氣動潛孔錘鉆進技術在黔東南巖溶地區(qū)地源熱泵勘探井中的應用

劉明博， 陳軼平

(貴州省有色金屬和核工業(yè)地質勘查局六總隊，貴州 凱里 556000)

0 引言

氣動潛孔錘鉆進作為一項高效鉆探技術，現(xiàn)已廣泛應用于工程施工鉆探、水井勘探、礦山開采、地質勘探等多個領域[1-2]。相對于傳統(tǒng)的鉆進工藝，其在施工過程中具有效率高、成本低、成井質量高、出水量大、壽命長等優(yōu)點[3-4]。但是隨著鉆遇地層的不同，潛孔錘鉆進技術的表現(xiàn)也大不相同。黔東南地區(qū)碳酸鹽巖出露面積廣，巖溶發(fā)育，內填物以及地下水形態(tài)各異，這給氣動潛孔錘鉆進提出了新的挑戰(zhàn)。

黔東南從江縣洛香鎮(zhèn)擬建客運站，總建筑面積約34815.27 m2，擬采用地源熱泵空調技術系統(tǒng)。先期采用高密度電阻率法對場地進行物探勘查，并根據(jù)所測數(shù)據(jù)布置水源與地源勘探井，至鉆探結束，總計施工9口勘探井，勘探井基本情況詳見表1。廠地內進行的地質勘探井不僅可以判斷場地的地質條件和可鉆性，而且通過熱物性測試儀與PE管的結合可以在勘探井中獲得地質體的換熱物理參數(shù)，進而為后期大規(guī)模地埋管鉆探施工提供技術支撐。

表1 勘探井基本情況Table 1 Basic conditions of exploration wells

1 地質特點和勘探井鉆進主要問題

擬建場地位于華南褶皺帶，肇興-洛香-郎寨近東西向斷層從旁而過，根據(jù)周邊地層出露(圖1)，判斷場地原為碳酸鹽巖巖溶地貌，且被第四系沖洪積物所覆蓋。

圖1 擬建場地周邊地層出露Fig.1 Surrounding strata of the proposed site

擬建客運站巖溶作用發(fā)育，多呈石芽、石柱，充填物為第四系砂礫石，飽和粘土(淤泥)?？紤]到此項目工期緊，在與傳統(tǒng)鉆探工藝(附近房勘工程鉆探資料)對比之后，決定采用氣動潛孔錘鉆進技術快速成井，查明該場地地質情況、地質體可鉆性和物理參數(shù)。

施工中會遇到很多難點，主要問題如下：

(1)井位選擇在石芽之間(間距較大時)，而充填物為淤泥，鉆進中通常套管無阻力下放，一般下放20多米，存在鉆機攜帶套管不足、基巖埋深較深，以及由于鉆機過重而鉆機底部塌陷的風險，如圖2(a)所示。

(2)井位選擇在石芽之間(間距較小)，鉆進過程中易于卡鉆，后期無法處理，容易損失鉆頭，圖2(b)所示。

圖2 鉆探施工遇到的問題Fig.2 Drilling construction problems

(3)井位選擇在石芽之上，鉆穿完整巖石之后，一般都會鉆遇溶洞，且溶洞多為第四系淤泥充填，在鉆進過程中，當溶洞中的淤泥隨著空氣攜返至地表，空著的溶洞會被周邊第四系充填物繼續(xù)填滿，進而導致了地表第四系土層向下灌入，引起鉆機周邊塌陷的不良地質現(xiàn)象[5]，導致施工無法繼續(xù)進行。

2 技術思路

雖然根據(jù)物探資料布置了相應的鉆井，如kt2、kt3、kt4、kt5、kt6、kt7和kt9，深度在8～141 m，基本掌握了擬建場地內的地質情況和地質體的可鉆性，但仍未獲得地質體的物理參數(shù)(導熱性能)。因此，為了配合地源熱泵測試的需要，在不改變氣動潛孔錘鉆進的同時，適時以場地內復雜地質情況下制定新的鉆進工藝，確保至少成功開鑿一眼測試井(深度設計要求151 m)。主要技術路線和方案如下：

(1)井位選擇要準，盡量選擇在覆蓋層較薄，且下伏基巖較為完整的地層(參照表1)。

(2)為了保證成井，設計三開結構，一開采用表層套管隔開第四系松散巖層，二開直接鉆進至溶洞底部，下入與溶洞相應深度的套管，隔開溶洞，三開采用小孔徑鉆頭到終孔。

3 成井施工工藝

3.1 設備選擇

采用正遠SL600S型鉆機，空壓機采用美國壽力750XH-1050型中低壓系列柴油機移動式螺桿空壓機-CUMMINS，公稱容積流量21.2 m3/min，額定排氣壓力1.38 MPa，工作壓力范圍0.55～1.38 MPa，額定功率為224 kW，機組總質量4880 kg。同時配備鉆探所需鉆桿、鉆頭、沖擊器等工具。

