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水文水井冲击回转反循环钻进技术

更新时间：2020-08-23　点击量：1065

　　1 水文水井冲击回转正循环钻进亟待解决的问题

　　基岩水井通常口径为Φ160～Φ280mm之间，该口径硬岩的钻进效率低，成本高，施工周期长，成为钻探界亟待解决的难题。20世纪70年代开始，我国已引进潜孔锤技术应用于水井钻凿，钻进效率数倍提高，展示了潜孔锤钻进的良好前景。但水井工程，孔深大，背压高，配套使用的空压机不但风量要求大，风太也高，使钻进成本大幅度增高。主要矛盾是满足排渣屑上返风速的要求时，供风量巨大，远超过了潜孔锤本身工作的需求。计算不同孔径条件下满足上返风速15m/s供风量的需求，见表1（Φ89钻杆为例）。表1数据表明，孔径越大，为满足排渣屑要求而消耗的能量越大，经济性越差。若实施反循环钻井技术工艺，则排渣屑所需风量大大减小，如表2所示。

　　2 水文水井冲击回转反循环钻进技术的原理和特点

　　针对上述问题研制了GQ系列贯通式气动潜孔锤，配以专门的反循环也取心钻头，实现了反循环连续取心（样）钻进工艺，这一技术具有*水平。

　　贯通式气动潜孔锤反循环连续取心（样）钻进原理如图1所示。压缩空气由进气胶管4进入气水2的进气管，经主动钻杆和双壁5的内外管环空到达贯通式冲击器的逆止阀6，驱动冲击器活塞9产生高频冲击。钻具仍由钻机带动回转，使钻头在冲击和回转的共同作用下破碎岩石，取心钻头11在孔底形成环状破碎。冲击器工作压气由钻头底喷排气孔喷出，吹洗孔底岩屑和冷却钻头，再由钻头唇部导流作用将气流引入钻头中心，然后通过双壁钻杆中心通道，携带岩心（样），输送到气水2的中心孔。经鹅颈管3，排样管1排出，进入岩心（样）收集器。

　　这种钻进方法的特点主要是利用潜孔锤碎岩，效率高；反循环系统冲洗介质上返流速高，携带岩心（样）能力强；使用双壁钻杆既输送压缩空气又有护壁作用。也就是有效的把破岩钻进和提起岩心（样）这两项原来分隔的工作，形成了连续作业系统，成为边钻井、边洗井、边取心（样）三者同时进行的钻探方法。

　　3 水文水井冲击回转反循环钻进

　　技术应用实例

　　3.1 概况

　　GQ-200/62型贯通式潜孔锤在河南省地矿厅水文一队进行试验。试验分二个阶段：反循环形成研究阶段和生产性试验阶段。在6-8级灰岩、白云质灰燧石灰岩、致密灰岩，采用FT-200、250型反循环钻头及SHB-127/87双壁钻杆实行反循环连续取心（样）钻进374m。呈短圆饼状，长度20-35mm；取样率。与潜孔锤正循环相比，平均机械钻速提高64%；台月效率提高3.8倍；每米成本降低30%-40%。其中一个钻头在一个钻孔中反循环连续取心104.5米，平均时效4.05m/h，时效9.6m/h，水下钻进45m时钻头磨损较轻微。

　　目前气动潜孔锤钻进主要是不取心钻进，采用单壁钻杆正循环排屑。河南水文一队使用气动潜孔锤钻凿基岩水井，取得较为成功的经验。但豫北地区基岩水井一般要求深度及其孔径较大，其钻进施工方法是：用JG-150潜孔锤一径到底，再用J-250型冲击器扩孔，即“小径打，大径扩”。这种施工方法不仅麻烦，成井时间长，扩孔时耗风量大，排岩屑及其困难，有时需采用专门排屑措施，因而出现潜孔锤钻进机械钻速虽高，而台月效率却提高的不多。此外，在卵砾石地层或复杂的破碎、漏失地层，空气潜孔锤仍难以钻进，表现出孔壁坍塌，孔口不返风，不排屑，极易导致埋钻、卡钻等事故的发生。采用贯通式式潜孔锤实施反循环钻进工艺，可从根本上解决这些难题。

