（正式版）DB41∕T 1005-2015 《浅层地热能钻探技术规范》

2015-06-01实施2015-06-01实施河南省质量技术监督局发布浅层地热能钻探技术规范中国版本图书馆CIP数据核字(2015)第111328号浅层地热能钻探技术规范卢予北等著出版发行：中国地质大学出版社(武汉市洪山区鲁磨路388号)电话：(027)67883511传真：67883580http://www.cugp.cug.印次：2015年6月第1次印刷印刷：武汉市籍缘印刷厂I本标准按照GB/T1.1—2009给出的规则起草。本标准由河南省地质矿产勘查开发局提出并归口。本标准起草单位：河南省地质矿产勘查开发局第二地质环境调查院、河南省深部探矿工程技术研究中心、河南省地热能开发利用有限公司、河南工程学院资源与环境学院、中国地质科学院勘探技术研究Ⅱ浅层地热能是赋存在岩土体中的低温地热资源，其深度一般在200m以浅，是一种可再生清洁能源，具有分布范围广、资源储量大、开发利用方便、对环境无污染等特点，是国家大力提倡开发利用的清洁能源之一。目前，浅层地热能开发利用发展迅速，水源热泵系统和土壤源热泵系统是近年来我国使用最多的两种浅层地热能开发利用形式。浅层地热能开发利用工程的关键之一是地下换热装置设计与施工，钻探工程则是地下换热装置设置不可或缺的工程手段。钻探工程是实现地源热泵系统良好换热的前提，对浅层地热能开发利用系统性能起着关键作用。钻探的目的不同，其工艺和技术要求也不同。浅层地热能水源井和地埋管钻孔设计、施工与一般水文水井、矿产资源钻探有相同点，也有许多不同之处。为了保证浅层地热能系统高效、低耗运行，有必要制定此标准，以达到提高浅层地热能钻探技术和质量的目的。本标准是在近年来河南省浅层地热能开发利用工程实践的基础上，结合国内有关钻探技术标准制定Ⅲ1范围 12规范性引用文件 13术语和定义 14地下水源井设计 34.1设计依据和要求 34.2井管选择 34.3地下水源井布置及数量设计 44.4地下水源井结构设计 44.5过滤管选择 64.6抽水量与回水量设计 65垂直地埋管钻孔设计 75.1一般规定 5.2U形地埋管选择 5.3地埋管布置及数量设计 85.4地埋管钻孔结构设计 85.5回填材料选择 86地下水源井施工 86.1一般规定 86.2钻探技术方法 86.3钻井液选择与护壁堵漏 9 97垂直地埋管钻孔施工 7.1一般规定 7.2钻孔施工要求 7.3钻孔冲洗介质要求 7.4U形管下入及固定方式 7.5回填材料投入方式 8工程验收规定 8.1地下水源井验收 8.2垂直地埋管钻孔验收 附录A(资料性附录)常用PVC-U塑料井管物理力学性能指标和规格 附录B(资料性附录)常用地埋管管材外径及壁厚 附录C(资料性附录)地埋管回填材料的热物性指标 附录D(资料性附录)水源热泵水质 1本标准规定了浅层地热能地下水源井设计、垂直地埋管钻孔设计、地下水源井施工、垂直地埋管钻孔本标准适用于各类浅层地热能钻探。2规范性引用文件下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，仅注日期的版本适用于本文件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件。供水水文地质勘察规范供水管井技术规范地源热泵系统工程技术规范DZ/T0225—2009浅层地热能勘查评价规范DB41/T597PVC-U成井技术规范3术语和定义下列术语和定义适用于本文件。