專利名稱：一種土壤源熱泵地源井施工工藝方法與設備的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種土壤源熱泵地源井施工工藝方法與設備，屬于地源熱泵施工工 藝技術領域。
背景技術：
地源熱泵供熱與空調(diào)供冷系統(tǒng)具有充分利用地下土壤的能量、采用一套系統(tǒng)即 可解決全年空調(diào)供冷與供熱問題的優(yōu)勢，近年來土壤源已經(jīng)大規(guī)模推廣使用，并取得了 良好的應用效益。土壤源熱泵系統(tǒng)利用地下巖土的自然能量用于空調(diào)供冷、采暖和制熱 水，本身不污染和消耗地下水，在技術產(chǎn)品和實際應用兩個方面均已獲得迅速發(fā)展，并 具有廣闊的市場潛力。但是由于地下巖土層的組成復雜，打井施工受到地質(zhì)狀況的影 響，施工時間和費用均耗費較大，因而導致這一有效實用的空調(diào)熱水解決方法的應用范 圍受到較大限制。因此，如何進一步針對性的改進施工工藝，提供施工進度和質(zhì)量，降 低施工成本，是目前地源熱泵推廣應用領域一個非常重要的發(fā)展領域，并直接影響到地 源熱泵市場發(fā)展的潛力。與普通熱泵空調(diào)系統(tǒng)施工相比，土壤源熱泵施工的最獨特最復雜的環(huán)節(jié)是在選 定區(qū)域的地下巖土層中鉆井，采用何種鉆井工藝方法與設備，直接關系到地源井施工的 質(zhì)量、效率和費用。通常而言，采用普通鉆具在基本為土壤地層的地質(zhì)條件下鉆井速度 快、費用少，但是在遇有花崗巖等硬巖層或松散破碎巖層中，普通鉆具的鉆井效率大大 下降，綜合費用急劇升高，甚至無法打出合格地源井，此時必須采用專門針對硬巖層或 松散破碎巖層作業(yè)的專用鉆具。經(jīng)常遇到的情況是，在IOOm左右的鉆井深度內(nèi)，最上一 層覆蓋有一定厚度的松軟土壤層，其下則為若干層硬巖層或松散破碎巖層，這種情況下 許多施工單位會分別選擇更換不同的鉆具進行作業(yè)，大大影響鉆井時間，例如一一個鉆 井小組可能需要2 3天方可完成一口井(100m左右)的鉆井作業(yè)。在地質(zhì)勘探中采用套管跟管鉆進鉆孔方法，可在花崗巖等硬巖層或松散破碎巖 層中高效高質(zhì)地完成鉆井作業(yè)，將這種方法應用于土壤源熱泵地源井的鉆井作業(yè)中，可 有效促進地源井鉆井過程及效率。在地源井施工流程中，在巖土熱物性測試及分析、U型管下管作業(yè)及地源井環(huán) 路施工與打壓驗收等相關流程中，均已出現(xiàn)和采用了各種工藝方法與設備，但是在許多 施工環(huán)節(jié)與設備中存在準確性、可靠性、安全性、成井及環(huán)路施工質(zhì)量、進度等方面存 在著諸多問題，均有賴于針對性地加以改進和提高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的和任務是，針對目前地源井施工工藝中存在的上述問題，研制一 種土壤源熱泵地源井施工工藝方法與設備，有效提高施工質(zhì)量和進度，降低綜合生產(chǎn)成 本。