地源熱泵鉆井簡介-第四勘探隊課件

地源熱泵鉆井簡介第四勘探隊1-前言

地源熱泵管井是熱泵系統(tǒng)的重要組成部分，以其鉆井工作量大、施工期較（相對）、費用占系統(tǒng)造價比重較高（一般簡單軟土層15－20％、巖石地層30－35％、特殊復(fù)雜地層45－50％甚至更高），是地源熱泵系統(tǒng)初裝成本偏高的主要原因之一。

2-相關(guān)鉆井成本鉆井地質(zhì)條件——（確定、不可變）設(shè)備、工藝技術(shù)——（足夠、實用、簡潔）施工組織管理——（安全、效率、成本、質(zhì)量、工期等）外部施工環(huán)境等其它因素（盡量排除外部因素干擾）3-地源鉆井的基本特點1、結(jié)構(gòu)簡單（1）深度淺，一般100米左右（大致）；（2）孔徑相對較小，（介于大小口徑之間，所以我們或稱孔、或稱井）；（3）井身結(jié)構(gòu)簡單，要求不高；（通常以保證垂直度、滿足下管、回填為準(zhǔn)）。2、工程量較大、施工區(qū)域集中；3、施工工期要求緊；4-地源熱泵鉆井的基本特點4、鉆井單價受系統(tǒng)整體投資制約；5、單項工程施工地質(zhì)條件具有確定性。（1）重視試驗孔地層地質(zhì)勘探（2）重視管井結(jié)構(gòu)設(shè)計、方法選擇、施工設(shè)備、工藝選擇（3）加強對鉆井施工成本的預(yù)測。6、囿于地層條件，一般工程施工具有多次重復(fù)性。5-鉆井基本地質(zhì)條件的認(rèn)識1、地層特點與工程施工難度關(guān)系的初步探討（1）新近地史時期形成的沉積地層，相對簡單：第四系（Q）新第三系（N）是通常說的覆蓋層-松散堆積、無膠結(jié)或半固結(jié)的松散地層，鉆井成孔容易、鉆井效率高、耗能低，鉆井成本相對較低。老第三系（E）往前（地層）——巖層：巖石的密度、強度，隨地層的延深、地質(zhì)年代的前移均有所增加。破碎巖石（或鉆進成孔）難度相對增加，鉆井效率降低、耗能高，鉆井成本自然增加；地層傾角較大的地質(zhì)條件下施工鉆孔，往往容易產(chǎn)生孔斜，必須采取防斜措施。6-鉆井基本地質(zhì)條件的認(rèn)識（2）變質(zhì)巖與巖漿巖地區(qū)施工受各個時期地質(zhì)運動、造山運動影響，巖層發(fā)生（乃至多期次發(fā)生）褶皺、斷裂、扭曲、交代等作用的影響，形成結(jié)構(gòu)復(fù)雜、致密堅硬的巖體。并且此類地區(qū)的基巖，地史上一般都經(jīng)歷了長期風(fēng)化、剝蝕、沖刷、變質(zhì)等自然因素影響，古風(fēng)化殼、構(gòu)造破碎帶等地質(zhì)現(xiàn)象較為發(fā)育，巖層結(jié)構(gòu)不均一，這都會增加鉆井施工的難度。7-鉆井基本地質(zhì)條件的認(rèn)識（3）山前和谷地地層此類地區(qū)的坡積、洪積物較為發(fā)育，由于沉積物搬運距離較短，分選磨圓較差，一般以礫石層及粗顆粒沉積為主。其特點是：A、堆積物粒度、厚度、甚至成份不一；B、結(jié)構(gòu)松散、無膠結(jié)或膠結(jié)程度差、無充填；C、空隙比大，位于區(qū)域地下水位以下或有補給源時，往往為富水層。在該類地層（層厚較大情況下）鉆探成井難度較大，鉆井過程中經(jīng)常會遇到下列問題：A、鉆井循環(huán)介質(zhì)（液體或氣體）失返、無法形成有效循環(huán)；B、有效破碎卵礫石困難，鉆探效率極低；C、研磨工具消耗大，多為非正常磨損破壞；D、出現(xiàn)塌孔、掉塊現(xiàn)象頻率高，易造成鉆井事故；E、即使成孔，在裸孔情況下，孔壁不規(guī)則光滑，下管也困難（孔壁不穩(wěn)定）；8-鉆井基本地質(zhì)條件的認(rèn)識目前在該類地層施工，最有效的手段是空氣潛孔錘跟管鉆進技術(shù)，但目前國內(nèi)該技術(shù)尚有局限性，主要是：A、深度有限，單級深度一般不超過30米；B、地下水（特別是富水層）對空氣鉆井影響大；C、由于使用高壓力空壓機，動力消耗大；D、成套設(shè)備及配套工具昂貴。