3.2 鉆具組合

?89 mm鉆桿+?241.3、183、152.4 mm PDC鉆頭+?219.1、177.8 mm套管。

3.3 鉆進方法及過程

根據(jù)已經(jīng)施工的地質勘探井可知：工作區(qū)內第四系沖積物厚度在0～33 m，鉆進過程中，由于沖積物多孔疏松，風沿孔隙上升漏于地表，井內風壓小于地層壓力，井壁易坍塌，為使施工正常進行，該套疏松地層用?241.3 mm鉆頭鉆進，并下入?219.1 mm套管；鉆遇基巖之后改換?183 mm鉆頭，直至鉆穿基巖鉆遇溶洞，在溶洞處下入?177.8 mm套管(根據(jù)已施工鉆孔資料，擬建場區(qū)內溶洞深度≯6 m)，用以阻隔溶洞，防止周圍第四系充填物充填溶洞而導致地表塌陷，保證繼續(xù)鉆進的巖屑正常上返，從而進一步確保施工正常進行；最后采用?152 mm鉆頭，鉆至設計深度[6-8]。

鉆進過程中如遇大量粉塵，適當在井口加水，可降低揚粉污染[9]。表1中kt8井(三開結構)為本項目成功案例，圖3(a)為施工現(xiàn)場，一開第四系沖積物采用跟管鉆進技術(外套管不回轉，內鉆頭沖擊回轉鉆進)[10-12]，跟管32 m入巖，具體第四系沖積物巖性如下：0～6 m為河漫灘泥砂礫，6～32 m黃泥；32～58 m為白云質灰?guī)r，采用二開結構；58～60 m為溶洞，充填物為黑泥，下入阻隔套管；60 m以深為砂礫巖，采用?152.4 mm鉆頭鉆至設計深度，終孔151 m。

4 地質體換熱能力測試

4.1 測試方法與原理

本項目是我隊在從江縣實施的第一個淺層地熱地源熱泵項目，掌握地質體的換熱系數(shù)至關重要，為此，我隊采用了恒定工況法(即模擬熱泵機組實際運行工況試驗正常工況與峰值工況時地埋孔換熱器的換熱能力)和恒熱流法(即采用恒定熱流對地質體進行的不間斷加熱的方法來試驗正常工況與峰值工況時地埋孔換熱器的換熱能力)2種不同的測試方案開展測試工作。通過2種不同的試驗方法來彼此驗證項目所在地的地質體換熱能力。

圖3 測試井鉆探和測試Fig.3 Drilling and testing of test wells

該試驗的具體方法：采用電加熱器提供熱量，記錄地埋管換熱器的溫度響應情況，并利用數(shù)學模型計算巖土體熱響應參數(shù)，進而設計地埋管換熱器。具體測試原理如下：將儀器的水路循環(huán)部分與所要測試換熱孔內的HDPE管路相連接，形成閉式環(huán)路，通過儀器內的微型循環(huán)水泵驅動環(huán)路內的液體不斷循環(huán)，同時儀器內的加熱器不斷加熱環(huán)路中的液體[13-15]。該閉式環(huán)路內液體不斷循環(huán)，加熱器所產(chǎn)生的熱量就不斷通過換熱孔內的換熱管釋放到地下。在閉式環(huán)路內的液體循環(huán)的過程中，將進/出儀器的溫度、流量和加熱器的加熱功率進行采集記錄，用來分析計算土壤的熱響應參數(shù)[16]。測試原理見圖4。

4.2 測試過程及結果

具體過程是將注滿純凈水的151 m雙U型PE管下入150 m測試井內，然后采用原漿回填，并在井口使雙U型PE管與熱物性測試儀器連接，2016年11月14日17:00至2016年11月16日19:35完成了測試，并最終取得了測試數(shù)據(jù)，現(xiàn)場測試如圖3(b)所示。

圖4 測試原理圖Fig.4 Test schematic diagram

5 建議

氣動潛孔錘鉆進技術廣泛應用于工程行業(yè)，以風為鉆探巖屑的運載體，具有鉆進時效快、搬運簡單等特點，從江縣洛香鎮(zhèn)客運站擬建場地地質條件復雜，施工難度較大，在鉆探施工過程中存在高風險，如：卡鉆、地表塌陷、漏漿等，鉆探成本高，不適宜建設地源熱泵空調系統(tǒng)。

6 結論

通過擬建場地實際施工和資料研究，得出以下結論：

(1)氣動潛孔錘鉆進技術現(xiàn)已普遍應用于地源熱泵空調項目的前期地質勘探和測試井鉆探中，但其鉆進效率因地而異，在洛香客運站項目擬建場地內，基巖為碳酸鹽巖，且?guī)r溶作用發(fā)育，基巖不完整，鉆探中容易發(fā)生鉆探事故，效率較完整基巖低。

(2)氣動潛孔錘鉆進技術雖然在巖溶發(fā)育地區(qū)鉆探效率低，存在鉆探風險，但是因地制宜地改進一些措施，可保證勘探井鉆探順利進行。

(3)擬建客運站地源熱泵空調項目采用先物探后鉆探再測試的前期地熱體的數(shù)據(jù)收集方法，鉆探工作在整個流程中有著承上啟下的作用，本項目采用氣動潛孔錘在擬建項目區(qū)先后實施9口勘探井，不僅驗證了物探數(shù)據(jù)，而且探明了本區(qū)的地質體地質條件和可鉆性，除此之外，完成了測試井的物理數(shù)據(jù)收集，進而對地源熱泵空調系統(tǒng)是否可以在本地區(qū)內使用做出了判斷。