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水文水井沖擊回轉反循環鉆進技術

更新時間：2020-08-23　點擊量：1496

　　1 水文水井沖擊回轉正循環鉆進亟待解決的問題

　　基巖水井通常口徑為Φ160～Φ280mm之間，該口徑硬巖的鉆進效率低，成本高，施工周期長，成為鉆探界亟待解決的難題。20世紀70年代開始，我國已引進潛孔錘技術應用于水井鉆鑿，鉆進效率數倍提高，展示了潛孔錘鉆進的良好前景。但水井工程，孔深大，背壓高，配套使用的空壓機不但風量要求大，風太也高，使鉆進成本大幅度增高。主要矛盾是滿足排渣屑上返風速的要求時，供風量巨大，遠超過了潛孔錘本身工作的需求。計算不同孔徑條件下滿足上返風速15m/s供風量的需求，見表1（Φ89鉆桿為例）。表1數據表明，孔徑越大，為滿足排渣屑要求而消耗的能量越大，經濟性越差。若實施反循環鉆井技術工藝，則排渣屑所需風量大大減小，如表2所示。

　　2 水文水井沖擊回轉反循環鉆進技術的原理和特點

　　針對上述問題研制了GQ系列貫通式氣動潛孔錘，配以專門的反循環也取心鉆頭，實現了反循環連續取心（樣）鉆進工藝，這一技術具有*水平。

　　貫通式氣動潛孔錘反循環連續取心（樣）鉆進原理如圖1所示。壓縮空氣由進氣膠管4進入氣水2的進氣管，經主動鉆桿和雙壁5的內外管環空到達貫通式沖擊器的逆止閥6，驅動沖擊器活塞9產生高頻沖擊。鉆具仍由鉆機帶動回轉，使鉆頭在沖擊和回轉的共同作用下破碎巖石，取心鉆頭11在孔底形成環狀破碎。沖擊器工作壓氣由鉆頭底噴排氣孔噴出，吹洗孔底巖屑和冷卻鉆頭，再由鉆頭唇部導流作用將氣流引入鉆頭中心，然后通過雙壁鉆桿中心通道，攜帶巖心（樣），輸送到氣水2的中心孔。經鵝頸管3，排樣管1排出，進入巖心（樣）收集器。

　　這種鉆進方法的特點主要是利用潛孔錘碎巖，效率高；反循環系統沖洗介質上返流速高，攜帶巖心（樣）能力強；使用雙壁鉆桿既輸送壓縮空氣又有護壁作用。也就是有效的把破巖鉆進和提起巖心（樣）這兩項原來分隔的工作，形成了連續作業系統，成為邊鉆井、邊洗井、邊取心（樣）三者同時進行的鉆探方法。

　　3 水文水井沖擊回轉反循環鉆進

　　技術應用實例

　　3.1 概況

　　GQ-200/62型貫通式潛孔錘在河南省地礦廳水文一隊進行試驗。試驗分二個階段：反循環形成研究階段和生產性試驗階段。在6-8級灰巖、白云質灰燧石灰巖、致密灰巖，采用FT-200、250型反循環鉆頭及SHB-127/87雙壁鉆桿實行反循環連續取心（樣）鉆進374m。呈短圓餅狀，長度20-35mm；取樣率。與潛孔錘正循環相比，平均機械鉆速提高64%；臺月效率提高3.8倍；每米成本降低30%-40%。其中一個鉆頭在一個鉆孔中反循環連續取心104.5米，平均時效4.05m/h，時效9.6m/h，水下鉆進45m時鉆頭磨損較輕微。

　　目前氣動潛孔錘鉆進主要是不取心鉆進，采用單壁鉆桿正循環排屑。河南水文一隊使用氣動潛孔錘鉆鑿基巖水井，取得較為成功的經驗。但豫北地區基巖水井一般要求深度及其孔徑較大，其鉆進施工方法是：用JG-150潛孔錘一徑到底，再用J-250型沖擊器擴孔，即“小徑打，大徑擴”。這種施工方法不僅麻煩，成井時間長，擴孔時耗風量大，排巖屑及其困難，有時需采用專門排屑措施，因而出現潛孔錘鉆進機械鉆速雖高，而臺月效率卻提高的不多。此外，在卵礫石地層或復雜的破碎、漏失地層，空氣潛孔錘仍難以鉆進，表現出孔壁坍塌，孔口不返風，不排屑，極易導致埋鉆、卡鉆等事故的發生。采用貫通式式潛孔錘實施反循環鉆進工藝，可從根本上解決這些難題。