4）各類回填地層由于回填物雜亂、多樣也對鉆井會產(chǎn)生不同程度的影響，但影響較大的還主要是一些大規(guī)模、深厚度、塊狀物的回填。其特點類似上述。9-鉆井基本地質(zhì)條件的認(rèn)識2、施工深度范圍內(nèi)地層構(gòu)成及合理施工方案的確定研究施工深度范圍內(nèi)地層構(gòu)成，有利于系統(tǒng)地制定鉆井方案、確定鉆井工藝或復(fù)合鉆井工藝，達(dá)到優(yōu)化鉆井，來提高鉆井效率、合理鉆井成本。根據(jù)地源熱泵管井的特點，可以把鉆井揭露的巖土層分為：（1）簡單地層，鉆孔揭露地層類型單一、施工方法簡單。10-鉆井基本地質(zhì)條件的認(rèn)識一般巖石地層，地層穩(wěn)定、構(gòu)造簡單、巖石硬度較低、可鉆性好，回轉(zhuǎn)鉆進可以施工，當(dāng)然有條件情況下使用空氣潛孔鉆進更有利于提高效率；（2）復(fù)合地層，鉆孔穿越兩類以上地層、需一種以上工藝或鉆井方法或鉆井工具結(jié)合來完成鉆孔。如：基巖之上覆蓋松散粘土、黃土層：在厚度不大情況下、軟層井壁相對穩(wěn)定。11-鉆井基本地質(zhì)條件的認(rèn)識上覆蓋松散層為砂土、沙層、及砂礫層時，必須采取隔離措施；地層含水豐富時必須先采用泥漿鉆井，隔離后再轉(zhuǎn)化為空氣鉆井。當(dāng)上覆松散層厚度較大、跟管隔離無法實現(xiàn)，而傳統(tǒng)套管隔離繁瑣時，應(yīng)在‘泥漿鉆井’和套管隔離后‘空氣鉆井’之間慎重選擇。（3）復(fù)雜地層，通俗說：普通技術(shù)條件下鉆進成井困難或鉆井過程中容易出現(xiàn)復(fù)雜情況的地層。如：12-鉆井基本地質(zhì)條件的認(rèn)識A、較大直徑、厚度的卵石層；B、裂隙發(fā)育地層；C、地層斷裂破碎帶；D、巖溶發(fā)育地層等。都是鉆井施工的難點，傳統(tǒng)鉆井方法往往無法實現(xiàn)。問題的關(guān)鍵還在于與勘探開發(fā)鉆井不同，地源熱泵鉆井需要反復(fù)、重復(fù)面對此類地層。13-鉆井基本地質(zhì)條件的認(rèn)識3、地層巖石的特性（1）硬度；（2）可鉆性；（3）結(jié)構(gòu)特性：顆粒、膠結(jié)；（4）構(gòu)造特性：破碎、裂隙、溶洞、溶孔等；（5）其他特性，如造漿、膨脹或蠕變縮徑、超徑、坍塌等。詳細(xì)、系統(tǒng)掌握地層巖石的各種特性，可為鉆井技術(shù)工藝的取舍提供有力的理論支持。14-鉆井的主要設(shè)備-鉆機1、巖心鉆機：XY、XU系列最常見2、工程勘查鉆機：DPP、G系列3、淺層水井鉆機：SPC\SPJ系列以上類鉆機的基本特點是：1）主要用于城建、鐵路及水電部門進行工程地質(zhì)勘察施工、地震爆破孔、石油、天然氣及固體礦產(chǎn)的普查勘探淺孔、淺層水文地質(zhì)勘察及水井鉆進。15-鉆井的主要設(shè)備-鉆機2）為機械傳動、液壓給進鉆機，動力配置比較小，鉆進能力小、搬遷移位方便。3）價格相對低廉。車載鉆機一般20-30萬元；固定式鉆機一般5-6萬元，該鉆機由于結(jié)構(gòu)簡單、生產(chǎn)廠家繁多、配置低、價格低廉、使用操作維修方便深受個體私營施工者歡迎。16-鉆井的主要設(shè)備-鉆機4）主要缺點是：自動化程度低、適應(yīng)工藝單一、基本是傳統(tǒng)的泥漿鉆進工藝，鉆進效率低、勞動強度較大，設(shè)備故障維修率高。

17-鉆井的主要設(shè)備-鉆機4、全液壓動力頭式鉆機：TH-10類似-水井、礦山爆破、錨桿施工、礦產(chǎn)勘查鉆機等等。其優(yōu)點是：1）均采用車載，搬遷、運輸靈活；2）均為全液壓頂部驅(qū)動鉆機，功能較齊備，實現(xiàn)功能迅捷；3）操作系統(tǒng)集中、自動化程度高，操作安全；4）可實現(xiàn)多種鉆進工藝，或鉆進工藝轉(zhuǎn)換。