地表以下一定深度范围内(一般为恒温带至200m埋深),温度低于25℃,在当前技术经济条件下具备开发利用价值的地球内部的热能资源，是地热资源的一部分。以岩土体、地下水或地表水为低温热源，由水源热泵机组、地热能交换系统、建筑物内系统组成的供热空调系统。水源热泵系统用于从地下含水层中取水或向含水层灌注回水的井，是抽水井和回灌井的统称。2用于从地下含水层中取水的井。用于向含水层灌注回水的井。[GB/T50366—2005,定义2.0.20]沉淀管是指抽水井或回灌井中过滤管最下部的井管，用于沉淀井内砂粒、沉淀物等固体。向井中连续注水，并记录水位、水量的变化来测定含水层渗透性和水文地质参数的试验。用于下入和安放地下土壤换热器的钻孔。U形管Upipe将两根一定长度的PE或PB管在地面平行连接下入钻孔中，形成U形回路，用于热交换。U形管下入地下钻孔后需要回填的固定物料，一般选择钻孔排出的岩屑、砂粒或热物性较好的混合泵吸反循环钻进suctionpumpreversecirculationdrilling利用泵的抽吸力，使钻杆内产生抽吸作用的反循环钻进技术。[GB9151—1988,定义]气举反循环钻进airliftreversecirculationdrilling压缩空气在一定深度的钻杆内与冲洗液混合，利用钻杆内外液体密度差进行反循环的钻进技术。[GB9151—1988,定义]34地下水源井设计4.1设计依据和要求地下水源井设计时，应依据以下主要内容：——水源热泵机组制冷、制热功率；——工作区水文地质勘察成果；——可供建设水源井的场地面积；——抽水井与回灌井之间井间距；——回灌井结构可与抽水井相同，可互换使用；——用户的其他要求。4.2井管选择浅层地热能常用井壁管类型见表1。地质和水文地质条件允许情况下宜选择PVC-U塑料管，常见PVC-U塑料井管物理力学性能指标和规格参见附录A。材料综合物理力学性能指标较好、强度高，腐蚀与结垢速度较快，管材质量较铸铁管低，价格适中抗腐蚀和结垢性能好，质量轻，价格适中，成井方便，使用寿命长(≥50年)耐腐蚀，管材质量大，价格低，强度低浅层地热能常用过滤管类型见表2。地质和水文地质条件允许情况下宜选择铣缝式PVC-U过滤管。表2过滤管类型缠丝过滤管(圆形或梯形丝)钢制能，加工成本较高，孔隙率低钢制层不锈钢钢制只适用于粗颗粒含水层和基岩裂隙含水层直接在管体垂向或横向铣缝(0.7~5mm),有良好的防腐蚀性能，成本较低滤料和过滤管粘为一体，具有良好的挡根据水质选择骨架管可适用于各种水质的水井44.2.3沉淀管选择沉淀管宜选择与井壁管同材质的管材作为沉淀管。4.3地下水源井布置及数量设计4.3.1布置和设计依据抽水井、回灌井的布置和数量设计应依据以下内容进行：——地下水流场；——温度变化情况；直线形布井直线形布井方式：——天然地下水力坡度方向垂直于抽水井、回灌井连线，回灌井置于抽水井一侧；——天然地下水力坡度方向垂直于抽水井、回灌井连线，回灌井分别置于抽水井两侧；——天然地下水力坡度方向平行于抽水井、回灌井连线，回灌井置于抽水井一侧，水力坡度方向由抽水井指向回灌井。折线形布井折线形布井方式：——天然地下水力坡度方向由抽水井指向回灌井，回灌井置于抽水井一侧；——天然地下水力坡度方向由抽水井指向其中一口回灌井，回灌井置于抽水井两侧。抽水井数量设计抽水井数量应根据水量、水温、当地气候条件、地源热泵机组需要的换热量确定。