垂直换热器的成孔

  一、钻孔工程

 

  利用钻机和其他钻探设备向地下进行钻凿孔眼，目前釆用较多的是机械方法钻孔，主要分冲击钻进、回旋钻进和冲击回旋钻进三种。

 

  冲击钻进是利用钻头凿刃，周期的对孔底岩石进行冲击，使岩石受到突然的集中冲击载荷而破碎，当孔底岩石粉达到一定数量后，应提起钻头，用专门工具将岩粉捞出清除，然后再下入钻头继续冲击，如此反复的进行冲击、捞砂，以加深钻孔。

 

  回旋钻进是利用钻头在轴向压力和水平回转力同时作用下，在孔底以切削、压皱、压碎和剪切等方式粉碎岩石，被粉碎的岩屑、岩粉随冷却钻头的冲洗液及时带出孔外，孔深随钻进时间延长而增加。

 

  冲击回旋钻进是钻头在孔底回转破碎岩石的同时，施加以冲击载荷。冲击回旋钻进主要应用于坚硬岩石。

 

  地源热泵系统中，地埋管土壤换热器一般钻进在第一、二类松软岩石，如次生土、壤土、黄土、粘土等第四纪地层及泥炭、矽藻土等。破碎岩石容易，岩石研磨性小，钻进效率高，相应的缺点是孔内产生的岩粉多、岩粉颗粒大，有时孔壁易坍塌。此类岩石大都是塑岩层，都有粘性，钻进时易产生糊钻、憋水、缩径等现象，所以钻进时要解决的关键是憋水、糊钻，保持孔内清洁并保护孔壁等。应选用高转速、大泵量、较小钻压的钻进规则。如果钻进时遇到泥岩、泥质岩时，应选用小切削具钻头，釆用钻压大、泵量大、转速快的规则。钻孔是地源热泵工程中的主要施工项目之一。

 

  地埋管换热器的垂直孔径一般在150—180mm，孔距4-6m，孔深在40-400m，这一深度基本是在松软、松散、软硬不均的第四季地层（粘土、粉砂、粗砂、砂砾、卵石)以及风化基岩。岩石性质的复杂多变必然导致钻孔方法的多样化。釆用机械回旋式钻机，正循环方式冲洗钻进，不仅能高效率的适应复杂多变的地层，钻机成孔，而且还具有安装地埋管和孔的回填功能。因此要求钻机具备以下特点：

 

  地埋管钻孔数量多，密度大，孔径小，成孔速度快，钻进时间短，设备迁移频繁等特点，要求钻孔设备便于迁移、拆装。

 

  钻孔设备能简便的水平安装在基台上，并且确保滑轮、立轴、和孔轴呈一直线。

 

  钻孔设备要完成钻孔、成孔、安装和回填等多项工艺过程，要求实现钻具、钻杆的拧卸和提升要机械化、省力、快速。

 

  钻具组配要合理，钻具要安装准确、规范、不弯曲、不偏心，连接后其轴线要同心。

 

  二、钻孔钻具

 

  所谓钻具是指方钻杆、钻杆、钻键、接头、稳定器、减震器以及在特定的钻井条件下使用的其他井下工具的统称。在钻井的过程中，将方钻杆、钻杆、钻键等各种接头连接起来组成的入井管串称为钻柱。

 

  1、钻具的合理组合

 

  合理的组合钻具对有效的控制井斜、保证井深质量，使钻头工作稳定，提高钻速、减少钻具事故，增加钻具的可下深度及延长钻具的使用寿命都有重要的意义。

 

  钻具的组合主要考虑钻头尺寸，钻机的提升能力和工程现场的地质条件、岩土结构等。钻具的组合应尽量简单，以便于钻柱的卸下操作和井下事故的处理；应尽量选用较大尺寸的方钻杆，下接头的外径与相连接的钻杆接头外径相近。随井深的增加可选用两种尺寸的钻杆组成的复合钻柱，其尺寸只能相差一级，而且是将壁厚大的和强度高的放在上面，而所选用的钻键要根据计算来确定，尺寸应与钻杆尺寸相近。

 

  2、钻头

 

  钻进时，根据地层结构、岩石性质和钻孔的目的，釆用不同钻进方式，选用不同的钻具，借助钻机，切削粉碎岩石，逐步使钻孔加深。在地埋管土壤换热器工程中，钻孔多釆用硬质合金钻进、牙轮钻进和冲击回转钻进。

 

  干式回旋全面钻进用钻头

 

  作为一种干式回转钻进方法，螺旋钻杆不断的将岩粉输送至地面，而不是用循环冲洗液清除岩粉。在钻进过程中，螺旋钻杆与钻孔实际组成一个“螺旋输送机”，在无砾石及硬夹层的松软岩石中钻进时，钻进效率会提高。较多的是用短螺旋钻进作井孔钻进，钻头由钻头体、翼片、螺旋带和连接部分组成。钻头上带有螺旋带，钻杆为普通钻杆，反复进行四次钻进，每次钻进深度与螺杆长度相等。

 

  硬质合金全面钻进用钻头

 

  把不同几何形状和一定尺寸的硬合金块，按照一定要求镶嵌在钻头体上。这种钻头应用范围广，在软岩和中硬岩石中钻进效率高、钻进质量好、钻进材料消耗量小、成本低、钻进操作简便、钻进方法灵活，为了提高钻进效率和质量，可选用不同结构的钻头。在全面钻进不取心钻孔时，常釆用翼片钻头。

 

  鱼尾钻头：切削刀翼用高强度合金钢锻造成曲面形状或用两个翼片焊在粗径管或接头料上，切削翼片底、外侧镶有硬质合金，该钻头用于钻进松软疏散的次生土、壤土、黄土、粘土、风化变质的页岩、泥灰岩等岩石中。

 

  三翼钻头：将三个翼片焊在贯眼接头体上，三翼成120°，钻头尖端成60°，合金密集均匀分布，此类钻头适用于钻进风化变质的覆盖层、粘土、砂质粘土、灰质粘土及少部分流沙岩层等。