　　３．２配套設備及器具

　　鉆機：SPC-300H型黃河鉆一臺；空壓機：W-10/60型一臺或LGYII-10/7二臺；雙壁鉆桿：SHB-127/87或SHB-114/70；貯氣罐：0.2-1.0m3一臺；沖擊器：GQ-200型二套；鉆頭：直徑Φ200、Φ250mm各2個。試驗分別采用高、低壓兩種壓風機單獨進行，即淺孔或干孔段用低壓空壓機；深孔或水下鉆進用W－10/60空壓機，試驗場地的設備分布、管線連接等見圖2。

　　３．３鉆進技術參數選擇在空壓機、沖擊器和鉆頭性能及質量保證的前提下，要想提高反循環連續取心（樣）鉆進效果，還應做到合理操作，選用合適的鉆進技術參數。

　　（1）風量和風壓供風量除滿足GQ-200型貫通式氣動潛孔錘的工作參數外，還應符合反循環中心通道空氣上返速度攜帶巖心（樣）的要求。一般取樣鉆進，供風量6-8m3/min即可；而取心鉆進可適當地增大供風量（8-10m3/min），這樣中心通道上返風速可達20-40m/s。風壓隨鉆孔深度，孔內水柱高度的變化而變化，一般為0.45-2.20MPa。

　　（2）鉆壓選用8-12KN。

　　（3）轉速轉速為20-25r/min。還應說明一點，實施貫通式潛孔錘反循環連續取心（樣）鉆進工藝，偶然也產生短暫的巖心卡堵現象，表現在排屑管突然停止排屑。分析其原因，一是此種工藝方法的巖心與巖屑上返速度不一致；二是使用的雙壁鉆具結構不合理，內管接頭插接方向倒置。壓氣沿其內外管間隙送入，遇內管母接頭端面阻擋，局部渦流及增加壓力降，巖心（樣）反循環時，又遇內管公接頭端面阻擋，端面處產生渦狀環流，使局部流體參量改變，巖心（樣）易于堵塞，產生卡堵。一般情況下，隔幾秒或幾十秒后，排屑管突然大量排屑，表明由于沖擊器高頻沖擊震動自動解卡。應立即停止進尺，即停止鉆具回轉，只沖擊，不再產生新的巖心（樣），依靠沖擊器原位震動，都能順利解除卡堵。

　　３．４試驗效果

　　貫通式潛孔錘與雙壁鉆桿實行反循環連續取心（樣）鉆進，主要是利用潛孔錘破巖效率高；反循環系統洗井介質上返流速高，攜帶能力強，可及時排除巖屑或巖心；用雙壁鉆桿輸送壓縮空氣和護壁，能有效地使碎巖鉆進、提取巖心（樣）和洗井護壁三者形成同時作業的鉆探系統，這種鉆進方法具有以下優點。

　　３．４．１水文地質鉆探中的優點

　　（1）能量大限度地減少提鉆取心（樣）作業時間，大幅度提高純鉆進時間；

　　（2）地質效果好，能有效地提高巖礦層的采取率，而且無污染、無分選、取心（樣）及時，代表性好、品質高；

　　（3）有利于解決破碎和不穩定地層的孔壁坍塌、漏氣、孔口不排屑等給鉆進工作帶來的難題。

　　３．４．２大口徑水井鉆中的優點

　　（1）潛孔錘及雙壁鉆桿的中空斷面作為反循環通道，因斷面積小且直徑不變，在有限空壓機供風量條件下，可增大上返風速，提高排渣能力，避免孔底重復破碎，從而提高鉆進效率及增大孔深和孔徑；同時也不用經常提拉鉆具吹孔，保持了鉆進的連續性；