回灌井数量设计回灌井数量应根据回灌试验确定。4.4地下水源井结构设计4.4.1井身结构设计总体原则井身结构应根据地层情况、地下水埋深及钻井工艺进行设计。5松散地层井身结构设计应遵循以下原则：——按技术或合同要求确定开采段和安置泵室段井径；——按地层、钻进方法确定井段的变径和相应长度；——按地层复杂程度和终孔口径确定井的开孔口径。基岩地层井身结构设计应遵循以下原则：——当上部有覆盖层或不稳定岩层时应设置井壁管，当下部开采段岩层破碎时应设置过滤管；——当同时在覆盖层取水时，覆盖层段的管井设计应按松散层管井的要求进行；——泵室段部位，应设置井管；——根据岩层情况、成井工艺和钻进方法等确定井段长度及其变径位置。井径设计可遵循以下原则：——开采段或回灌段井径，应根据地下水源井设计出水或回灌量、允许井壁进水流速、过滤管类型及钻进工艺等因素综合确定；——松散地层非填砾过滤器管井的开采段井径，宜比设计过滤器外径大50mm;——基岩地层不下过滤管的地下水源井开采段井径，应根据含水层的富水性和设计出水量确定，井径宜大于200mm;——泵室段井管内径，应根据抽水设备型号及测量动水位仪器的需要确定，宜比选用的抽水设备标定的最小井管内径大50mm。抽水井、回灌井的井深设计应综合考虑以下因素：——水文地质条件；——水质要求；——出水能力或回灌能力。过滤管长度过滤管长度设计应根据GB50296中有关规定确定。沉淀管长度沉淀管长度应根据含水层岩性和井深确定，宜大于5m。松散地层地下水源井封闭位置的设计，宜符合下列规定：——井口外围应封闭；——水质不良含水层或非开采含水层井管外围应封闭。基岩地层地下水源井封闭位置的设计，宜符合下列规定：——覆盖层取水时，根据地层情况对接近地面位置进行封闭；——覆盖层井管底部与稳定岩层间应封闭；——非开采含水层井管变径间的重叠部位应封闭；6——水质不良含水层(或上部已污染含水层)与开采含水层间应封闭。4.5过滤管选择过滤管材料的选择，宜综合考虑以下因素：——经济合理等。过滤管宜根据含水层的性质按表3进行设计。表3不同含水层适用过滤管类型坚硬或半坚硬的稳定岩层圆形或条孔状骨架式过滤管、缠丝过滤管卵石、砾石岩层缠丝过滤管、钢筋骨架过滤管、桥式过滤管中砂岩层4.6抽水量与回水量设计根据单孔稳定流完整井抽水试验资料，按公式(1)或公式(2)计算含水层渗透系数K: (1) (2)式中：K——渗透系数，单位为米每天(m/d);Q——稳定的出水量或注水量，单位为立方米每天(m³/d);H——潜水或承压水含水层厚度，单位为米(m);S——水位降深或升幅，单位为米(m);r——过滤管半径，单位为米(m)。根据注水孔试验资料，按公式(3)近似计算渗透系数K:式中：按公式(4)或公式(5)计算单位抽水量q₁或单位回水量q₂:7Q₁——稳定的出水量，单位为立方米每天(m³/d);Q₂——稳定的回水量，单位为立方米每天(m³/d)。5垂直地埋管钻孔设计5.1一般规定5.1.1设计内容设计垂直地埋管钻孔时，应明确下列主要内容：——钻进工艺方法及措施；——钻孔中换热器(U形管)配置及管材选用；——回填材料、规格及其他要求。5.1.2设计原则钻孔设计应符合以下原则：——钻孔结构应以能顺利下入换热器及满足充分换热要求为准；——设计前应对换热器强度进行校核，垂直地埋管钻孔深度以20～160m为宜；——应尽量回避复杂地层条件下施工垂直地埋管钻孔，无法回避时可以考虑通过调整单孔深度、减少穿越复杂层段的工作量；——在地下水较丰富、冷热平衡能力强的区域，可以适当加密钻孔，减少占地面积；——应采取必要环保措施，不得破坏或污染地表环境、地下水等。