不同测试深度的现场热响应试验孔成孔下管结构及方法

摘要

本发明涉及浅层低温能评价用埋管结构技术领域，尤其涉及一种不同测试深度的现场热响应试验孔成孔下管结构及方法。该现场热响应试验孔成孔下管结构包括：单孔地质钻孔，深度不大于200m；两组竖向平行间隔设置的管路，两组管路长度不等；各组管路的进水口和出水口伸出单孔地质钻孔上的地面设置。该现场热响应试验孔成孔下管结构利用单孔进行测试，设计不同的管长度和连通结构，最大程度避免了目前现场热响应试验前期工作对不同位置热响应试验孔的影响，减少不同位置试验孔传热情况因外在条件区别带来的干扰，更有利于研究不同深度传热，提升现场不同深度热响应试验结果的可参考性和准确性。

说明书

技术领域

本发明涉及浅层低温能评价用埋管结构技术领域，尤其涉及一种不同测试深度的现场热响应试验孔成孔下管结构及方法。

背景技术

《浅层地温能评价规范》说明：浅层地温能是指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热能。对于土壤源地源热泵系统来说，浅层地温能工程应用深度一般在100m，有时深约120m。

在相对有限的地域内，增加垂直埋管深度可提高土地或能量资源利用率。对于同样一块面积的区域，增加深度就是增加了换热(蓄热)体的体积，增大了可利用的换热功率。但是对于一口换热井而言，增加深度并不意味着每米的换热量都是相同的。原因在于受到各种因素影响，如换热管直径、介质(水)流速、管距、回填材料性能等，这些因素的作用之间也是相互关联的。

目前可以通过建立数学传热模型，研究影响单位延米数换热效果的各种因素，在一定条件下求解最优化换热深度，并分析经济合理性和资源利用合理性。通过对实际的现场不同深度的热响应试验，验证与理论分析的一致程度，并可与室内试验的热物性参数进行比对。在现场热响应试验前期工作中，如地质钻孔(热响应试验孔)的成孔，换热管的下入、孔壁间隙的回填，地层在水平向的变化等，使不同位置的热响应试验孔的物理结构可能有一定变化，其传热情况也有区别，给研究不同深度传热带来干扰。

发明内容

本发明提供了一种不同测试深度的现场热响应试验孔成孔下管结构及方法，利用单孔进行测试，设计不同的管长度和连通结构，最大程度避免了目前现场热响应试验前期工作对不同位置热响应试验孔的影响，减少不同位置试验孔传热情况因外在条件区别带来的干扰，更有利于研究不同深度传热，提升现场不同深度热响应试验结果的可参考性和准确性，解决了现有技术中存在的问题。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案之一是：

一种不同测试深度的现场热响应试验孔成孔下管结构，包括：

单孔地质钻孔，深度不大于200m；

两组竖向平行间隔设置的管路，两组管路长度不等；各组管路的进水口和出水口伸出单孔地质钻孔上的地面设置。

进一步地，所述单孔地质钻孔深度为200m；所述管路为U型换热PE管。

进一步地，在两组管路之间、各管路的进水段和出水段之间均设置管卡，管卡用于维持稳定的管间距。

进一步地，所述管路包括第一管路和第二管路，第一管路在所述单孔地质钻孔内高于第二管路设置。

进一步地，第一管路在单孔地质钻孔内深度为100m；第二管路在单孔地质钻孔内深度为200m。

进一步地，在第一管路和第二管路上均设置两方向相反的第一单向阀和第二单向阀，第一单向阀和第二单向阀在各管路上上、下间隔设置；设于第二管路上的单向阀均低于第一管路上的单向阀设置。

进一步的，第一管路设于单孔地质钻孔100m深度，第二管路设于单孔地质钻孔200m深度；第一管路上的第一单向阀对应单孔地质钻孔50m深度设置，第一管路上的第二单向阀对应单孔地质钻孔100m深度设置；第二管路上的第一单向阀对应单孔地质钻孔150m深度设置，第二管路上的第二单向阀对应单孔地质钻孔200m深度设置。