本發(fā)明的具體描述是一種土壤源熱泵地源井施工工藝方法與設備，應用于各類地質(zhì)條件的土壤源熱泵地源井施工中實現(xiàn)安全高效、快速便捷的施工作業(yè)，并特別適 用于存在花崗巖等硬巖或松散破碎巖層等的高難度施工地質(zhì)條件，施工工藝方法和步驟 要點如下(1)采用套管跟管鉆進鉆孔井下施工工藝打出測試井；(2)采用巖土物性測試儀測試當?shù)貛r土基本熱物性；(3)采用套管跟管鉆進鉆孔工藝掘出按所測巖土物性計算數(shù)量的井群；(4)采用快速下管工藝將U型管下入井群；(5)采用同程式系統(tǒng)將若干口井并聯(lián)為一組，并將所有井群連接為地源水環(huán)路系 統(tǒng)，將供回水干管通往主機機房；(6)先后對單根U型管支管、單個地源井、單個地源井組和由所有地源井群組成 的地源水環(huán)路系統(tǒng)進行若干次打壓合格后完成施工。套管跟管鉆進鉆孔井下施工工藝采用潛孔錘沖擊靜壓跟管鉆孔方法，采用單偏 心三件套跟管鉆進鉆具等復雜巖土打井作業(yè)機具，直接將鉆具的潛孔錘與套管和鉆機連 接，進行沖擊下管或沖擊拔套管，連續(xù)作業(yè)而無需根據(jù)巖土層組成不同而多次更換鉆 具。井下施工工藝方法的要點如下(1)開孔沉管時，將潛孔錘反打接頭與套管變徑接頭連接，邊回轉靜壓邊沖擊， 進行沖擊回轉跟進套管；(2)當回轉扭矩很大時，套管停止回轉，利用鉆機的靜壓和潛孔錘沖擊進行下 管，根據(jù)使用潛孔錘的規(guī)格，選取鉆機的靜壓力、潛孔錘的風量、風壓；(3)當沖擊靜壓套管鉆不進時，應采用氣動潛孔錘在套管內(nèi)進行常規(guī)正循環(huán)鉆 進。把反打接頭和套管變徑接頭取下，裝上套管護箍、鉆頭，將套管內(nèi)的巖層破碎，返 出套管，并盡可能地向下鉆進；(4)當潛孔錘正循環(huán)鉆進遇塌孔無法鉆進時，則再重復進行沖擊靜壓跟管鉆 進；(5)當孔底遇到大塊石無法跟管時，可將潛孔錘下入套管內(nèi)，將其擊碎或鉆穿， 或繼續(xù)跟管或再下一層小的規(guī)格套管，再重復跟管鉆進；(6)當鉆孔完成時，應起拔套管，這時將潛孔錘倒置，取掉鉆頭、套管護箍、砧 子、潛孔錘上接頭與套管變徑接頭、進氣接頭及套管相連，在另一端裝置有反打接頭， 從潛孔錘下端進風，活塞上擊反打接頭，產(chǎn)生向上的沖擊力，沖擊力通過潛孔錘外缸傳 至套管，鉆機提升機構與反打接頭連接、向上靜拉起拔套管，在潛孔錘的向上沖擊力和 鉆機的向上靜拉力聯(lián)合作用下起拔套管，或?qū)⑻坠芰粼诳變?nèi)護壁。采用巖土物性測試儀測試當?shù)貛r土基本熱物性的方法要點是在已鉆好的一個 或若干個測試用鉆孔中埋設導管并按設計要求回填，回路中充滿水，靜止數(shù)天，然后讓 水在回路中循環(huán)流動，并從某一時刻開始對水連續(xù)加熱數(shù)天(至少48h)，并測量加熱功 率、回路中水的流量和水的溫度及其所對應的時間，最后根據(jù)已知的數(shù)據(jù)由專用巖土熱 物性計算軟件推算出鉆孔周圍巖土的平均熱物性參數(shù)，并根據(jù)地熱換熱器總負荷計算出 所需地源井延米數(shù)和井口數(shù)量，相鄰地源井之間的行距和列距范圍為4 6m左右，所用 測試孔及其導管將來可以作為地熱換熱器的支路使用。
將U型管下入已完成的井群的快速下管工藝采用但不限于可高效下管作業(yè)的專 用U型管下管器、快速下管接頭、U型管間缺環(huán)管卡、U型管放管器、雙把手式熱熔焊 機等工藝設備。將所有井群連接為地源水環(huán)路系統(tǒng)的方法包括將相鄰4或6或8 口井作為一 組，采用同程式系統(tǒng)并聯(lián)到一個分、集水連管中，并由供回水干管分別將所有分、集水 器按異程式系統(tǒng)連接起來并通往主機機房。此種連接方法的優(yōu)點是當某一口井打壓出現(xiàn) 泄露時可只放棄該組地熱換熱器即可。