5.2U形地埋管选择5.2.1地埋管材质可选择PE或PB塑料管，其他要求按GB50366—2005中4.2的规定，常用PE或PB地埋管规格参见附录B。5.2.2当地下热交换器和建筑物内管路没有热交换器隔开时，应考虑建筑高度造成的系统静压及地下水的抵消作用，并应进行相应计算以验证系统静压在管路最大额定承压范围内。5.2.3地埋管换热器内传热介质的流态应为紊流，单U形管流速不宜小于0.6m/s,双U形管流速不宜小于0.4m/s。可按公式(6)计算出合理的管径：p——管内流体的密度，单位为千克每立方米(kg/m³);V—管内流体流速，单位为米每秒(m/s);d;——管的内径，单位为米(m);μ—管内流体的动力黏度，单位为帕秒(Pa·s)。85.3地埋管布置及数量设计5.3.1地埋管钻孔布置原则地埋管钻孔布置宜符合以下规定：——工程较小时地埋管钻孔间距：钻孔单排布置，地源热泵间歇运行，钻孔间距一般取3.0m;——工程较大时地埋管钻孔间距：钻孔多排布置，地源热泵间歇运行，钻孔间距一般取4.5m;——常规情况地埋管钻孔间距：工程较大且若连续运行或停机时间较少时，钻孔间距一般取5.0~——考虑到钻孔群的钻孔垂直度无法绝对控制在规定范围内，建议连续运行的钻孔群间距一般为6.0m以上，若采用串联连接方式，可采用三角形布置以节约占地面积。5.3.2地埋管钻孔数量地埋管钻孔数量应根据计算出的换热器总长度确定，应按地源热泵系统工程设计要求。5.4地埋管钻孔结构设计5.4.1地埋管钻孔结构应尽量简单、单一，应满足顺利下管及充分换热要求。5.4.2设计地埋管钻孔直径时，应满足U形管正常下入，尽量减小钻孔口径，孔径以略大于U形管与灌浆管的组件尺寸为宜，不宜小于110mm。5.4.3垂直地埋管钻孔深度设计时，应综合考虑以下因素：——地质和地层条件；——水文地质条件；——岩土热物性参数；——工程及场地面积的大小。5.5回填材料选择5.5.1回填材料要能够保护换热器不受地下水及其他污染物的影响，防止地面水通过钻孔向地下渗透，以保护地下水不受地表污染物的污染，防止地下各个含水层之间水的相互流动而引起交叉污染。5.5.2在非饱和地层条件下，回填材料的热导率不应低于钻孔周围土壤的热导率。5.5.3在采用现场泥浆加钻屑混合材料作为地埋管的回填材料时，宜选择均匀的中粗砂(岩屑)和0.8%左右的膨润土混合材料。几种常用地埋管回填材料的热物性指标参见附录C。6地下水源井施工6.1.1施工前，应进行现场踏勘，了解施工条件6.1.2应按地下水源井工程设计组织实施。6.2钻探技术方法应根据地层岩性、水文地质条件和设计要求等选择合理的钻探设备和工艺，参见表4。9表4常见地层钻探技术方法特点效率较低、污染和堵塞地层效率高、不污染地层效率高、不污染地层卵石、漂石等地层6.3钻井液选择与护壁堵漏6.3.1钻井液的选择主要依据地层特征，宜遵守以下原则：——满足正常的钻进和护壁；——条件允许情况下宜选择清水或空气钻进，减少钻井液对地层的污染；——钻井液材料应具有经济性和低毒、低腐蚀性，有利于储层和环境保护。6.3.2护壁堵漏方法应根据地层特征、钻进方法及施工用水情况等确定，常用的护壁堵漏方法主要——钻井液护壁与堵漏；——水泥护壁与堵漏；——化学浆液护壁与堵漏；—套管护壁与堵漏；——惰性材料充填堵漏；——其他方法(如石膏护孔、沥青护孔及堵漏等)。