CN102022860B - 一种土壤源热泵地源井施工工艺方法 - Google Patents
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Abstract
一种土壤源热泵地源井施工工艺方法，施工过程采用如下方法与步骤：采用套管跟管钻进钻孔井下施工工艺打出测试井，采用岩土物性测试仪测试当地岩土基本热物性，采用套管跟管钻进钻孔工艺掘出按所测热物性计算的数量的井群，采用快速下管工艺将U型管下入井群，采用同程式系统将若干口井并联为一组，并将各组都按异程连接为地源水环路系统后将供回水干管通往主机机房，先后经若干次打压合格后完成施工。该工艺方法特别适用于存在极硬岩或松散破碎岩层的高难度施工地质条件，通过应用多种先进专用施工工艺和设备确保施工作业安全高效、快速便捷，减少人工和材料的耗费，降低劳动强度，节省施工及其准备时间，降低综合施工成本，实际工程应用效果良好。
Description
技术领域
本发明涉及一种土壤源热泵地源井施工工艺方法，属于地源热泵施工工艺技术领域。
背景技术
地源热泵供热与空调供冷系统具有充分利用地下土壤的能量、采用一套系统即可解决全年空调供冷与供热问题的优势，近年来土壤源已经大规模推广使用，并取得了良好的应用效益。土壤源热泵系统利用地下岩土的自然能量用于空调供冷、采暖和制热水，本身不污染和消耗地下水，在技术产品和实际应用两个方面均已获得迅速发展，并具有广阔的市场潜力。但是由于地下岩土层的组成复杂，打井施工受到地质状况的影响，施工时间和费用均耗费较大，因而导致这一有效实用的空调热水解决方法的应用范围受到较大限制。因此，如何进一步针对性的改进施工工艺，提供施工进度和质量，降低施工成本，是目前地源热泵推广应用领域一个非常重要的发展领域，并直接影响到地源热泵市场发展的潜力。
与普通热泵空调系统施工相比，土壤源热泵施工的最独特最复杂的环节是在选定区域的地下岩土层中钻井，采用何种钻井工艺方法与设备，直接关系到地源井施工的质量、效率和费用。通常而言，采用普通钻具在基本为土壤地层的地质条件下钻井速度快、费用少，但是在遇有极硬岩层或松散破碎岩层中，普通钻具的钻井效率大大下降，综合费用急剧升高，甚至无法打出合格地源井，此时必须采用专门针对硬岩层或松散破碎岩层作业的专用钻具。经常遇到的情况是，在100m左右的钻井深度内，最上一层覆盖有一定厚度的松软土壤层，其下则为若干层极硬岩层或松散破碎岩层，这种情况下许多施工单位会分别选择更换不同的钻具进行作业，大大影响钻井时间，例如一一个钻井小组可能需要2～3天方可完成一口井(100m左右)的钻井作业。
在地质勘探中采用套管跟管钻进钻孔方法，可在极硬岩层或松散破碎岩层中高效高质地完成钻井作业，将这种方法应用于土壤源热泵地源井的钻井作业中，可有效促进地源井钻井过程及效率。
在地源井施工流程中，在岩土热物性测试及分析、U型管下管作业及地源井环路施工与打压验收等相关流程中，均已出现和采用了各种工艺方法与设备，但是在许多施工环节与设备中存在准确性、可靠性、安全性、成井及环路施工质量、进度等方面存在着诸多问题，均有赖于针对性地加以改进和提高。
发明内容
本发明的目的和任务是，针对目前地源井施工工艺中存在的上述问题，研制一种土壤源热泵地源井施工工艺方法，有效提高施工质量和进度，降低综合生产成本。
本发明的具体描述是：一种土壤源热泵地源井施工工艺方法，应用于各类地质条件的土壤源热泵地源井施工中实现安全高效、快速便捷的施工作业，并特别适用于存在极硬岩或松散破碎岩层的高难度施工地质条件，施工工艺方法和步骤要点如下：
(1)采用套管跟管钻进钻孔井下施工工艺打出测试井；
(2)采用岩土物性测试仪测试当地岩土基本热物性；
(3)采用套管跟管钻进钻孔井下施工工艺掘出按所测岩土物性计算数量的井群；
(4)采用快速下管工艺将U型管下入井群；
(5)采用同程式系统将若干口井并联为一组，并将所有井群连接为地源水环路系统，将供回水干管通往主机机房；
(6)先后对单根U型管支管、单个地源井、单个地源井组和由所有地源井群组成的地源水环路系统进行若干次打压合格后完成施工。