　　（2）連續取心（樣）鉆進，排屑效果不受鉆孔口徑限制，因而可以一徑成井，可改變過去小徑打、大徑擴的施工方法，從而簡化了工序，提高了效率，縮短了工期；

　　（3）貫通式潛孔錘反循環鉆進，反循環排屑管可放在隨意位置，避免了干孔段粉塵揚及水下鉆進井噴的污染，改善了孔口工人的工作條件；

　　（4）水下鉆進可實現沖擊器碎巖、泥漿護壁、氣舉反循環排屑（不受深沒比限制）綜合效能，為解決目前我國卵礫石地層鉆進難的問題，提供了科學的工藝方法；

　　（5）反循環鉆進過程，又是抽水洗井過程，避免巖粉堵塞含水層通道，提高了成井質量和單井出水量。

全自動野外地溫監測系統/凍土地溫自動監測系統

地源熱泵分布式溫度集中測控系統

礦井總線分散式溫度測量系統方案

礦井分散式垂直測溫系統/地熱普查/地溫監測哪家好選鴻鷗

礦井測溫系統/礦建凍結法施工溫度監測系統/深井溫度場地溫監測系統

TD-016C型地源熱泵能耗監控測溫系統

產品關鍵詞：地源熱泵測溫，地埋管測溫，淺層地溫在線監測系統，分布式地溫監測系統

此款系統專門為地源熱泵生產企業，新能源技術安裝公司，地熱井鉆探公司以及節能環保產業等單位設計，通過連接我司單總線地熱電纜，以及單通道或多通道485接口采集器，可對接到貴司單位的軟件系統。歡迎各類單位以及經銷商詳詢！此款設備支持貼牌，具體價格按量定制。

RS485豎直地埋管地源熱泵溫度監測系統【產品介紹】

地源熱泵空調系統利用土壤作為埋地管換熱器的熱源或熱匯,對建筑物進行供熱和供冷.在埋地管換熱器設計中,土壤的導熱系數是很重要的參數.而對地溫進行長期可靠的監測顯得特別重要。在現場實測土壤導熱系數時測試時間要足夠長,測試時工況穩定后的流體進出口及不同深度的溫度會影響測試結果的準確性。因此地埋測溫電纜的設計顯得尤其重點。較傳統的測溫電纜設計方法，單總線測溫電纜因為接線方便、精度高且不受環境影響、性價比高等優點，目前已廣泛應用于地埋管及地源熱泵系統進行地溫監測，因可靠性和穩定性在諸多工程中已得到了驗證并取得了較好的口啤。

采集服務器通過總線將現場與溫度采集模塊相連，溫度采集模塊通過單總線將各溫度傳感器采集到的數據發到總線上。每個采集模塊可以連接內置1-60個溫度傳感器的測溫電纜相連。本方案可以對大型試驗場進行溫度實時監測，支持180口井或測溫電纜及1500點以上的觀測井溫度在線監測。

RS485豎直地埋管地源熱泵溫度監測系統：

1. 地埋管回填材料與地源熱泵地下溫度場的測試分析

2. U型垂直埋管換熱器管群間熱干擾的研究

3. U型管地源熱泵系統性能及地下溫度場的研究

4. 地源熱泵地埋管的傳熱性能實驗研究

5. 地源熱泵地埋管換熱器傳熱研究

6. 埋地換熱器含水層內傳熱的數值模擬與實驗研究，埋地換熱器含水層內傳熱的數值模擬與實驗研究。

豎直地埋管地源熱泵溫度測量系統，主要是一套*基于現場總線和數字傳感器技術的在線監測及分析系統。它能有對地源熱泵換熱井進行實時溫度監測并保存數據，為優化地源熱泵設計、探討地源熱泵的可持續運行具有參考價值。

二、RS485豎直地埋管地源熱泵溫度監測系統本系統的重要特點：

１．結構簡單，一根總線可以掛接1-60根傳感器，總線采用三線制，所有的傳感器就燈泡一樣，可以直接掛在總線上．

２．總線距離長．采用強驅動模塊，普通線，可以輕松測量500米深井.

３．的深井土壤檢測傳感器，防護等級達到ＩＰ６８，可耐壓力高達5Mpa.

４．定制的防水抗拉電纜，增強了系統的穩定性和可靠特點總結：高性價格比，根據不同的需求，比你想象的*．

針對U型管口徑小的問題，本系統是傳統鉑電阻測溫系統理想的替代品. 可應用于：

１.地埋管回填材料與地源熱泵地下溫度場的測試分析

2.U型垂直埋管換熱器管群間熱干擾的研究

3. U型管地源熱泵系統性能及地下溫度場的研究

4. 地源熱泵地埋管的傳熱性能實驗研究

5. 地源熱泵地埋管換熱器傳熱研究

6. 埋地換熱器含水層內傳熱的數值模擬與實驗研究。

本系統技術參數：支持傳感器：18B20高精度深井水溫數字傳感器，測井深：1000米，傳感器耐壓能力：5Mpa ,配置設備：遠距離溫度采集模塊＋測井電纜＋傳感器，

RS485豎直地埋管地源熱泵溫度監測系統系統功能：

1、溫度在線監測

2、報警功能

3、數據存儲

4、定時保存設置

5、歷史數據報表打印

6、歷史曲線查詢等功能。

【技術參數】

1、溫度測量范圍：-10℃ ～ +100℃

2、溫度精度：正負0.5℃ (-10℃ ～ +80℃)

