地埋管地源热泵系统在喀斯特地区的钻孔施工技术分析

尹畅昱 王思丹



地埋管地源热泵系统在喀斯特地区的钻孔施工技术分析

尹畅昱1王思丹2

（1.杭州中联筑境建筑设计有限公司 杭州 310006； 2.浙江省武林建筑装饰集团有限公司 杭州 310030）

地埋管地源热泵系统在国内的应用地区越来越广，在喀斯特地区的应用工程也与日俱增。但是喀斯特地区地质状况较复杂，钻孔难度较大，在一定程度上阻碍了地埋管地源热泵在该地区的发展。针对喀斯特地区的地质结构，研究其特征，分析了在钻孔施工中应注意的问题，并提出了一套在喀斯特地区可行性较高、成本较低的钻孔施工技术。

地埋管地源热泵系统；喀斯特地区；钻孔施工技术

0 引言

地埋管地源热泵系统是一种利用地下浅层地热能源的既能供热又能制冷的高效节能环保的空调系统[1]，系统通过输入少量的高品位能源（如电能），实现低温位热能向高温位热能转移。其工作原理：在夏季，热泵机组将建筑物中的热量取出，转移释放到地层中；在冬季，则从地层中提取热量，给建筑物供热[2]。目前地埋管地源热泵系统因其节能高效的优越性在国内发展迅速，在喀斯特地区的应用也日渐增多，尤其是在贵州地区。贵州地处我国西南地区，喀斯特微地貌地区的核心地带，喀斯特碳酸盐的分布面积约占全省总面积的70％左右。喀斯特主要指可溶性岩层在水的作用下产生了化学溶蚀作用，并伴随沉积、塌陷等过程，形成独特的地质[3]。

岩土物性是影响地埋管地源热泵系统的重要因素。地质结构的优劣在一定程度上影响着地源热泵系统能否高效运行和钻孔施工的难易。喀斯特地区的地下洞穴和沟壑，常造成机械冲孔泥浆护壁桩孔内泥浆渗漏，给钻孔施工带来种种麻烦，不仅拖延了工期，还有可能影响钻孔的换热能力。覃彬[4]研究了喀斯特地质条件下机械冲孔桩卡锤原因及其对策，但是该方法是针对建筑打桩提出的，对于地埋管地源热泵打孔的指导意义不是很大。何文君[5]等研究了岩溶地区浅层岩土体热物性参数，发现岩溶一般至中等发育的白云岩综合热导系数达到2.27～3.12W/(m·℃)，具有较强的地下换热能力，但是文中未给出喀斯特地质结构的特性与共性。高峰[6]提出在地源热泵打孔中选择适当的循环注入物是影响钻孔质量与效率的关键，但是文中未给出适宜喀斯特地貌的钻孔施工技术。

针对喀斯特地区的地质结构，研究其特征，分析了在钻孔施工中应注意的问题，并提出了一种在喀斯特地区可行性较高的钻孔施工技术。

1 喀斯特地质成因

喀斯特地形，又称溶蚀地形、石灰岩地形，是具有溶蚀力的水对可溶性岩石进行溶蚀等作用所形成的地表和地下形态的总称。水对可溶性岩石所进行的作用，统称为喀斯特作用[4]。

中国现代喀斯特是在燕山运动以后准平原的基础上发展起来的。老第三纪时，华南为热带气候，峰林开始发育；华北为亚热带气候，长江南北为荒漠地带，是喀斯特发育很弱的地区。新第三纪时，中国季风气候形成，奠定了现今喀斯特地带性的基础，华南保持了湿热气候，华中变得湿润，喀斯特发育转向强烈。尤其是第四纪以来，地壳迅速上升，喀斯特地貌随之迅速发育，类型复杂多样。

在贵阳地区，地层位于扬子准地台黔北台隆遵义断拱贵阳复杂构造变形区，喀斯特地貌，岩层产状总体变化不大，主要褶皱为近南北向的贵阳一中曹司船型向斜，断层基本上是以北北东、北东、北东东向为主[7,8]。岩石主要为可溶性碳酸盐岩，区内的岩溶个体形态较发育，主要表现为溶沟、溶槽、岩溶洼地、落水洞等。

2 喀斯特地质特征

2.1 岩石与土壤交替出现

在喀斯特地区，在多个测试井的地质情况中发现，原始土壤层都较厚，平均厚度可达20米，且在土壤层中有零星的岩石交替出现，如图1所示，在纵向和横向，大块岩石会零星地无规律地分布在土壤层中。这种情形对钻井造成了一定的困难，对钻头的要求也较高，钻头要既能应付厚重的土壤层，也能钻动坚硬的岩石。

图1 岩石和土壤交替出现的喀斯特地质图

2.2 岩面倾斜角度不一

由于喀斯特地貌形成过程中地质活动较复杂，其形成的地质结构层存在倾斜，且倾斜角度不一。

图2 卡斯特地貌中倾斜的岩石层

图3 卡斯特地貌中不同深度岩心图

如图2、图3所示，经钻探的喀斯特地区中岩层存在大面积的角度倾斜。观察钻探100米取出的岩心，在不同深度的岩层存在不同的倾斜角度，有的完全水平，有的有接近45°角的斜度。这样大面积的岩石倾斜，以及不同深度岩层倾斜角度不一就对钻具提出了较高的要求，钻具必须能将井壁打磨光滑，不能留有突起岩块，如果打磨不光滑，下换热管时将费时又费力。