對地源井及其單管進行多次打壓的壓力按照熱泵運行中U型管可能承受的最大 水壓的1.15 1.30倍選擇。采用這一施工工藝可實現(xiàn)大大提高鉆井施工和地源井環(huán)路系統(tǒng)的施工作業(yè)質(zhì)量 和進度，特別適用于存在花崗巖等硬巖的高難度施工地質(zhì)條件，一個鉆井小組可在1天 內(nèi)完成1 2 口井(100m左右)的鉆井作業(yè)。通過應用多種先進專用施工工藝和設備確 保施工作業(yè)的安全高效、快速便捷，減少人工和材料的耗費，降低勞動強度，節(jié)省施工 及其準備時間，降低綜合施工成本。該施工工藝實用性強，安全可靠，成本低，實際工程應用效果良好，在土壤源 熱泵地源井系統(tǒng)施工等工程中可迅速推廣應用。


圖1是本發(fā)明的流程示意圖，圖2是本發(fā)明的關鍵工藝設備套管跟管鉆進鉆孔施 工中采用的單偏心三件套跟管鉆進鉆具的結構示意圖，圖3是巖土熱物性測試原理示意 圖。
具體實施例方式圖2是本發(fā)明的關鍵工藝設備套管跟管鉆進鉆孔施工中采用的單偏心三件套跟 管鉆進鉆具的結構示意圖，圖3是巖土熱物性測試原理示意圖。本發(fā)明的具體描述是一種土壤源熱泵地源井施工工藝方法與設備，施工工藝 方法和步驟要點如下(1)采用套管跟管鉆進鉆孔井下施工工藝打出測試井；(2)采用巖土物性測試儀測試當?shù)貛r土基本熱物性；(3)采用套管跟管鉆進鉆孔工藝掘出按所測巖土物性計算數(shù)量的井群；(4)采用快速下管工藝將U型管下入井群；(5)采用同程式系統(tǒng)將若干口井并聯(lián)為一組，并將所有井群連接為地源水環(huán)路系 統(tǒng)，將供回水干管通往主機機房；(6)先后對單根U型管支管、單個地源井、單個地源井組和由所有地源井群組成 的地源水環(huán)路系統(tǒng)進行若干次打壓合格后完成施工。套管跟管鉆進鉆孔井下施工工藝采用潛孔錘沖擊靜壓跟管鉆孔方法，采用單偏 心三件套跟管鉆進鉆具等復雜巖土打井作業(yè)機具，直接將鉆具的潛孔錘與套管和鉆機連 接，進行沖擊下管或沖擊拔套管，連續(xù)作業(yè)而無需根據(jù)巖土層組成不同而多次更換鉆 具，鉆具結構示意圖見圖2所示。井下施工工藝方法的要點如下
(1)開孔沉管時，將潛孔錘反打接頭與套管變徑接頭連接，邊回轉靜壓邊沖擊， 進行沖擊回轉跟進套管；(2)當回轉扭矩很大時，套管停止回轉，利用鉆機的靜壓和潛孔錘沖擊進行下 管，根據(jù)使用潛孔錘的規(guī)格，選取鉆機的靜壓力、潛孔錘的風量、風壓；(3)當沖擊靜壓套管鉆不進時，應采用氣動潛孔錘在套管內(nèi)進行常規(guī)正循環(huán)鉆 進。把反打接頭和套管變徑接頭取下，裝上套管護箍、鉆頭，將套管內(nèi)的巖層破碎，返 出套管，并盡可能地向下鉆進；(4)當潛孔錘正循環(huán)鉆進遇塌孔無法鉆進時，則再重復進行沖擊靜壓跟管鉆 進；(5)當孔底遇到大塊石無法跟管時，可將潛孔錘下入套管內(nèi)，將其擊碎或鉆穿， 或繼續(xù)跟管或再下一層小的規(guī)格套管，再重復跟管鉆進；(6)當鉆孔完成時，應起拔套管，這時將潛孔錘倒置，取掉鉆頭、套管護箍、砧 子、潛孔錘上接頭與套管變徑接頭、進氣接頭及套管相連，在另一端裝置有反打接頭， 從潛孔錘下端進風，活塞上擊反打接頭，產(chǎn)生向上的沖擊力，沖擊力通過潛孔錘外缸傳 至套管，鉆機提升機構與反打接頭連接、向上靜拉起拔套管，在潛孔錘的向上沖擊力和 鉆機的向上靜拉力聯(lián)合作用下起拔套管，或?qū)⑻坠芰粼诳變?nèi)護壁。