3、分辨率： 0.1℃

4、采樣點數：小于128

5、巡檢周期：小于3s（可設置）

6、傳輸技術： RS485、RF(射頻技術)、GPRS

7、測點線長：小于350米

8、供電方式： AC220V /內置鋰電池可供電1-3年

9、工作溫度： -30℃ ～ +80℃

10、工作濕度：小于90%RH

11、電纜防護等級：IP66

使用注意事項：

防水感溫電纜經測試與檢測，具備一定的防水和耐水壓能力，使用時，請按以下方法操作與使用：
1．使用時，建議將感溫電纜置于U形管內以方便后期維護。
若置與U形管外，請小心操作，做好電纜防護，防止在安裝過程中電纜被劃傷，以保持電纜的耐水壓能力和使用壽命。
2. 電纜中不銹鋼體為傳感器所在位置，因溫度為緩慢變化量，正常使用時，請等待測物熱平衡后再進行測量。
3. 電纜采用三線制總線方式，紅色為電源正，建議電源為3-5V DC，黑色為電源負，蘭色為信號線。請嚴格按照此說明接線操作。
4. 系統理論上支持180個節點，實際使用應該限制在150個節點以內。
5.系統具備一定的糾錯能力，但總線不能短路。
6. 系統供電，當總線距離在200米以內，則可以采用DC9V給現場模塊供電，當距離在500米之內，可以采用DC12V給系統供電。

【北京鴻鷗成運儀器設備有限公司提供定制各個領域用的測溫線纜產品介紹】

由北京鴻鷗成運儀器設備有限公司推出的地源熱泵溫度場測控系統，硬件采取*ARM技術；上位機軟件使用編程語言技術設計，富有人性、直觀明了；測溫傳感器直接封裝在電纜內部，根據客戶距離進行封裝。目前該系統廣泛應用于地源熱泵地埋管、地源熱泵溫度場檢測、地源熱泵地埋換熱井、地源熱泵豎井及地源熱泵溫度場系統進行地溫監測，本系統的可靠性和穩定性在諸多工程中已得到了驗證并取得了較好的口啤。

地源熱泵診斷中土壤溫度的監測方法：
　　為了實現地源熱泵系統的診斷，必須首先制定保證系統正常運行的合理的標準。在系統的設計階段，地下土壤溫度的初始值是一個重要的依據參數，它也是在系統運行過程中可能產生變化的參數。如果在一個或幾個空調采暖周期（一般一個空調采暖周期為1年）后，系統的取熱和放熱嚴重不平衡，則這個初始溫度會有較大的變化，將會大大降低系統的運行效率。所以設計選用土壤溫度變化曲線作為診斷系統是否正常的標準。
　　首先對地源熱泵系統所控制的建筑物進行全年動態能耗分析，即輸入建筑物的條件，包括建筑的地理位置、朝向、外形尺寸、圍護結構材料和房間功能等條件，計算出該區域全年供暖、制冷的負荷，我們根據該負荷，選擇合適的系統配置，即地埋管數量以及必要的輔助冷熱源，并動態模擬計算地源熱泵植筋加固系統運行過程中土壤溫度的變化情況，得到初始土壤溫度標準曲線。采用滿足土壤溫度基本平衡要求的運行方案運行，同時系統實時監測土壤溫度變化情況，即依靠埋置在地下的測溫傳感器監測土壤的溫度，并且將測得的溫度傳遞給地源熱泵系統。

淺層地溫能監測系統概況：

地源熱泵空調系統利用土壤作為埋地管換熱器的熱源或熱匯，對建筑物進行供熱和供冷，在埋地管換熱器設計中，土壤的導熱系數是很重要的參數，而對地溫進行長期可靠的監測顯得特別重要。在現場實測土壤導熱系數時測試時間要足夠長，測試時工況穩定后的流體進出口及不同深度的溫度會影響測試結果的準確性。因此地源熱泵地埋測溫電纜的設計顯得尤其重點。較傳統的地源熱泵測溫電纜設計方法，北京鴻鷗成運儀器設備有限公司研發的數字總線式測溫電纜因為接線方便、精度高且不受環境影響、性價比高等優點，目前已廣泛應用于地埋管及地源熱泵系統進行地溫監測，因可靠性和穩定性在諸多工程中已得到了驗證并取得了較好的口啤。

