地埋管地源热泵的钻探技术

    地埋管地源热泵系统是传热介质（主要是水）通过水平埋管换热器或竖直埋管换热器组成的封闭环路与浅层岩土体进行热交换的空调系统。其竖直地埋管换热器置于钻孔内，并在安装完成后回填密实，保证管壁与土壤或岩石充分接触以增强换热效果。

    1．地埋管钻孔设计分析

    地埋管钻孔设计前应充分勘查现场，选择代表性区域布置试验孔。通过试验孔获取地下地质资料及钻孔每延米换热量等数据。地埋管钻孔的深度应根据地质条件、工程规模、占地面积、投资及钻机胜能等情况综合考虑。一般来讲，浅孔的优点是：投资少，成本低，对钻机性能要求不高；缺点是占地面积大，管路接头多，埋管换热效率较低。深孔的优点是：占地面积小，管路接头少，埋管换热效率高；其缺点是投资大，成本高，对钻机性能要求高。综合国内外工程实例，地埋管钻孔孔径一般设计在100～150mm之间，布置间距以4～6m为宜，设计深度为以60～120m为宜。钻孔数量应通过建筑物供热或制冷负荷和相关地质勘查数据计算来确定，并考虑合理的富余量。

    2．地埋管钻孔施工

    地埋管钻孔需要用钻机进行施工。由于钻孔的深度相对较浅，施工通常采用常规的正循环钻进的方法，当前地源热泵工程中，多选用工程勘察钻机和岩心钻机等常规设备。钻并施工应根据不同的地质情况，采取不同的施工工艺。施工中要根据地质清况的变化合理安排进尺，把钻孔完全打透。为保证孔壁保持完整，对于土质比较好或岩石完整的地层，可以采用裸孔钻进；对砂层、粘土或存在孔洞、洞穴等孔壁容易坍塌的地层，应先下护壁套管保护再进行施工。钻讲过程中应保证钻机钻杆垂直度，偏差应不大于0.5%，避免出现较大的孔位垂直偏移，严格防止串孔出现。

    施工过程中影响钻孔质量和效率的因素主要有两个方面：一是钻进排屑，二是循环注入物。

    l钻进碎屑

    切屑的排出速度是影响钻孔效率最大因素。排屑的方法主要有两种：正循环排屑和反循环排屑。1）正循环法排屑为水、空气或泥浆等通过钻杆中心在压力设备的驱动下压入孔底，携带切屑从钻杆与孔壁之间的间隙排出。这种方法排屑速度较慢，容易造成包住钻头甚至是堵塞，增大了钻进阻力，造成施工苦难。2）反循环法排屑为水、空气或泥浆等沿孔壁在压力设备的驱动下压入孔底，携带切屑从钻杆中心孔排出的方法。因水、空气或泥浆等流体介质沿孔壁的流速相对较慢，对孔壁冲刷较小，不易造成塌孔，排渣效率较高，因此应用较为广泛。

    l循环注入物

    选择适当的循环注入物是影响钻孔质量与效率的关键，通常采用的注入物

    有水、空气、泥浆等。注入物的作用是冷却钻头并带走切屑。不同的地质条件，应选用不同的循环注入物。通常清况下，对于岩石完整或土质较硬的地层，一般选用空气作为注入物：对于黏土或土质稍软但孔壁不易坍塌的地层，一般选用水作为注入物，由孔内切削土自行制浆护壁；对于砂土或含沙量较高的地层，一般选用黏土或泥浆作为注入物，清孔再换清水或清浆。

    3．常用设备及其优缺点

    l转盘式钻机

    转盘式钻机是通讨转盘旋转或悬挂动力头旋转驱动钻杆、钻具进行钻孔作业。通过钻杆自重对钻具施加压力，来增加钻进能力。这种钻机对地层的适应性强，通过变更钻头型号和调整钻杆压力，可适用于从软土到极硬的大多数地层，但不适合较大的松散卵石的地层。

    l冲击式钻机

    冲击式钻机是靠钻杆、钻具的垂直往复运动，使钻头冲击孔底破碎岩层进行作业，适用于从土壤到岩层的多种地质条件，尤其适合卵石、漂石、砾石等地层条件。其优点是结构简便、造价低、综合施工费用低，缺点钻孔效率低、速度漫。

    l潜水式钻机

    潜水式钻机的动力装置与工作装置连成一体，潜入泥水中工作，多采用反循环排渣。这类钻机通过潜水电机旋转带动钻具切土钻进，整个钻具悬挂方式工作，成孔垂度好，无须反复撤装钻杆。其优点是设备简单、体积小，移动方便，能连续工作，成孔速度较快；缺点是出现塌孔不容易处理

    l螺旋式钻机

    螺旋式钻机是利用钻具旋转，由钻具下部的切削刃切土进行作业。根据钻头形式可分为长螺旋式和短螺旋式。长螺旋式切下的土沿钻杆上的螺旋叶片上升，排到地面，成孔速度很决，适用于直径小的钻孔；短螺旋式则将钻具提到地面反转排土，适用于大直径孔径，深度较小的钻孔。

    l复合式钻机

    当前复合式钻机有两种类型：一类是在转盘回转式钻机的基础上增设冲击机构的两用型钻机，一般作业中以回转钻进为主，当遇到卵石层时用冲击钻进，对不同地层的适应性较强；另一类是将冲击与回转结合在一起钻进的两用型钻机，如气动潜孔锤钻机。气动潜孔锤钻机依靠回转的潜孔锤钻具的钻头频繁冲击破碎岩层，由压入的空气在冷却钻头的同时将孔底岩屑带出完成作业。其适用于硬岩层钻孔作业，钻进速度快，效率高、钻孔垂直度较高，因而在当前地源热泵工程中应用非常广泛。为适应不同地层，提高钻进效率，钻机正向多用途及全液压传动与操纵的方向发展：即一台宝占讥备可采用冲击式、回转式和潜孔锤等多种组合方式。