地源热泵系统钻孔施工遇岩溶问题的解决措施★

任永林,邹 行,林华颖,赵 磊,张世帆

(1.贵州绿能星新能源开发有限公司，贵州 贵阳 550000； 2.贵州省有色金属和核工业地质勘查局地质矿勘察院，贵州 贵阳 550005； 3.贵州大学矿业学院，贵州 贵阳 550025)

0 引言

开发利用浅层地热资源有利于调整能源结构、改善环境、对于未来能源的供应以及节能减排有巨大的潜力[1-2]。地埋管地源热泵技术作为目前开发浅层地热资源的主流方式，在国内北方地区得到了大力推广。对于南方岩溶地区，由于地区地质条件十分复杂，地下溶洞裂隙众多，初期钻孔投资成本较大、钻孔难度较高，使得很多房地产开发商望而止步，因此该技术在南方岩溶地区发展比较缓慢。

为解决相应问题，该文基于百里杜鹃施工现场物探岩溶数据，探讨分析了在实际钻孔施工过程中遇岩溶问题的解决措施，具有一定的工程借鉴意义。

1 工程概况

1.1 交通位置

工区位于百里杜鹃管委会西北约2 km处，地理坐标106°24′57.69″E，27°48′10.08″N。行政区划属于百里杜鹃管委会直管，北部有杭瑞高速，西部有黔大高速，南部有都江高速穿过。工区前是花海大道，交通情况便利。

1.2 地形地貌

毕节市百里杜鹃景区地处黔西高原向黔中山丘陵过渡的斜坡地带，属于高原中山丘陵地貌类型。境内地表尚保持着较原始的剥夷面状态，丘岗起伏，绵延成片，山体相对高差约500 m。境内基岩主要为碳酸盐岩，其分布面积约占70%。主要分布着下二叠统含燧石灰岩、寒武系中上统白云岩。

1.3 工区地层

工区地层自上而下为第四系素填土，第四系坡残积红黏土，二叠系阳新统栖霞—茅口组，其岩性主要是底部薄至中厚层灰岩夹有机质黏土岩，下部灰层灰岩夹燧石灰岩及泥质条带灰岩；上部厚～巨厚层生物屑泥晶灰岩夹燧石灰岩及白云质灰岩。

2 设计参数

本项目地点位于百里杜鹃花海大道，本项目为新建人民医院提供集中供暖系统，冬季提供3 118.4 kW热负荷，夏季提供2 168.8 kW冷负荷，改善室内温度为18 ℃～24 ℃。主要建设内容包括：冷热源地埋孔施工44 549 m，地源热泵机房一个300 m2。本项目主要由地埋管系统、主机系统构成。根据施工图设计，各系统主要工作如下。

2.1 地埋管系统

设计总延米数46 153 m。计算井深160 m～200 m，得出地下换热井数量为220口～250口。在施工过程中因地质条件的复杂性，部分钻孔可能无法下足200 m地埋管，故考虑一定的钻孔富余量来保证达到地埋管设计总延米数要求，本项目设计地下换热井314口，根据实际现场情况选取位置施工。钻孔布置共分为A，B，C，D，E五个大区，每个区对应一组分集水器，分集水器管道连接至主机房。

2.2 主机系统

该项目设计两套系统，分生活热水系统和供暖制冷系统，地源热泵主机房内设螺杆式地源热泵机组3台，单机制热量1 312.8 kW；地源侧、负荷侧配置变频水泵各3台，以及附属水处理设备、集分水器、管道、阀门、配电、自动化控制等系统供应医院采暖制冷；设置2台涡旋式地源热泵机组，单台制热量170 kW，供应医院生活热水使用[3]。