进一步地，上述单向阀经三通设于所述第一管路、第二管路上。

进一步地，在第一管路的进水段和第二管路的出水段之间还设置第三单向阀，在第一管路的出水段和第二管路的进水段之间还设置第四单向阀。

本发明所采用的技术方案之二是：

一种不同测试深度的现场热响应试验孔成孔下管结构，包括：

单孔地质钻孔，深度不大于200m；

两组竖向平行间隔设置的管路，两组管路长度相等；各组管路的进水口和出水口伸出单孔地质钻孔上的地面设置；所述管路包括第一管路和第二管路，在第一管路和第二管路的底端分别设置第五单向阀和第六单向阀，第五单向阀和第六单向阀同向；在第一管路和第二管路之间的一侧上、下间隔设置反向设置的第七单向阀和第八单向阀，在第一管路和第二管路之间的另一侧设置上、下间隔设置反向设置的第九单向阀和第十单向阀。

本发明所采用的技术方案之三是：

一种不同测试深度的现场热响应试验孔成孔下管方法，包括如下操作步骤：

将不等长的两套U型换热PE管下入深度至大200m的单孔地质钻孔内，并保持合理的管间距，以此进行同一钻孔不同深度的热响应测试。

进一步地，不同测试深度的现场热响应试验孔成孔下管方法，在所述两换热PE管上分别设置方向相反的单向阀；所述单向阀包括设于各换热PE管上上、下间隔设置的第一单向阀和第二单向阀，第一单向阀和第二单向阀开启方向相反，用于控制水流方向，在下管回填后，通过改变测试仪器进水、出水接口，进行多个不同测试深度的热响应测试。

进一步地，不同测试深度的现场热响应试验孔成孔下管方法，在一换热PE管的进水段和另一换热PE管的出水段之间设置第三单向阀、在一换热PE管的出水段和另一换热PE管的进水段之间设置第四单向阀；第三单向阀和第四单向阀的开启方向同第二单向阀；通过以上单向阀的设置，实现单孔内不同深度的单U和双U测试。

本发明所采用的技术方案之四是：

一种不同测试深度的现场热响应试验孔成孔下管方法，包括如下操作步骤：

将等长的两套U型换热PE管下入深度不大于200m的单孔地质钻孔内，并保持合理的管间距，以此进行同一钻孔不同深度的热响应测试；

在上述两换热PE管的底端分别设置同向开启的第五单向阀和第六单向阀，在一管路和另一管路之间的一侧上、下间隔设置反向设置的第七单向阀和第八单向阀，在一管路和另一管路之间的另一侧设置上、下间隔设置反向设置的第九单向阀和第十单向阀；通过以上单向阀的设置，实现单孔内不同深度的单U和双U测试。

进一步地，上述方法还包括在地面连接完成后，在下入单孔地质钻孔前，做好管路出口标记的步骤。

进一步地，上述方法对于不同深度的热响应测试包括：将不同深度回路的接头区接入测试仪，在通水排气后静置10-20min，开启无功循环，设定以2-5S间隔记录回水温度，然后静置5-10min后进行另外接头方向的无功循环，并分别记录回水温度。

本发明的有益效果：

本发明的不同测试深度的现场热响应试验孔成孔下管结构和方法可满足浅层低温能调查的技术要求，相对减少了钻探工作量，节约了换热管材。由于单孔下管，设计不同的管长度和连通结构，最大程度避免了目前现场热响应试验前期工作对不同位置热响应试验孔的影响，减少不同位置试验孔传热情况因外在条件区别带来的干扰，更有利于研究不同深度传热，提升现场不同深度热响应试验结果的可参考性和准确性。