套管跟管钻进钻孔井下施工工艺采用潜孔锤冲击静压跟管钻孔方法，采用单偏心三件套跟管钻进钻具，直接将钻具的潜孔锤与套管和钻机连接，进行冲击下管或冲击拔套管，连续作业而无需根据岩土层组成不同而多次更换钻具。井下施工工艺方法的要点如下：
(1)开孔沉管时，将潜孔锤反打接头与套管变径接头连接，边回转静压边冲击，进行冲击回转跟进套管；
(2)当回转扭矩很大时，套管停止回转，利用钻机的静压和潜孔锤冲击进行下管，根据使用潜孔锤的规格，选取钻机的静压力、潜孔锤的风量、风压；
(3)当冲击静压套管钻不进时，应采用气动潜孔锤在套管内进行常规正循环钻进。把反打接头和套管变径接头取下，装上套管护箍、钻头，将套管内的岩层破碎，返出套管，并尽可能地向下钻进；
(4)当潜孔锤正循环钻进遇塌孔无法钻进时，则再重复进行冲击静压跟管钻进；
(5)当孔底遇到大块石无法跟管时，可将潜孔锤下入套管内，将其击碎或钻穿，或继续跟管或再下一层小的规格套管，再重复跟管钻进；
(6)当钻孔完成时，应起拔套管，这时将潜孔锤倒置，取掉钻头、套管护箍、砧子、潜孔锤上接头与套管变径接头及进气接头相连，在潜孔锤下接头处装置有反打接头，从潜孔锤下端进风，活塞上击反打接头，产生向上的冲击力，冲击力通过潜孔锤外缸传至套管，钻机提升机构与反打接头连接、向上静拉起拔套管，在潜孔锤的向上冲击力和钻机的向上静拉力联合作用下起拔套管，或将套管留在孔内护壁。
采用岩土物性测试仪测试当地岩土基本热物性的方法要点是：在已钻好的一个或若干个测试用钻孔中埋设导管并按设计要求回填，回路中充满水，静止数天，然后让水在回路中循环流动，并从某一时刻开始对水连续加热至少48h，并测量加热功率、回路中水的流量和水的温度及其所对应的时间，最后根据已知的数据由专用岩土热物性计算软件推算出钻孔周围岩土的平均热物性参数，并根据地热换热器总负荷计算出所需地源井延米数和井口数量，相邻地源井之间的行距和列距范围为4～6m，所用测试孔及其导管将来可以作为地热换热器的支路使用。
将U型管下入已完成的井群的快速下管工艺采用可高效下管作业的专用U型管下管器、快速下管接头、U型管间缺环管卡、U型管放管器、双把手式热熔焊机。
将所有井群连接为地源水环路系统的方法包括：将相邻4或6或8口井作为一组，采用同程式系统并联到一个水联箱中，并由供回水干管分别将所有水联箱连接起来并通往主机机房。此种连接方法的优点是当某一口井打压出现泄露时可只放弃该组地热换热器即可。
对单根U型管支管、单个地源井、单个地源井组和由所有地源井群组成的地源水环路系统进行若干次打压的压力按照热泵运行中U型管可能承受的最大水压的1.15～1.30倍选择。
采用这一施工工艺可实现大大提高钻井施工和地源井环路系统的施工作业质量和进度，特别适用于极硬岩或松散破碎岩层的高难度施工地质条件，一个钻井小组可在1天内完成1～2口井(100m左右)的钻井作业。通过应用多种先进专用施工工艺和设备确保施工作业的安全高效、快速便捷，减少人工和材料的耗费，降低劳动强度，节省施工及其准备时间，降低综合施工成本。
该施工工艺实用性强，安全可靠，成本低，实际工程应用效果良好，在土壤源热泵地源井系统施工等工程中可迅速推广应用。
附图说明
图1是本发明的流程示意图，图2是本发明的关键工艺设备套管跟管钻进钻孔施工中采用的单偏心三件套跟管钻进钻具的结构示意图，图3是岩土热物性测试原理示意图。
具体实施方式
图2是本发明的关键工艺设备套管跟管钻进钻孔施工中采用的单偏心三件套跟管钻进钻具的结构示意图，图3是岩土热物性测试原理示意图。
本发明的具体描述是：一种土壤源热泵地源井施工工艺方法，施工工艺方法和步骤要点如下：
(1)采用套管跟管钻进钻孔井下施工工艺打出测试井；
(2)采用岩土物性测试仪测试当地岩土基本热物性；
(3)采用套管跟管钻进钻孔井下施工工艺掘出按所测岩土物性计算数量的井群；
(4)采用快速下管工艺将U型管下入井群；
(5)采用同程式系统将若干口井并联为一组，并将所有井群连接为地源水环路系统，将供回水干管通往主机机房；
(6)先后对单根U型管支管、单个地源井、单个地源井组和由所有地源井群组成的地源水环路系统进行若干次打压合格后完成施工。
套管跟管钻进钻孔井下施工工艺采用潜孔锤冲击静压跟管钻孔方法，采用单偏心三件套跟管钻进钻具，直接将钻具的潜孔锤与套管和钻机连接，进行冲击下管或冲击拔套管，连续作业而无需根据岩土层组成不同而多次更换钻具，钻具结构示意图见图2所示。井下施工工艺方法的要点如下：