3 岩溶物探

为了揭示该工区岩溶裂隙发育情况，现场采用瞬变电磁法勘查，以各地质体的电性差异为勘探对象及解释依据，目标体与围岩物性差异的大小直接影响物探勘查成果及精度。

3.1 物探原理

地面瞬变电磁法(TEM)测量，它是以接地导线或不接地回线通过脉冲电流作为场源，以激励探测目的物感生二次电流，在脉冲间隙测量二次场随时间变化的响应。其数学物理基础是基于导电介质在阶跃变化的激励磁场激发下引起的涡流场问题，通过地球物理方法间接解决地质问题[4]。

完整的基岩导电性比较差，电阻率比较高，当基岩比较破碎时或有岩溶时，在岩溶、破碎带中因含有地下水，呈现出强的导电性，相对于视电阻率较高的围岩而言，在电性上表现为相对低电阻率区域，这些物性差异为在工作区采用瞬变电磁法(TEM)勘探提供了良好的地球物理前提，从而我们可以依据低阻特征和其发育深度有效地获取地下构造、岩溶的发育情况从而达到工作的目的。

3.2 区内测网布置

测区范围目前情况较复杂，主要是目前医院主体结构基本完成，场地中各类施工材料较多，特别是对测量结果有影响的钢材较多，靠近居民区，建筑物和各种设施分布，影响测量布线工作，根据该测区特殊环境，测线从不同方向布设，线距不等，测点距10 m进行测网布设。

3.3 测点岩溶分析

区内共布置9条侧面，结合相应数据，推断各剖面岩溶构造发育情况，文中仅分析1号线3个异常以及2号线2个异常。

1)1号线异常分析。

如图1所示，1号剖面瞬变电磁测量(TEM)视电阻率断面图整条剖面上出现1个高阻异常(1号异常)和2个低阻异常(2号异常、3号异常)，其中1号异常出现在剖面的10号点～20号点之间，深度约80 m～180 m之间，异常形态呈圈闭的椭圆状，2号异常电阻率高于1 047 Ω·m，根据异常解释原则并且结合该区的地质情况，推测1号异常由不充泥不充水岩溶引起；2号异常出现在60号点～70号点之间，深度上从约50 m处向深部延伸，从小号点向大号点倾斜，2号异常将两侧的相对高阻错断，为高低阻的分界面，根据异常解释原则并结合该区的地质情况，推测2号异常为破碎引起。3号异常出现在120号点～130号点之间，深度上从约50 m处向深部延伸，从大号点向小号点倾斜，3号异常将两侧的相对高阻错断，为高低阻的分界面，根据异常解释原则并结合该区的地质情况，推测2号异常为破碎引起。

2)2号线异常分析。

如图2所示，2号剖面瞬变电磁测量(TEM)视电阻率断面图表明，整条剖面上出现1个高阻异常(4号异常)和1个低阻异常(5号异常)，其中4号异常出现在剖面的25号点～30号点之间，深度上深约100 m～170 m，异常形态呈圈闭的椭圆状，4号异常电阻率高于1 047 Ω·m，根据异常解释原则并结合该区的地质情况，推测4号异常由不充泥不充水岩溶引起；5号异常出现在40号点～55号点之间，深度上从约30 m处向深部延伸，从小号点向大号点倾斜，5号异常将两侧的相对高阻错断，为高低阻的分界面，根据异常解释原则并且结合该区的地质情况，推测5号异常为破碎引起[5]。

3)异常总结。

分析此次物探总计发现物探异常11个，1线一号剖面3个异常，其中1号异常为岩溶内不充泥或不充水引起；2号异常为破碎引起；3号异常为破碎引起；2号剖面2个异常，其中4号岩溶内不充泥或不充水引起异常；5号异常为破碎引起；3号剖面1个异常，6号异常为破碎引起；4号剖面1个异常，7号异常为破碎引起；5号剖面1个异常，8号异常为岩溶充水或充泥引起；7号异常为破碎引起；6号剖面2个异常，9号异常和10号异常为岩溶充水或充泥引起；7号剖面1个异常，11号异常岩溶充水或充泥引起。8号线、9号线无异常[6]。

