上覆盖松散粘土、黄土层：在厚度不大情况下、软层井壁相对稳定时，也可以采用空气潜孔钻进。

上覆盖松散层为砂土、沙层、及砂砾层时，必须采取隔离措施；地层含水丰富时必须先采用泥浆钻井，隔离后再转化为空气钻井。

当上覆松散层厚度较大、跟管隔离无法实现，而传统套管隔离繁琐时，应在‘泥浆钻井’和套管隔离后‘空气钻井’之间慎重选择。

（3）复杂地层，通俗说：普通技术条件下钻进成井困难或钻井过程中容易出现复杂情况的地层。如：

A、较大直径、厚度的卵石层；

B、裂隙发育地层；

C、地层断裂破碎带；

D、岩溶发育地层等。

都是钻井施工的难点，传统钻井方法往往无法实现，应用空气潜孔锤跟管钻进也困难较大。

问题的关键还在于与勘探开发钻井不同，地源热泵钻井需要反复、重复面对此类地层。

3、地层岩石的特性

（1）硬度；

（2）可钻性；

（3）结构特性：颗粒、胶结；

（4）构造特性：破碎、裂隙、溶洞、溶孔等；

（5）其他特性，如造浆、膨胀或蠕变缩径、超径、坍塌等。

详细、系统掌握地层岩石的各种特性，可为钻井技术工艺的取舍提供有力的理论支持。

三、积极引入钻探技术、钻井设备、工艺；规范施工管理

地源热泵技术有着广阔的市场前景，同时需要相关方面技术提供有力的支撑与支持，就钻井方面来看，具体谈以下几点看法：

1、从目前地源热泵工程钻井施工情况看，钻井技术、管理与地源热泵市场推广要求不相适应。与其它钻井业相比较：

（1）设备大部分相对落后、效率低；

（2）队伍参差不齐、技术素质普遍不高；

（3）施工技术手段比较单一；

（4）缺乏应对复杂地层施工的能力。

这些都对钻井效率、质量、成本产生影响，在一定程度上讲：甚至制约了地源热泵技术的推广应用。

2、在管理、技术力量配备上，只是重视制冷、安装，忽视钻井施工；而恰恰钻井、埋管分部工作均属隐蔽工程，是热泵系统的重要环节。因此建议：

（1）加强钻井环节的技术管理与技术指导；

（2）加强对钻井设备、工艺、方法技术研究；

（3）向钻井队伍**化、施工管理规范化方向发展。

3、注重借鉴、引进、推广钻井新技术。

近几年，随着矿产资源开发，地质勘探、开发钻井技术有了长足的进步，换代设备、工艺、技术不断得到推广应用；而在地源热泵钻井方面，还相对较少。加大钻井技术引进力度，通过**率、高质量、降低成本是突破制约地源热泵发展‘瓶颈’的必由之路。例如:

（1）水力碎岩、喷射钻井技术。在松散层或软岩层施工，较常规泥浆回转钻进钻井效率可提高3－5倍，甚至更多。

（2）旋冲钻井技术，通过改变碎岩机理，可较大幅度提**率。空气潜孔锤钻进技术就很好地解决了硬岩地层地施工效率问题，较普通回转钻进可提高8－10倍；另外液动冲击钻进在消耗动力较小地情况下，也可有效提高钻效2－3倍。

（3）套管钻井技术、同步跟管钻井技术可以很好地解决复合地层钻井工艺转换问题；同时也是解决复杂地层钻井的主要手段。

（4）声波钻井技术、电磁震动脉冲钻井、柔性管钻井技术等，把钻井技术水平提高到更高层次。

借鉴钻井新技术工艺，结合地源热泵钻井的要求，通过引进、消化、吸收使其更好地服务于地源热泵技术，势必能起到很好的促进作用。

市场的开拓与相关行业的技术进步是密切相关的；市场需求推动技术进步，技术进步支持市场开拓。

四、合理设计地源热泵管井

既然钻井是土壤源热泵空调技术应用的重要环节，所以地源热泵管井的设计必须满足热泵系统有效性、经济性的要求，同时热泵系统在设计管井时也要兼顾钻井方面的技术现状。在具体工程的设计、施工时，需要综合考虑。例如：

1、尽量回避复杂地层条件下施工土壤源热泵，即便必须要做可以考虑通过增加单井深度、减少穿越复杂层段的工作量。

2、在些复合地层设计管井时，可以通过调整井深或数量，把需多工艺完成的管井，转化为简单或单一工艺。

3、在地下水较丰富、冷热平衡能力强的区域，可以适当加密管井，有利于简化后续地面工作量。

4、可以根据U型管截面尺寸和地层岩石情况综合考虑确定钻孔直径。一般‘单U’较‘双U’可以通过适当减小井径，来减少钻井工作量，特别是岩石硬度较高时尤为明显。另外，在钻头直径一定的情况下，松散或松软地层钻孔超径系数大，而致密、硬度高岩石钻孔超径系数小。

5、另外，现代钻井技术可以实现多种类型三维空间轨迹钻孔，对需此类要求的地源热泵管井，可借鉴此技术工艺。。

五、结语

综上所述，钻井施工是地源热泵系统的基础环节，是整个地源热泵系统造价构分中**有弹性的部分。从研究分析基础地质入手，在满足系统需求的前提下，通过合理设计管井、优化钻井技术方案、加强施工组织管理是提高钻井效率、降低成本、进一步开拓市场的有效途径。

 

                                                     河北清泉钻井工程有限公司

                                                          2015年09月01日