(1)开孔沉管时，将潜孔锤反打接头与套管变径接头连接，边回转静压边冲击，进行冲击回转跟进套管；
(2)当回转扭矩很大时，套管停止回转，利用钻机的静压和潜孔锤冲击进行下管，根据使用潜孔锤的规格，选取钻机的静压力、潜孔锤的风量、风压；
(3)当冲击静压套管钻不进时，应采用气动潜孔锤在套管内进行常规正循环钻进。把反打接头和套管变径接头取下，装上套管护箍、钻头，将套管内的岩层破碎，返出套管，并尽可能地向下钻进；
(4)当潜孔锤正循环钻进遇塌孔无法钻进时，则再重复进行冲击静压跟管钻进；
(5)当孔底遇到大块石无法跟管时，可将潜孔锤下入套管内，将其击碎或钻穿，或继续跟管或再下一层小的规格套管，再重复跟管钻进；
(6)当钻孔完成时，应起拔套管，这时将潜孔锤倒置，取掉钻头、套管护箍、砧子、潜孔锤上接头与套管变径接头及进气接头相连，在潜孔锤下接头处装置有反打接头，从潜孔锤下端进风，活塞上击反打接头，产生向上的冲击力，冲击力通过潜孔锤外缸传至套管，钻机提升机构与反打接头连接、向上静拉起拔套管，在潜孔锤的向上冲击力和钻机的向上静拉力联合作用下起拔套管，或将套管留在孔内护壁。
采用岩土物性测试仪测试当地岩土基本热物性的系统原理见图3所示，方法要点是：在已钻好的一个或若干个测试用钻孔中埋设导管并按设计要求回填，回路中充满水，静止48h，然后让水在回路中循环流动，并从某一时刻开始对水连续加热至少48h，并测量加热功率、回路中水的流量和水的温度及其所对应的时间，最后根据已知的数据由专用岩土热物性计算软件推算出钻孔周围岩土的平均热物性参数，并根据地热换热器总负荷计算出所需地源井延米数和井口数量，相邻地源井之间的行距和列距范围为5m左右，所用测试孔及其导管将来作为地热换热器的支路使用。
将U型管下入已完成的井群的快速下管工艺采用但不限于可高效下管作业的专用U型管下管器、快速下管接头、U型管间缺环管卡、U型管放管器、双把手式热熔焊机等工艺设备。
将所有井群连接为地源水环路系统的方法包括：将相邻6口井作为一组，采用同程式系统并联到一个分、集水连管中，并由供回水干管分别将所有分、集水器按异程式系统连接起来并通往主机机房。
对单根U型管支管、单个地源井、单个地源井组和由所有地源井群组成的地源水环路系统进行若干次打压的压力采用热泵运行中U型管可能承受的最大水压的1.25倍。
Claims (7)
1.一种土壤源热泵地源井施工工艺方法，应用于各类地质条件的土壤源热泵地源井施工中实现安全高效、快速便捷的施工作业，并特别适用于存在极硬岩或松散破碎岩层的高难度施工地质条件，其特征在于施工工艺方法和步骤要点如下：
(1)采用套管跟管钻进钻孔井下施工工艺打出测试井；
(2)采用岩土物性测试仪测试当地岩土基本热物性；
(3)采用套管跟管钻进钻孔井下施工工艺掘出按所测岩土物性计算数量的井群；
(4)采用快速下管工艺将U型管下入井群；
(5)采用同程式系统将若干口井并联为一组，并将所有井群连接为地源水环路系统，将供回水干管通往主机机房；
(6)先后对单根U型管支管、单个地源井、单个地源井组和由所有地源井群组成的地源水环路系统进行若干次打压合格后完成施工。
2.如权利要求1所述的土壤源热泵地源井施工工艺方法，其特征在于所述的套管跟管钻进钻孔井下施工工艺采用潜孔锤冲击静压跟管钻孔方法，采用单偏心三件套跟管钻进钻具，直接将钻具的潜孔锤与套管和钻机连接，进行冲击下管或冲击拔套管，连续作业而无需根据岩土层组成不同而多次更换钻具。
3.如权利要求1所述的土壤源热泵地源井施工工艺方法，其特征在于所述的套管跟管钻进钻孔井下施工工艺方法的要点如下：
(1)开孔沉管时，将潜孔锤反打接头与套管变径接头连接，边回转静压边冲击，进行冲击回转跟进套管；
(2)当回转扭矩很大时，套管停止回转，利用钻机的静压和潜孔锤冲击进行下管，根据使用潜孔锤的规格，选取钻机的静压力、潜孔锤的风量、风压；
(3)当冲击静压套管钻不进时，应采用气动潜孔锤在套管内进行常规正循环钻进。把反打接头和套管变径接头取下，装上套管护箍、钻头，将套管内的岩层破碎，返出套管，并尽可能地向下钻进；
(4)当潜孔锤正循环钻进遇塌孔无法钻进时，则再重复进行冲击静压跟管钻进；