4)异常分类。

将物探获得异常进行分类，并将相邻测线可能由于地下连通而造成的异常连接，获得两个可能对后期浅层地温能开发造成影响的岩溶发育区及破碎带区域。其中第一个岩溶发育区在1线的剖面10号～20号点及2号剖面25号～30号点之间，推测平面不封闭的椭圆状，埋深在70 m～180 m之间，岩溶内部不充泥不充水。第二个岩溶发育区位于5号剖面0号～30号点及6号剖面0号～110号点之间，埋深小于10 m以下，岩溶内部充泥或充水。第一个破碎带，位于1号剖面60号～70号点及2号剖面40号～55号点之间；第二个破碎带位于1号破碎带120号～130号点之间，可能向北部延伸；同时第一个和第二个异常深部较为破碎。第三个破碎带位于4号剖面15号～25号点，可能向东部发育。第四个异常位于3号剖面40号～65号点之间，可能向西部发育。

基于上述地质特征，可判断工区地下岩溶和破碎带的发育。

4 钻孔施工

4.1 钻孔施工工艺

本工程选用4台履带式地源热泵专用钻机，配备4台29 m3空压机，采用潜孔锤干钻成孔。潜孔锤成孔工艺是常规回转取芯钻进速度的3倍～5倍。根据现场情况(电力、地层情况)的不同还可采用不同的钻进工艺，直到达到设计要求孔深。

4.2 钻孔施工难点

本例现场钻孔过程中，遭遇岩溶裂隙，溶洞裂隙碎石常常导致钻孔堵塞，从而增加施工难度，钻孔难以成型。遭遇过不同程度的溶洞，石灰岩等地质情况，多数物探刨面均出现了测点异常，充水、充泥岩溶在区内比较发育，导致钻孔的施工难度较大。

4.3 钻孔遇岩溶解决措施

结合物探数据，在深入认识该区岩溶发育的基础上，本次钻孔过程中针对钻孔遇岩溶问题提出如下解决措施：

1)若溶洞位置较浅，溶洞位置距地面不超过20 m，则可以下和孔径相符的钢制套管，将溶洞进行隔离，钻孔完成后可将套管拔出。若溶洞位置距地面超过20 m，那么下套管难度增大，同时套管下好后难以拔出。

2)若钻孔过程遇到溶洞，冲洗液流失较为严重，钻孔将无法继续施工，此时应根据此孔溶洞的大小采用永久性钢管保护孔壁，才能继续施工，否则该孔难以成型。

3)由于该项目场地下有发育程度不同的溶洞，施工过程中不可避免出现废孔，造成地埋管总长度不够，因此设计了其他地方进行补孔，以满足总管长延米数。

4)提管后应当马上下管，避免泥浆沉降堵孔、引起下管深度不够、无法下管。

5)地源侧水平管平面图应该结合施工实际钻孔布置进行调整。

5 结论

针对钻孔过岩溶构造等问题，本文主要提出如下结论：

1)地下换热工区钻孔施工前，应当做好前期物探工作，深入认识区内岩溶构造情况。

2)岩溶深度距地面深度不超过20 m时，应下套管将溶洞隔离，待钻孔实施完成后将套管拔出。

3)钻孔过程中遭遇溶洞时，若溶洞断面较大，应基于溶洞大小下永久性套管保护孔壁。

4)提管后应当及时下管，避免泥浆沉降堵孔，导致钻孔深度不满足要求。

5)施工过程中难免遇到废孔，此时应当在其他地方设孔进行弥补，不然会导致总设计管长不满足要求，使得设计负荷出现偏差。

6)孔壁不稳定但贯穿溶洞高度较小时可采用投黏土的方式进行护壁。

7)孔壁稳定时应采用降压钻进的方法在溶洞底部缓缓磨出小孔至0.5 m左右，再恢复正常钻井。