地下水源井成井施工时，应按以下要求：——井管安装前应进行井深校正、配管、通孔、冲孔换浆，选择PVC-U井管作为成井材料时可参照DB41/T597规定的施工要求；——填砾应从井管四周均匀填入，不应只从单一方位填入，滤料填至预定位置后，在进行止水或管外——采用泥浆钻进时应洗井。抽水试验按GB50027—2001中第6章的要求执行。根据抽水试验数据，确定合理的抽水量和井间回灌试验按DZ/T0225—2009中5.5.4的要求执行。7垂直地埋管钻孔施工7.1一般规定7.1.1在进行地埋管钻孔施工前应对施工现场和环境进行实地踏勘，合理配备施工设备和人员，具体包括：——勘测现场施工条件、地下管线及构筑物等情况，钻机、管材等设备器材的进场条件和堆放位置——对照施工图纸对钻孔场地的位置、大小、障碍物等进行核实。7.1.2钻孔施工前应具备地埋管区域工程勘察资料、设计文件和施工图纸，并完成施工组织工作。7.1.3地埋管钻孔施工不能对周围环境及地下水、土壤等造成破坏或污染。7.2钻孔施工要求7.2.1应根据场区的地质条件、岩层的机械物理性质等选择合适的钻进工艺及参数，可参照以下建——黏土、砂土等松散覆盖地层，宜采用泵吸反循环(孔深≤110m)、普通正循环清水或无固相钻井液回转钻进；——基岩地层宜采用空气潜孔锤钻进。7.2.2开钻前需确认钻机安装水平、周正、稳固，动力线、照明线和照明灯具的安装与设置应符合相关安全规定。7.2.3钻进过程中，时刻注意地质条件和地层变化，做好相关记录。7.2.4钻孔孔壁不稳定时，应设护壁套管或者调整冲洗液性能指标。7.3钻孔冲洗介质要求7.3.1钻孔冲洗介质应使用对地下水无污染的材料。7.3.2应根据地质条件、钻进方法、设备条件合理选择钻井液类型，确定合适的钻井液性能。7.3.5常见地层所用钻井液性能见表5。表5各类地层所用钻井液性能地层性质密度(g/cm³)黏度(s)API失水量(mL/30min)含砂量(%)卵砾石层吸水膨胀地层涌水地层7.4U形管下入及固定方式管材、管件运输和储存应符合以下规定：险品存放在一个库房内；——管材在运输时应避免尖硬物件划伤刻痕，沾染污物，管材不能用钢丝绳成捆吊装，不得重压；——管材、管件应存放在通风良好、温度不超过40℃的库房内，工地临时堆放场应有防雨、防晒遮盖7.4.2U形管下入前外观检查U形管下入前应进行检查，外观质量应符合以下要求：——无缺陷；——合模缝交口应平整；——无开裂等。7.4.3垂直地埋管安装垂直地埋管安装应符合以下规定：——下入U形管应在钻孔完钻后及时进行，下管时U形管内宜充满水，带压下管；——下管速度应均匀，防止下管过程中损坏换热管，如果遇到有障碍和不顺畅现象，应及时查明原因，待做好处理后才能继续下管；——换热支管之间应保持一定距离；——U形管应均匀平稳下入，下入过程中确保与地面垂直的地上管段距离不小于1m;——当钻孔深度及孔内地下水(或泥浆)水位较浅时，宜采用人工下管，当下管困难时，可采用机械下管。7.5回填材料投入方式7.5.1应根据钻孔情况、回填材料的不同，选择不同的投入方式，包括人工回填或机械灌浆回填。7.5.2垂直地埋管换热器安装完毕后，应立即向孔内回填材料，直至密实无空腔。7.5.3采用机械灌浆时，应确保灌浆的连续性，自下而上灌浆封孔，确保钻孔灌浆密实无空腔。8工程验收规定8.1地下水源井验收地下水源井验收应包括以下内容：——地下水源井应单独进行验收，应符合GB50296及其他相关规定，或双方另行约定。——地