(5)当孔底遇到大块石无法跟管时，可将潜孔锤下入套管内，将其击碎或钻穿，或继续跟管或再下一层小的规格套管，再重复跟管钻进；
(6)当钻孔完成时，应起拔套管，这时将潜孔锤倒置，取掉钻头、套管护箍、砧子、潜孔锤上接头与套管变径接头及进气接头相连，在潜孔锤下接头处装置有反打接头，从潜孔锤下端进风，活塞上击反打接头，产生向上的冲击力，冲击力通过潜孔锤外缸传至套管，钻机提升机构与反打接头连接、向上静拉起拔套管，在潜孔锤的向上冲击力和钻机的向上静拉力联合作用下起拔套管，或将套管留在孔内护壁。
4.如权利要求1所述的土壤源热泵地源井施工工艺方法，其特征在于所述的采用岩土物性测试仪测试当地岩土基本热物性的方法要点是：在已钻好的一个或若干个测试用钻孔中埋设导管并按设计要求回填，回路中充满水，静止数天，然后让水在回路中循环流动，并从某一时刻开始对水连续加热至少48h，并测量加热功率、回路中水的流量和水的温度及其所对应的时间，最后根据已知的数据由专用岩土热物性计算软件推算出钻孔周围岩土的平均热物性参数，并根据地热换热器总负荷计算出所需地源井延米数和井口数量，相邻地源井之间的行距和列距范围为4～6m，所用测试孔及其导管将来可以作为地热换热器的支路使用。
5.如权利要求1所述的土壤源热泵地源井施工工艺方法，其特征在于所述的将U型管下入已完成的井群的快速下管工艺采用可高效下管作业的专用U型管下管器、快速下管接头、U型管间缺环管卡、U型管放管器、双把手式热熔焊机。
6.如权利要求1所述的土壤源热泵地源井施工工艺方法，其特征在于所述的将所有井群连接为地源水环路系统的方法包括：将相邻4或6或8口井作为一组，采用同程式系统并联到一个水联箱中，并由供回水干管分别将所有水联箱连接起来并通往主机机房。
7.如权利要求1所述的土壤源热泵地源井施工工艺方法，其特征在于所述的对单根U型管支管、单个地源井、单个地源井组和由所有地源井群组成的地源水环路系统进行若干次打压的压力按照热泵运行中U型管可能承受的最大水压的1.15～1.30倍选择。
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| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| DD01 | Delivery of document by public notice |
Addressee: Ma Ning Document name: Notification of Passing Examination on Formalities |
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| ASS | Succession or assignment of patent right |
Owner name: SHANDONG FANGYA GSHP TECHNOLOGY CO., LTD. Effective date: 20150902 |
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| C41 | Transfer of patent application or patent right or utility model | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20150902 Address after: 261200 No. 88 Fenghuang Avenue, Fangzi District, Shandong, Weifang Patentee after: Shandong Yateer Group Co., Ltd. Patentee after: Shandong Fangya GSHP Technology Co., Ltd. Address before: 261200 No. 88 Fenghuang Avenue, Fangzi District, Shandong, Weifang Patentee before: Shandong Yateer Group Co., Ltd. |