　　３．２配套设备及器具

　　钻机：SPC-300H型黄河钻一台；空压机：W-10/60型一台或LGYII-10/7二台；双壁钻杆：SHB-127/87或SHB-114/70；贮气罐：0.2-1.0m3一台；冲击器：GQ-200型二套；钻头：直径Φ200、Φ250mm各2个。试验分别采用高、低压两种压风机单独进行，即浅孔或干孔段用低压空压机；深孔或水下钻进用W－10/60空压机，试验场地的设备分布、管线连接等见图2。

　　３．３钻进技术参数选择在空压机、冲击器和钻头性能及质量保证的前提下，要想提高反循环连续取心（样）钻进效果，还应做到合理操作，选用合适的钻进技术参数。

　　（1）风量和风压供风量除满足GQ-200型贯通式气动潜孔锤的工作参数外，还应符合反循环中心通道空气上返速度携带岩心（样）的要求。一般取样钻进，供风量6-8m3/min即可；而取心钻进可适当地增大供风量（8-10m3/min），这样中心通道上返风速可达20-40m/s。风压随钻孔深度，孔内水柱高度的变化而变化，一般为0.45-2.20MPa。

　　（2）钻压选用8-12KN。

　　（3）转速转速为20-25r/min。还应说明一点，实施贯通式潜孔锤反循环连续取心（样）钻进工艺，偶然也产生短暂的岩心卡堵现象，表现在排屑管突然停止排屑。分析其原因，一是此种工艺方法的岩心与岩屑上返速度不一致；二是使用的双壁钻具结构不合理，内管接头插接方向倒置。压气沿其内外管间隙送入，遇内管母接头端面阻挡，局部涡流及增加压力降，岩心（样）反循环时，又遇内管公接头端面阻挡，端面处产生涡状环流，使局部流体参量改变，岩心（样）易于堵塞，产生卡堵。一般情况下，隔几秒或几十秒后，排屑管突然大量排屑，表明由于冲击器高频冲击震动自动解卡。应立即停止进尺，即停止钻具回转，只冲击，不再产生新的岩心（样），依靠冲击器原位震动，都能顺利解除卡堵。

　　３．４试验效果

　　贯通式潜孔锤与双壁钻杆实行反循环连续取心（样）钻进，主要是利用潜孔锤破岩效率高；反循环系统洗井介质上返流速高，携带能力强，可及时排除岩屑或岩心；用双壁钻杆输送压缩空气和护壁，能有效地使碎岩钻进、提取岩心（样）和洗井护壁三者形成同时作业的钻探系统，这种钻进方法具有以下优点。

　　３．４．１水文地质钻探中的优点

　　（1）能量大限度地减少提钻取心（样）作业时间，大幅度提高纯钻进时间；

　　（2）地质效果好，能有效地提高岩矿层的采取率，而且无污染、无分选、取心（样）及时，代表性好、品质高；

　　（3）有利于解决破碎和不稳定地层的孔壁坍塌、漏气、孔口不排屑等给钻进工作带来的难题。

　　３．４．２大口径水井钻中的优点

　　（1）潜孔锤及双壁钻杆的中空断面作为反循环通道，因断面积小且直径不变，在有限空压机供风量条件下，可增大上返风速，提高排渣能力，避免孔底重复破碎，从而提高钻进效率及增大孔深和孔径；同时也不用经常提拉钻具吹孔，保持了钻进的连续性；