為方便研究土壤、水質等環境對空調換熱井能效等方面的可靠研究或溫度測量，目前地源熱泵地埋管測溫電纜對于地埋換熱井，有口徑小，深度較深等特點的測溫方式,如果測量地下120米的地源熱泵井，要放12路線PT100傳感器。12根測溫線纜若平均放置，即10米放一個探頭，則所需線材要1500米，在井上需配置一個至少12通道的巡檢儀，若需接入電腦進行溫度實時記錄，該巡檢儀要有RS232或RS485功能,根據以上成本估計，這口井進行地熱測溫至少成本在8000元，雖然選擇高精度的PT100可提高系統的測溫精度，但對模擬量數據采集，提供精度的有效辦法是提供儀器的AD轉換器的位數，即提供巡檢儀的測量精度，若能夠在長距離測溫的條件下進行多點測溫，能夠做到0.5度的精度，則是非常不容易。針對這一需求，北京鴻鷗成運儀器設備有限公司推出“數字總線式地源熱泵地埋管測溫電纜”及相應系統。礦井深部地溫監測，地源熱泵溫度監測研究，地源熱泵溫度測量系統，淺層地熱測溫系統。

地源熱泵數字總線測溫線纜與傳統測溫電纜對比分析：
傳統的溫度檢測以熱敏電阻、PT100或PT1000作為溫度敏感元件，因其是模擬量，要對溫度進行采集，若需較高精度，需要選擇12位或以上的AD轉換及信號處理電路，近距離時，其精度及可靠性受環境影響不大，但當大于30米距離傳輸時，宜采用三線制測方式，并需定期對溫度進行校正。當進行多點采集時，需每個測溫點放置一根電纜，因電阻作為模擬量及相互之間的干擾，其溫度測量的準確度、系統的精度差，會受環境及時間的影響較大。模塊量傳感器在工作過程中都是以模擬信號的形式存在，而檢測的環境往往存在電場、磁場等不確定因素，這些因素會對電信號產生較大的干擾，從而影響傳感器實際的測量精度和系統的穩定性，每年需要進行校準，因而它們的使用有很大的局限性。

北京鴻鷗成運儀器設備有限公司研發的總線式數字溫度傳感器，具有防水、防腐蝕、抗拉、耐磨的特性，總線式數字溫度傳感器采用測溫芯片作為感應元件，感應元件位于傳感器頭部，傳感器的精度和穩定性決定于美國進口測溫芯片的特性及精度級別，無需校正，因數據傳輸采用總線方式，總線電纜或傳感器外徑可做得很小，直徑不大于12mm,且線路長短不會對傳感器精度造成任何影響。這是傳統熱電阻測溫系統*的優勢。所以數字總線式測溫電纜是地源熱泵地埋管管測溫、地溫能深井和地層溫度監測理想的設備。數字總線式數據傳感器本身自帶12位高精度數據轉換器和現場總線管理器，直接將溫度數據轉換成適合遠距離傳輸的數字信號，而每個傳感器本身都有唯的識別ID，所以很多傳感器可以直接掛接在總線上，從而實現一根電纜檢測很多溫度點的功能。

地源熱泵大數據監控平臺建設

一、系統介紹

1、建設自動監測監測平臺，可監測大樓內室內溫度；熱泵機組空調側和地源側溫度、

壓力、流量；系統空調側和地源側溫度、壓力、流量；熱泵機組和水泵的電壓、電流、功率、

電量等參數；地溫場的變化等，實現熱泵機組運行情況 24 小時實時監測，異常情況預

警，做到真正的無人值守。可對熱泵系統的長期運行穩定性、系統對地溫場的影響以及能效

比等進行綜合的科學評價，為進一步示范推廣與系統優化的工作提供數據指導依據。

具體測量要求如下：

1）各熱泵機組實時運行情況；

2）室內溫度監測數據及變化曲線；

3）室外環境溫度數據及變化曲線；

4）機房內空調側出回水溫度、壓力、流量等監測數據及變化曲線；

5）機房內地埋管側出回水溫度、壓力、流量等監測數據及變化曲線；

6）機房內用電設備的電流、電壓、功率、電能等監測數據及變化曲線；

7）地溫場內不同深度的地溫監測數據及變化曲線；

8）能耗綜合分析、系統 COP 分析以及系統節能量的評價分析。

2、自動監測平臺建成以后可以對已經安裝自動監測設備的地熱井實施自動監測的數據分

析展示，可實現地熱井和回灌井的水位、水溫、流量實施傳輸分析，并可實現數據異常情況預

警，做到實時監管，有地熱井運行的穩定性。

1）開采水量及回水水量的流量監測及變化曲線；

2）開采水溫及回水水溫的溫度監測及變化曲線；

3）開采井井內水位監測及變化曲線；

水文水井沖擊回轉反循環鉆進技術

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