附图说明

图1为本发明实施例1的结构示意图；

图2为本发明实施例2的结构示意图；

图3为图2中A部管路与单向阀连接结构示意图；

图4为本发明实施例3的结构示意图；

图5为本发明实施例4的结构示意图；

图6为本发明不同深度回路的测试结果图。

其中，1单孔地质钻孔、2第一管路、3第二管路、4管卡、5第一单向阀、6第二单向阀、7三通、8第三单向阀、9第四单向阀、10第五单向阀、11第六单向阀、12第七单向阀、13第八单向阀、14第九单向阀、15第十单向阀；

图中，①②③④对应区别不同进、出水口的管路段；图中虚线为孔深间隔线。

具体实施方式

为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，结合附图,对本发明进行详细阐述。

实施例1

如图1所示,该不同测试深度的现场热响应试验孔成孔下管结构包括深度200m的单孔地质钻孔1；在单孔地质钻孔1内设置两组竖向平行间隔设置的第一管路2和第二管路3；第一管路在单孔地质钻孔内深度为100m；第二管路在单孔地质钻孔内深度为200m；各组管路的进水口和出水口伸出单孔地质钻孔上的地面设置。

上述管路为U型换热PE管。

在两组管路之间、各管路的进水段和出水段之间均设置管卡4，管卡用于维持稳定的管间距。

通过在单孔地质钻孔1内同时设置两深度不同的U型换热PE管，可实现同一钻孔内分别进行100m、200m深度的热响应测试；相较对不同深度开挖两孔分别下管，可以尽可能消除地质钻孔(热响应试验孔)的成孔、换热管的下入、孔壁间隙的回填、地层在水平向的变化等现场热响应试验前期工作对不同位置热响应试验孔的影响，减少不同位置试验孔传热情况因外在条件区别带来的干扰，提升现场不同深度热响应试验结果的可参考性和准确性。而通过具体热响应试验结果的测定，该结构设置相比现有成孔、下管的方式，能够更接近理论分析、获得最优化换热深度，最大程度排除了实际现场工作的干扰，保证试验结果的准确性。

实施例2

如图2-3所示，该不同测试深度的现场热响应试验孔成孔下管结构包括深度200m的单孔地质钻孔1；在单孔地质钻孔1内设置两组竖向平行间隔设置的第一管路2和第二管路3；第一管路在单孔地质钻孔内深度为100m；第二管路在单孔地质钻孔内深度为200m；各组管路的进水口和出水口伸出单孔地质钻孔上的地面设置。上述管路为U型换热PE管。在两组管路之间、各管路的进水段和出水段之间均设置管卡4，管卡用于维持稳定的管间距。

第一管路2和第二管路3上均设置两方向相反的第一单向阀5和第二单向阀6；设于第二管路上的单向阀均低于第一管路上的单向阀设置。第一管路上的第一单向阀对应单孔地质钻孔50m深度设置，第一管路上的第二单向阀对应单孔地质钻孔100m深度设置；第二管路上的第一单向阀对应单孔地质钻孔150m深度设置，第二管路上的第二单向阀对应单孔地质钻孔200m深度设置。

上述单向阀经三通7设于所述第一管路、第二管路上。

上述下管结构的设置，在实施例1结构上增加了4只单向阀以控制水流方向，在下管回填后，只需要通过改变测试仪器的进水、出水的接口，就可以达到最小干扰因素下增加不同测试深度的目的。实现了单孔内多种深度热响应试验的快速测定。

以该实施例1的下管结构为例，接口变化与测试深度对应如下表1。

表1

实施例3

如图4所示，该不同测试深度的现场热响应试验孔成孔下管结构包括深度200m的单孔地质钻孔1；在单孔地质钻孔1内设置两组竖向平行间隔设置的第一管路2和第二管路3；第一管路在单孔地质钻孔内深度为100m；第二管路在单孔地质钻孔内深度为200m；各组管路的进水口和出水口伸出单孔地质钻孔上的地面设置。上述管路为U型换热PE管。在两组管路之间、各管路的进水段和出水段之间均设置管卡4，管卡用于维持稳定的管间距。