　　（2）连续取心（样）钻进，排屑效果不受钻孔口径限制，因而可以一径成井，可改变过去小径打、大径扩的施工方法，从而简化了工序，提高了效率，缩短了工期；

　　（3）贯通式潜孔锤反循环钻进，反循环排屑管可放在随意位置，避免了干孔段粉尘扬及水下钻进井喷的污染，改善了孔口工人的工作条件；

　　（4）水下钻进可实现冲击器碎岩、泥浆护壁、气举反循环排屑（不受深没比限制）综合效能，为解决目前我国卵砾石地层钻进难的问题，提供了科学的工艺方法；

　　（5）反循环钻进过程，又是抽水洗井过程，避免岩粉堵塞含水层通道，提高了成井质量和单井出水量。

全自动野外地温监测系统/冻土地温自动监测系统

地源热泵分布式温度集中测控系统

矿井总线分散式温度测量系统方案

矿井分散式垂直测温系统/地热普查/地温监测哪家好选鸿鸥

矿井测温系统/矿建冻结法施工温度监测系统/深井温度场地温监测系统

TD-016C型地源热泵能耗监控测温系统

产品关键词：地源热泵测温，地埋管测温，浅层地温在线监测系统，分布式地温监测系统

此款系统专门为地源热泵生产企业，新能源技术安装公司，地热井钻探公司以及节能环保产业等单位设计，通过连接我司单总线地热电缆，以及单通道或多通道485接口采集器，可对接到贵司单位的软件系统。欢迎各类单位以及经销商详询！此款设备支持贴牌，具体价格按量定制。

RS485竖直地埋管地源热泵温度监测系统【产品介绍】

地源热泵空调系统利用土壤作为埋地管换热器的热源或热汇,对建筑物进行供热和供冷.在埋地管换热器设计中,土壤的导热系数是很重要的参数.而对地温进行长期可靠的监测显得特别重要。在现场实测土壤导热系数时测试时间要足够长,测试时工况稳定后的流体进出口及不同深度的温度会影响测试结果的准确性。因此地埋测温电缆的设计显得尤其重点。较传统的测温电缆设计方法，单总线测温电缆因为接线方便、精度高且不受环境影响、性价比高等优点，目前已广泛应用于地埋管及地源热泵系统进行地温监测，因可靠性和稳定性在诸多工程中已得到了验证并取得了较好的口啤。

采集服务器通过总线将现场与温度采集模块相连，温度采集模块通过单总线将各温度传感器采集到的数据发到总线上。每个采集模块可以连接内置1-60个温度传感器的测温电缆相连。本方案可以对大型试验场进行温度实时监测，支持180口井或测温电缆及1500点以上的观测井温度在线监测。

RS485竖直地埋管地源热泵温度监测系统：

1. 地埋管回填材料与地源热泵地下温度场的测试分析

2. U型垂直埋管换热器管群间热干扰的研究

3. U型管地源热泵系统性能及地下温度场的研究

4. 地源热泵地埋管的传热性能实验研究

5. 地源热泵地埋管换热器传热研究

6. 埋地换热器含水层内传热的数值模拟与实验研究，埋地换热器含水层内传热的数值模拟与实验研究。

竖直地埋管地源热泵温度测量系统，主要是一套*基于现场总线和数字传感器技术的在线监测及分析系统。它能有对地源热泵换热井进行实时温度监测并保存数据，为优化地源热泵设计、探讨地源热泵的可持续运行具有参考价值。

二、RS485竖直地埋管地源热泵温度监测系统本系统的重要特点：

１．结构简单，一根总线可以挂接1-60根传感器，总线采用三线制，所有的传感器就灯泡一样，可以直接挂在总线上．

２．总线距离长．采用强驱动模块，普通线，可以轻松测量500米深井.

３．的深井土壤检测传感器，防护等级达到ＩＰ６８，可耐压力高达5Mpa.

４．定制的防水抗拉电缆，增强了系统的稳定性和可靠特点总结：高性价格比，根据不同的需求，比你想象的*．

针对U型管口径小的问题，本系统是传统铂电阻测温系统理想的替代品. 可应用于：

１.地埋管回填材料与地源热泵地下温度场的测试分析

2.U型垂直埋管换热器管群间热干扰的研究

3. U型管地源热泵系统性能及地下温度场的研究

4. 地源热泵地埋管的传热性能实验研究

5. 地源热泵地埋管换热器传热研究

6. 埋地换热器含水层内传热的数值模拟与实验研究。

本系统技术参数：支持传感器：18B20高精度深井水温数字传感器，测井深：1000米，传感器耐压能力：5Mpa ,配置设备：远距离温度采集模块＋测井电缆＋传感器，

RS485竖直地埋管地源热泵温度监测系统系统功能：

1、温度在线监测

2、报警功能

3、数据存储

4、定时保存设置

5、历史数据报表打印

6、历史曲线查询等功能。

【技术参数】

1、温度测量范围：-10℃ ～ +100℃

2、温度精度：正负0.5℃ (-10℃ ～ +80℃)