2.3 黄泥碎石紧密混杂

经钻探的喀斯特地区的地质中经常出现黄泥紧密夹杂碎石的状况，如图4所示，碎石与黄泥结合较密实，碎石质硬且脆，黄泥紧密填充在碎石之间，极易卡死钻头。

图4 喀斯特地貌中黄泥碎石夹杂图

2.4 高度风化层较多

经钻探的喀斯特地区的地质中发现在地下约40～55米处存在高度风化破碎层，节理裂隙发育，岩体破碎严重，以碎石为主，少量为块状和大颗粒状，结合松散，如图5、图6所示，在钻孔时，因为钻杆的震动，高度风化层的岩石极易破碎成块，极易踏孔或掉块卡死钻杆。

图5 钻孔施工时上返的破碎层岩石颗粒图

图6 喀斯特地貌中裸露的高度风化岩石图

2.5 碳酸盐岩层厚度较大

从经钻探的喀斯特地区的地质中发现，地层中的碳酸盐岩层厚度较大，主要为白云岩和石灰岩，且风化程度不一。因为碳酸盐容易被地下水侵蚀，所以该岩层有可能存在断层和空洞。

表1 经钻探的喀斯特地貌地质情况

续表1 经钻探的喀斯特地貌地质情况

3 钻孔施工技术

3.1 常用的钻具及辅助工具

图7 常用的钻具及辅助工具图

针对喀斯特地质中浅层岩石与土壤交替出现的情况，首先用水钻机和潜孔钻机交替使用，水钻机选用比钻孔大一号的三翼钻头，潜孔钻机选用比钻孔大一号的潜孔钻头。出现土壤时使用水钻机，出现岩石时使用潜孔钻机，建议下套管稳固井壁，一般下套管20米左右。如此有针对性的交替使用，可以明显加快钻孔速度。

针对喀斯特地质中岩面倾斜角度不一的情况，需注意要将井壁打磨光滑，可以用潜孔钻机的潜孔钻头上下打磨，如果岩层较坚硬，建议放慢钻杆速度。

针对喀斯特地质中黄泥碎石紧密混杂的情况，建议使用水钻机，往钻井里加入适量膨胀剂，将黄泥碎石粘合固定再进行施工。

针对喀斯特地质中高度风化层较多的情况，建议使用潜孔钻机，对于较浅层的碎石层，可以加套管加固井壁，对于较深层的碎石层，可以加入适量膨胀剂，稳固碎石层后再进行施工。

针对喀斯特地质中断层空洞较多的情况，建议放慢操纵杆速度，防止钻杆钻头踏空而损坏。

使用潜孔钻机时，可能因为气体的力度不够而在钻井底沉积了大量的细砂，为了下管时地埋管能顺利到达井底，可以使用水钻机将沉砂筒放入井底，灌入水后将细砂提出。

4 结论

（1）由于喀斯特地区的地质特殊性，地埋管地源热泵系统进行钻孔时，常遇到岩石与土壤交替出现，岩面倾斜角度不一，黄泥碎石紧密混杂，高度风化层较多，偶有断层空洞出现的情况，这些都给施工带来困难，必须引起足够的重视。

（2）针对喀斯特地区的各项地质特征，提出了相应的钻孔施工技术，经施工现场对比使用后，可以有效的加快钻孔速度，提升钻孔质量，减少钻孔天数，节约钻孔时间成本和人力成本。

[1] 孙友宏,胡克,庄迎春,等.岩土钻掘工程应用新领域地源热泵技术[J].岩土钻掘工程,2002(s1):45-48.

[2] 王勇.地源热泵的技术经济分析[J].建筑热能通风空调,2001,20(5):12-13.

[3] 张广波,张广英.浅析贵州喀斯特微地貌的成因及对水土保持影响[J].河南水利与南水北调,2012(4):65-66.

[4] 覃彬.喀斯特地质条件下机械冲孔桩卡锤原因及对策[J].企业科技与发展,2013(11):95-96.

[5] 何文君,王明章,李勇刚.岩溶地区浅层岩土体热物性参数测试及应用分析[J].贵州地质,2013,30(1):71-74.

[6] 高峰.地埋管地源热泵工程中的钻探技术[J].科技风,2012,33(5):832-837.

[7] 袁志英,郝江南.贵阳地区基本地质环境和主要岩土工程问题综述[J].地球与环境,2005,33(s):251-254.

[8] 谯文浪,陈武,刘凌云.25万贵阳市幅区域地质调查成果[J].中国科技成果,2016,17(22):30-32.

Analysis of Drilling Technology on Ground Coupled Heat Pump System in Karst District

Yin Changyu1Wang Sidan2

( 1.CCTN Architecture Design Co., Ltd, Hangzhou, 310006; 2.Zhejiang Provincial Wulin Construction Decoration Group Co., Ltd, Hangzhou, 310030 )

Ground coupled heat pump system is more and more widely application in China, the number of projects is growing in karst district. However, geology condition is complicated and drilling is difficult in karst district, to a certain extent, these hinder the development of the ground coupled heat pump. According to the geological structure in karst district, study the commonness and characteristics, analyze the problems that should be paid attention to in the drilling, and puts forward one feasibility drilling technology in karst district.

ground coupled heat pump system; karst district; drilling technology

1671-6612（2017）06-588-05

TU744

A

尹畅昱（1990.03-），男，硕士研究生，工程师，E-mail：changyuyin@vip.qq.com

2017-03-15