地源热泵地埋管换热系统的井壁边界条件对地层热物性影响规律的研究

地埋管换热系统的地下空间是通过钻井方法完成的。在常规回转切削钻井过程中，在井壁一定尺度范围内，地层的原状结构遭到破坏，地下水的渗透性被改变，地应力得以释放，使井周地层热物性发生变化，产生了因施工方法导致的附加热阻带，降低了热交换效果。但在国内外所有的地埋管换热器设计理论和设计软件中，均未意识到这一问题的存在。而这一问题应该是影响换热效果的重要因素。本课题的研究目标就是在常规钻井条件下，井壁条件对地层热物性的影响机理及影响程度。在此基础上，建立挤密钻井条件下的井壁传热模型，定量分析井壁边界变化对地埋管换热系统换热效率的影响。研究导热系数与压应力、空隙度的变化关系。通过非线性有限元数值模拟，研究不同压应力与振动参数对地层热物性的影响。开展挤密钻井试验，研究钻井工艺参数与井周条件的关系，为地埋管换热系统的科学设计，在井壁条件的描述、模型的建立、改善井壁条件的方法等方面，提供基础性、规律性认识。

在国内外关于地埋管换热器的研究中，通常对所建立的传热模型以地埋管的井壁为界，将传热空间划分为井壁以外的岩土区和井壁以内的换热器区两部分。将井壁视为圆柱体的内壁，井壁的作用只是一个几何分界线。.地埋管换热器所处的地下空间，是通过钻井完成的。井壁是地层在受到外力作用后形成的不规则地下空间临界面。井壁的边界条件是指在外力作用下，地下空间临界面的径向尺度变化和地层密度变化的状态。而这种状态直接影响地层热物性的变化。.本项目是从钻井力学的角度，研究井壁的尺度与密度变化对地层传热效果的影响。其科学意义在于建立一个新的传热区划分模型，即将传热区划分为井壁以外的岩土区、井壁区和地埋管换热区三部分，并将井壁区作为传热的研究对象。.在钻井力学中，地层所受的外力可分为静压回转切削力、静压回转侧向挤压力和冲击回转侧向挤压力。与其相对应的钻井方法分别为常规回转、挤密和冲击挤密钻进。.挤密钻进的理论基础是土具有压缩性和击实性。通过选取典型土样，经压缩和击实试验，得出土样的导热系数随压应力的增加而增大、随密度的增加而增大、随孔隙比的降低而增大等关系。.根据试验数据，利用数值分析方法，对受压后的土体进行模拟，结果表明井壁在侧向压应力的作用下，井壁区导热系数的最大模拟值可增加10%，且沿井壁径向呈指数关系变化，说明井壁的边界条件对地层的热物性有影响。.选取典型的砂土和粘性土，在实验平台模拟钻井试验，发现挤密钻进侧向压力的作用范围可达井径的2-3倍，且侧向应力的大小与钻头的结构有关。.根据模拟钻进的结果，选取5种不同直径、不同结构形式的钻头，分别用常规回转、一次挤密、二次挤密等钻进方法，进行了5口井的实钻试验。成井后又分别进行了井径、密度、电阻率、声速、自然伽马等5参量的地球物理测井，得出了在不同外力作用下的井壁尺度和井壁密度的变化关系。结果表明，在一次挤密条件下，可以得到较好的井壁尺度变化状态；在二次挤密条件下，塑性地层的井壁密度呈稳定增加，处于热阻降低的状态，有利于地埋管换热器的强化传热。