18-鉆井的主要設(shè)備-鉆機其缺點是：1）鉆機價格較高，實施空氣鉆進需要的配置費用大；2）配合大功率空壓機實施空氣鉆進，動力大，燃油消耗大，鉆井直接成本較高；3）采用空氣鉆進雖效率高、但粉塵造成環(huán)境污染嚴(yán)重，城市施工嚴(yán)重受限；4）以孔底沖擊鉆進方式在巖石中鉆井效率高；而在松軟、復(fù)雜地層中成孔效率低，優(yōu)勢不能充分體現(xiàn)。19-鉆井的其它設(shè)備1、泥漿泵-多為小型活塞泵、也有離心式砂漿泵2、動力機械-電機或小型內(nèi)燃機3、鉆塔-4、泥漿攪拌機等等。20-鉆井方法1、按研磨工具材料分類：鋼粒鉆進（除淺層巖石水井施工還在用）、合金鉆進（常用于松散層、軟巖層）金剛石鉆進（堅硬巖石）復(fù)合片及牙輪鉆進（中硬巖石）21-鉆井方法2、按破碎巖石方式分類：回轉(zhuǎn)鉆井沖擊鉆井沖擊回轉(zhuǎn)或回轉(zhuǎn)沖擊鉆井22-鉆井方法3、按沖洗介質(zhì)類型分類：泥漿鉆進、清水鉆進、空氣鉆進、空氣泡沫鉆進、充氣泥漿鉆進。23-鉆井方法4、按介質(zhì)的循環(huán)方式分類：正循環(huán)反循環(huán)不循環(huán)24-井的結(jié)構(gòu)要素常說的三要素：1、深度2、直徑3、方向一般講井的結(jié)構(gòu)是由其—工程目的、地質(zhì)條件、施工工藝技術(shù)要求決定的。25-熱泵管井一般結(jié)構(gòu)1、深度：80-120M2、井徑（指的是終孔直徑）：松散層不小于150MM；巖石不小于130MM。（1）簡單地層條件一般一徑到底；（2）較復(fù)雜地層時，要根據(jù)成井工藝要求變徑。3、方向：通常都是垂直孔。26-熱泵管井常用鉆井方法1、簡單地層條件：（1）松散層—合金鉆頭、泥漿護壁、回轉(zhuǎn)鉆進工藝；（2）完全巖石地層—牙輪、復(fù)合片泥漿鉆井工藝或空氣潛孔錘沖擊回轉(zhuǎn)鉆井工藝；27-熱泵管井常用鉆井方法2、復(fù)合或復(fù)雜地層：（1）泥漿鉆井工藝；（2）泥漿鉆井+套管護壁+空氣鉆井；（3）跟管鉆井（護壁）+空氣鉆井；（4）多級套管+泥漿或空氣鉆井。28-鉆井方案確立要兼顧以下幾個方面：1、區(qū)域地質(zhì)、地理條件；2、鉆井設(shè)計技術(shù)要求；3、現(xiàn)有設(shè)備工具條件；4、施工工藝、技術(shù)水平狀況；5、綜合施工管理能力。同時初步預(yù)測鉆井效率與成本。29-鉆井方案確立綜合以上幾個方面，兩句話：

技術(shù)可行性是前提

經(jīng)濟可行性是目的30-鉆井成本1、直接成本（1）人工費：人員工資及附加（勞動保護）（2）材料費：所消耗的材料及攤銷

（3）機械費：機械定額消耗量31-鉆井成本2、間接成本（1）運輸費（設(shè)備進出場、材料運輸）（2）管理費（3）稅金等等其它，如：專項鉆井項目還要有技術(shù)工作費。32-鉆井取費依據(jù)認(rèn)為主要從以下幾個方面考慮：一、國家計劃委現(xiàn)行收費標(biāo)準(zhǔn)；二、同行業(yè)現(xiàn)狀；三、施工區(qū)域地質(zhì)條件；四、鉆井技術(shù)水平；五、施工管理水平；六、非常條件和非常要求。33-鉆井施工基本流程1、施工場地準(zhǔn)備地面—三通一平；地下—各類管線；空中—高壓線路。2、設(shè)備進場3、設(shè)備布局、安裝、調(diào)試4、鉆井—下PE管—回填或注漿5、設(shè)備移位34-簡單了解鉆井新技術(shù)（1）水力碎巖、噴射鉆井技術(shù)。在松散層或軟巖層施工，較常規(guī)泥漿回轉(zhuǎn)鉆進鉆井效率可提高3－5倍，甚至更多。

（2）旋沖鉆井技術(shù)，通過改變碎巖機理，可