3、分辨率： 0.1℃

4、采样点数：小于128

5、巡检周期：小于3s（可设置）

6、传输技术： RS485、RF(射频技术)、GPRS

7、测点线长：小于350米

8、供电方式： AC220V /内置锂电池可供电1-3年

9、工作温度： -30℃ ～ +80℃

10、工作湿度：小于90%RH

11、电缆防护等级：IP66

使用注意事项：

防水感温电缆经测试与检测，具备一定的防水和耐水压能力，使用时，请按以下方法操作与使用：
1．使用时，建议将感温电缆置于U形管内以方便后期维护。
若置与U形管外，请小心操作，做好电缆防护，防止在安装过程中电缆被划伤，以保持电缆的耐水压能力和使用寿命。
2. 电缆中不锈钢体为传感器所在位置，因温度为缓慢变化量，正常使用时，请等待测物热平衡后再进行测量。
3. 电缆采用三线制总线方式，红色为电源正，建议电源为3-5V DC，黑色为电源负，兰色为信号线。请严格按照此说明接线操作。
4. 系统理论上支持180个节点，实际使用应该限制在150个节点以内。
5.系统具备一定的纠错能力，但总线不能短路。
6. 系统供电，当总线距离在200米以内，则可以采用DC9V给现场模块供电，当距离在500米之内，可以采用DC12V给系统供电。

【北京鸿鸥成运仪器设备有限公司提供定制各个领域用的测温线缆产品介绍】

由北京鸿鸥成运仪器设备有限公司推出的地源热泵温度场测控系统，硬件采取*ARM技术；上位机软件使用编程语言技术设计，富有人性、直观明了；测温传感器直接封装在电缆内部，根据客户距离进行封装。目前该系统广泛应用于地源热泵地埋管、地源热泵温度场检测、地源热泵地埋换热井、地源热泵竖井及地源热泵温度场系统进行地温监测，本系统的可靠性和稳定性在诸多工程中已得到了验证并取得了较好的口啤。

地源热泵诊断中土壤温度的监测方法：
　　为了实现地源热泵系统的诊断，必须首先制定保证系统正常运行的合理的标准。在系统的设计阶段，地下土壤温度的初始值是一个重要的依据参数，它也是在系统运行过程中可能产生变化的参数。如果在一个或几个空调采暖周期（一般一个空调采暖周期为1年）后，系统的取热和放热严重不平衡，则这个初始温度会有较大的变化，将会大大降低系统的运行效率。所以设计选用土壤温度变化曲线作为诊断系统是否正常的标准。
　　首先对地源热泵系统所控制的建筑物进行全年动态能耗分析，即输入建筑物的条件，包括建筑的地理位置、朝向、外形尺寸、围护结构材料和房间功能等条件，计算出该区域全年供暖、制冷的负荷，我们根据该负荷，选择合适的系统配置，即地埋管数量以及必要的辅助冷热源，并动态模拟计算地源热泵植筋加固系统运行过程中土壤温度的变化情况，得到初始土壤温度标准曲线。采用满足土壤温度基本平衡要求的运行方案运行，同时系统实时监测土壤温度变化情况，即依靠埋置在地下的测温传感器监测土壤的温度，并且将测得的温度传递给地源热泵系统。

浅层地温能监测系统概况：

地源热泵空调系统利用土壤作为埋地管换热器的热源或热汇，对建筑物进行供热和供冷，在埋地管换热器设计中，土壤的导热系数是很重要的参数，而对地温进行长期可靠的监测显得特别重要。在现场实测土壤导热系数时测试时间要足够长，测试时工况稳定后的流体进出口及不同深度的温度会影响测试结果的准确性。因此地源热泵地埋测温电缆的设计显得尤其重点。较传统的地源热泵测温电缆设计方法，北京鸿鸥成运仪器设备有限公司研发的数字总线式测温电缆因为接线方便、精度高且不受环境影响、性价比高等优点，目前已广泛应用于地埋管及地源热泵系统进行地温监测，因可靠性和稳定性在诸多工程中已得到了验证并取得了较好的口啤。