第一管路2和第二管路3上均设置两方向相反的第一单向阀5和第二单向阀6；设于第二管路上的单向阀均低于第一管路上的单向阀设置。第一管路上的第一单向阀对应单孔地质钻孔50m深度设置，第一管路上的第二单向阀对应单孔地质钻孔100m深度设置；第二管路上的第一单向阀对应单孔地质钻孔150m深度设置，第二管路上的第二单向阀对应单孔地质钻孔200m深度设置。

上述单向阀经三通7设于所述第一管路、第二管路上。

在第一管路2的进水段和第二管路3的出水段之间还设置第三单向阀8，在第一管路的出水段和第二管路的进水段之间还设置第四单向阀9。

该下管结构在实施例2的基础上增加2只单向阀，可以达到测试双U管路的目的，尤其可以增加100m双U测试。

以该实施例的下管结构为例，接口变化与测试深度如下表2。

表2

在进行单U测试时，需要对其他2不适用的接口进行暂时封堵，以防止水流溢出，由于第一、第二管路与第三、第四管路之间的2个单向阀均为同向，所以不会产生水流串通现象；进行双U测试时，由于①、②和③、④对应的管路段各自的单向阀两侧的压力相同，也不会产生水流串通。

实施例4

如图5所示，该不同测试深度的现场热响应试验孔成孔下管结构包括深度200m的单孔地质钻孔1，在单孔地质钻孔1内设置两组前、后竖向平行间隔设置的第一管路2和第二管路3，两组管路长度相等；各组管路的进水口和出水口伸出单孔地质钻孔上的地面设置。

在第一、第二管路底端分别设置同向开启的第五单向阀10和第六单向阀11；在第一管路和第二管路之间左侧上、下间隔并反向设置的第七单向阀12和第八单向阀13，在第一管路和第二管路之间的右侧设置上、下间隔并反向设置的第九单向阀14和第十单向阀15。其中第五、第六单向阀和第十单向阀在第一、第二管路的底端均对应200m深度设置。

该实施例的下管结构相比实施例3的下管结构，还增加了200m深度的双U测试。测试方式同实施例3的测试方法。

本发明上述各实施例的下管结构及连接方式中，均存在单U管路与另一管路重叠的部分，根据数值计算与理论分析表明，对于另一管路替代的原有孔内回填材料产生的传热区别较小，对钻孔热阻计算存在2-5％的误差，但对周边岩土体的综合热物性参数计算基本没有影响。

上述各实施例的下管结构，在地面连接完成后，下入单孔地质钻孔1前需做好管路出口标记，以便于区分。如果下管后标记遗失，可采用的措施为进行单管通水或加压，在实施例3和实施例4的下管结构中，任一单管通水或加压后，存在两种情况：一、其余3管段均通水或有压力变化；二、只有一根管水或有压力变化。可以利用这种方式快速区分①、②和③、④管路段。

对于上述各实施例的下管结构，对不同深度回路的接头区分可接入测试仪进行测试，在通水排气后静置10-20min，开启无功循环，设定以2-5s间隔记录回水温度，然后静置5-10min后进行另外接头方向的无功循环，并分别记录回水温度。4种不同深度回路的测试结果如图6所示，图6中纵坐标为回水温度，横坐标为采样时间所对应相应深度。由于地温梯度存在，使得不同深度循环管路的上返回水温度产生不同的变化，一般温度极大值出现在对应深度位置的左侧位置，就可以对不同循环深度进行分辨；利于研究不同深度传热。

上述不同深度的现场热响应试验孔成孔下管结构和方法可完全满足浅层地温能调查的技术要求，并且相对减少了钻探工作量，节约了换热管材，提升现场不同深度热响应试验结果的可参考性和准确性。

上述具体实施方式不能作为对本发明保护范围的限制，对于本技术领域的技术人员来说，对本发明实施方式所做出的任何替代改进或变换均落在本发明的保护范围内。

本发明未详述之处，均为本技术领域技术人员的公知技术。