采用巖土物性測試儀測試當?shù)貛r土基本熱物性的系統(tǒng)原理見圖3所示，方法要 點是在已鉆好的一個或若干個測試用鉆孔中埋設導管并按設計要求回填，回路中充滿 水，靜止48h，然后讓水在回路中循環(huán)流動，并從某一時刻開始對水連續(xù)加熱48h，并測 量加熱功率、回路中水的流量和水的溫度及其所對應的時間，最后根據(jù)已知的數(shù)據(jù)由專 用巖土熱物性計算軟件推算出鉆孔周圍巖土的平均熱物性參數(shù)，并根據(jù)地熱換熱器總負 荷計算出所需地源井延米數(shù)和井口數(shù)量，相鄰地源井之間的行距和列距范圍為5m左右， 所用測試孔及其導管將來作為地熱換熱器的支路使用。將U型管下入已完成的井群的快速下管工藝采用但不限于可高效下管作業(yè)的專 用U型管下管器、快速下管接頭、U型管間缺環(huán)管卡、U型管放管器、雙把手式熱熔焊 機等工藝設備。將所有井群連接為地源水環(huán)路系統(tǒng)的方法包括將相鄰6 口井作為一組，采用 同程式系統(tǒng)并聯(lián)到一個分、集水連管中，并由供回水干管分別將所有分、集水器按異程 式系統(tǒng)連接起來并通往主機機房。對地源井及其單管進行多次打壓的壓力采用熱泵運行中U型管可能承受的最大 水壓的1.25倍。
權利要求
1.一種土壤源熱泵地源井施工工藝方法與設備，應用于各類地質(zhì)條件的土壤源熱泵 地源井施工中實現(xiàn)安全高效、快速便捷的施工作業(yè)，并特別適用于存在花崗巖等硬巖或 松散破碎巖層等的高難度施工地質(zhì)條件，其特征在于施工工藝方法和步驟要點如下(1)采用套管跟管鉆進鉆孔井下施工工藝打出測試井；(2)采用巖土物性測試儀測試當?shù)貛r土基本熱物性；(3)采用套管跟管鉆進鉆孔工藝掘出按所測巖土物性計算數(shù)量的井群；(4)采用快速下管工藝將U型管下入井群；(5)采用同程式系統(tǒng)將若干口井并聯(lián)為一組，并將所有井群連接為地源水環(huán)路系統(tǒng)， 將供回水干管通往主機機房；(6)先后對單根U型管支管、單個地源井、單個地源井組和由所有地源井群組成的地 源水環(huán)路系統(tǒng)進行若干次打壓合格后完成施工。
2.如權利要求1所述的土壤源熱泵地源井施工工藝方法與設備，其特征在于所述的套 管跟管鉆進鉆孔井下施工工藝采用潛孔錘沖擊靜壓跟管鉆孔方法，采用單偏心三件套跟 管鉆進鉆具等復雜巖土打井作業(yè)機具，直接將鉆具的潛孔錘與套管和鉆機連接，進行沖 擊下管或沖擊拔套管，連續(xù)作業(yè)而無需根據(jù)巖土層組成不同而多次更換鉆具。
3.如權利要求1所述的土壤源熱泵地源井施工工藝方法與設備，其特征在于所述的套 管跟管鉆進鉆孔井下施工工藝方法的要點如下(1)開孔沉管時，將潛孔錘反打接頭與套管變徑接頭連接，邊回轉靜壓邊沖擊，進行 沖擊回轉跟進套管；(2)當回轉扭矩很大時，套管停止回轉，利用鉆機的靜壓和潛孔錘沖擊進行下管，根 據(jù)使用潛孔錘的規(guī)格，選取鉆機的靜壓力、潛孔錘的風量、風壓；(3)當沖擊靜壓套管鉆不進時，應采用氣動潛孔錘在套管內(nèi)進行常規(guī)正循環(huán)鉆進。 