为方便研究土壤、水质等环境对空调换热井能效等方面的可靠研究或温度测量，目前地源热泵地埋管测温电缆对于地埋换热井，有口径小，深度较深等特点的测温方式,如果测量地下120米的地源热泵井，要放12路线PT100传感器。12根测温线缆若平均放置，即10米放一个探头，则所需线材要1500米，在井上需配置一个至少12通道的巡检仪，若需接入电脑进行温度实时记录，该巡检仪要有RS232或RS485功能,根据以上成本估计，这口井进行地热测温至少成本在8000元，虽然选择高精度的PT100可提高系统的测温精度，但对模拟量数据采集，提供精度的有效办法是提供仪器的AD转换器的位数，即提供巡检仪的测量精度，若能够在长距离测温的条件下进行多点测温，能够做到0.5度的精度，则是非常不容易。针对这一需求，北京鸿鸥成运仪器设备有限公司推出“数字总线式地源热泵地埋管测温电缆”及相应系统。矿井深部地温监测，地源热泵温度监测研究，地源热泵温度测量系统，浅层地热测温系统。

地源热泵数字总线测温线缆与传统测温电缆对比分析：
传统的温度检测以热敏电阻、PT100或PT1000作为温度敏感元件，因其是模拟量，要对温度进行采集，若需较高精度，需要选择12位或以上的AD转换及信号处理电路，近距离时，其精度及可靠性受环境影响不大，但当大于30米距离传输时，宜采用三线制测方式，并需定期对温度进行校正。当进行多点采集时，需每个测温点放置一根电缆，因电阻作为模拟量及相互之间的干扰，其温度测量的准确度、系统的精度差，会受环境及时间的影响较大。模块量传感器在工作过程中都是以模拟信号的形式存在，而检测的环境往往存在电场、磁场等不确定因素，这些因素会对电信号产生较大的干扰，从而影响传感器实际的测量精度和系统的稳定性，每年需要进行校准，因而它们的使用有很大的局限性。

北京鸿鸥成运仪器设备有限公司研发的总线式数字温度传感器，具有防水、防腐蚀、抗拉、耐磨的特性，总线式数字温度传感器采用测温芯片作为感应元件，感应元件位于传感器头部，传感器的精度和稳定性决定于美国进口测温芯片的特性及精度级别，无需校正，因数据传输采用总线方式，总线电缆或传感器外径可做得很小，直径不大于12mm,且线路长短不会对传感器精度造成任何影响。这是传统热电阻测温系统*的优势。所以数字总线式测温电缆是地源热泵地埋管管测温、地温能深井和地层温度监测理想的设备。数字总线式数据传感器本身自带12位高精度数据转换器和现场总线管理器，直接将温度数据转换成适合远距离传输的数字信号，而每个传感器本身都有唯的识别ID，所以很多传感器可以直接挂接在总线上，从而实现一根电缆检测很多温度点的功能。

地源热泵大数据监控平台建设

一、系统介绍

1、建设自动监测监测平台，可监测大楼内室内温度；热泵机组空调侧和地源侧温度、

压力、流量；系统空调侧和地源侧温度、压力、流量；热泵机组和水泵的电压、电流、功率、

电量等参数；地温场的变化等，实现热泵机组运行情况 24 小时实时监测，异常情况预

警，做到真正的无人值守。可对热泵系统的长期运行稳定性、系统对地温场的影响以及能效

比等进行综合的科学评价，为进一步示范推广与系统优化的工作提供数据指导依据。

具体测量要求如下：

1）各热泵机组实时运行情况；

2）室内温度监测数据及变化曲线；

3）室外环境温度数据及变化曲线；

4）机房内空调侧出回水温度、压力、流量等监测数据及变化曲线；

5）机房内地埋管侧出回水温度、压力、流量等监测数据及变化曲线；

6）机房内用电设备的电流、电压、功率、电能等监测数据及变化曲线；

7）地温场内不同深度的地温监测数据及变化曲线；

8）能耗综合分析、系统 COP 分析以及系统节能量的评价分析。

2、自动监测平台建成以后可以对已经安装自动监测设备的地热井实施自动监测的数据分

析展示，可实现地热井和回灌井的水位、水温、流量实施传输分析，并可实现数据异常情况预

警，做到实时监管，有地热井运行的稳定性。

1）开采水量及回水水量的流量监测及变化曲线；

2）开采水温及回水水温的温度监测及变化曲线；

3）开采井井内水位监测及变化曲线；

水文水井冲击回转反循环钻进技术

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