把反打接頭和套管變徑接頭取下，裝上套管護箍、鉆頭，將套管內(nèi)的巖層破碎，返出套 管，并盡可能地向下鉆進；(4)當潛孔錘正循環(huán)鉆進遇塌孔無法鉆進時，則再重復進行沖擊靜壓跟管鉆進；(5)當孔底遇到大塊石無法跟管時，可將潛孔錘下入套管內(nèi)，將其擊碎或鉆穿，或繼 續(xù)跟管或再下一層小的規(guī)格套管，再重復跟管鉆進；(6)當鉆孔完成時，應起拔套管，這時將潛孔錘倒置，取掉鉆頭、套管護箍、砧子、 潛孔錘上接頭與套管變徑接頭、進氣接頭及套管相連，在另一端裝置有反打接頭，從潛 孔錘下端進風，活塞上擊反打接頭，產(chǎn)生向上的沖擊力，沖擊力通過潛孔錘外缸傳至套 管，鉆機提升機構與反打接頭連接、向上靜拉起拔套管，在潛孔錘的向上沖擊力和鉆機 的向上靜拉力聯(lián)合作用下起拔套管，或?qū)⑻坠芰粼诳變?nèi)護壁。
4.如權利要求1所述的土壤源熱泵地源井施工工藝方法與設備，其特征在于所述的采 用巖土物性測試儀測試當?shù)貛r土基本熱物性的方法要點是在已鉆好的一個或若干個測 試用鉆孔中埋設導管并按設計要求回填，回路中充滿水，靜止數(shù)天，然后讓水在回路中 循環(huán)流動，并從某一時刻開始對水連續(xù)加熱數(shù)天(至少48h)，并測量加熱功率、回路中 水的流量和水的溫度及其所對應的時間，最后根據(jù)已知的數(shù)據(jù)由專用巖土熱物性計算軟 件推算出鉆孔周圍巖土的平均熱物性參數(shù)，并根據(jù)地熱換熱器總負荷計算出所需地源井 延米數(shù)和井口數(shù)量，相鄰地源井之間的行距和列距范圍為4 6m左右，所用測試孔及其導管將來可以作為地熱換熱器的支路使用。
5.如權利要求1所述的土壤源熱泵地源井施工工藝方法與設備，其特征在于所述的將 U型管下入已完成的井群的快速下管工藝采用但不限于可高效下管作業(yè)的專用U型管下 管器、快速下管接頭、U型管間缺環(huán)管卡、U型管放管器、雙把手式熱熔焊機等工藝設 備。
6.如權利要求1所述的土壤源熱泵地源井施工工藝方法與設備，其特征在于所述的將 所有井群連接為地源水環(huán)路系統(tǒng)的方法包括將相鄰4或6或8 口井作為一組，采用同程 式系統(tǒng)并聯(lián)到一個分、集水連管中，并由供回水干管分別將所有分、集水器按異程式系 統(tǒng)連接起來并通往主機機房。
7.如權利要求1所述的土壤源熱泵地源井施工工藝方法與設備，其特征在于所述的 對地源井及其單管進行多次打壓的壓力按照熱泵運行中U型管可能承受的最大水壓的 1.15 1.30倍選擇。
全文摘要
一種土壤源熱泵地源井施工工藝方法與設備，施工過程采用如下方法與步驟采用套管跟管鉆進鉆孔井下施工工藝打出測試井，采用巖土物性測試儀測試當?shù)貛r土基本熱物性，采用套管跟管鉆進鉆孔工藝掘出按所測熱物性計算的數(shù)量的井群，采用快速下管工藝將U型管下入井群，采用同程式系統(tǒng)將若干口井并聯(lián)為一組，并將各組都按異程連接為地源水環(huán)路系統(tǒng)后將供回水干管通往主機機房，先后經(jīng)若干次打壓合格后完成施工。該工藝方法特別適用于存在花崗巖等硬巖的高難度施工地質(zhì)條件，通過應用多種先進專用施工工藝和設備確保施工作業(yè)安全高效、快速便捷，減少人工和材料的耗費，降低勞動強度，節(jié)省施工及其準備時間，降低綜合施工成本，實際工程應用效果良好。
文檔編號F24J3/08GK102022860SQ20091001836
公開日2011年4月20日 申請日期2009年9月10日 優(yōu)先權日2009年9月10日
發(fā)明者姚久恩, 張文龍, 張茂勇, 鄭良村, 郝君, 馬寧, 高楊, 魏巍 申請人:山東亞特爾集團股份有限公司