专利名称：地热回路安装方法
地热回路安装方法背景技术本发明涉及地热热交换系统，具体地，涉及使用声钻安装地热传递回路。 地热热交换系统是环境友好型的、能效高的加热和冷却系统。为此，对以用于商业和住宅建筑的地热热交换系统的需求正在上升。所以需要一种快速高效的方法来安装许多地热热交换系统中使用的地热传递回路。发明内容根据本发明的一个方面，提供了一种钻孔并安装地热传递回路的方法。将钻 孔装置放置于所需位置。所述钻孔装置包括旋转振动装置，用于使空心钻柱旋转 并振动进入地层。所述空心钻柱具有内部空间。通过旋转并振动所述空心钻柱进 入地层，并同时将流体注入所述空心钻柱的内部空间，将孔钻至所需深度。将地 热传递回路向下放入所述空心钻柱的内部空间，然后将所述空心钻柱从地层移 走。该方法包括将灌浆材料注入所述孔中。根据本发明的另一方面，提供了一种钻孔并安装地热传递回路的方法。将钻 孔装置放置于所需位置。所述钻孔装置包括旋转振动装置，用于使空心钻柱旋转 并振动进入地层。所述空心钻柱具有内部空间。通过旋转并振动所述空心钻柱进 入地层，并同时将流体注入所述空心钻柱的内部空间，将孔钻至所述深度。将地 热传递回路向下放入所述空心钻柱的内部空间。所述地热传递回路充有第二流 体，并且该地热传递回路的一部分是竖直的。所述地热传递回路的竖直部分首先 被向下放入。将配重连接至该地热传递回路。在将灌浆材料注入所述空心钻柱内 部空间的同时，振动取出所述空心钻柱。所述地热传递回路与热交换器可操作地 相连接。本发明的优点是，可以更快地和在岩石中钻出带套管的孔，而现有钻机通常 难以钻进岩石中。本发明还有一个优点是，可以更加精确地控制和监测灌浆过程。
本发明的又一个优点是，由于孔是有套管的，消除了螺旋管夹带位于孔侧边 的泥浆的问题，从而可以向下放入设置成螺旋管形式的地热传递回路。
附图中图l为局部剖切的正视图，表示采用根据本发明的方法，钻机进行钻孔； 图2为剖视图，表示采用根据本发明的方法，加压流体将钻屑带到地面。 图3为剖视图，表示采用根据本发明的方法，将地热传递回路向下放入所述孔；图4为剖视图，表示采用根据本发明的方法，钻机在向所述孔灌浆； 图5为正视图，表示采用根据本发明的方法，地热交换回路与热交换器相连接。
具体实施方式
首先参考附图中的图1，其示出了根据本发明优选方式在地层14钻孔12的 方法。钻孔装置20装载在可移动车辆50上。车辆50移动至所需的钻孔位置， 并且钻孔装置20位于所需的钻孔点。钻杆22在第一末端23与钻孔装置20螺纹 连接，并且钻杆22在第二末端24与钻头28螺纹连接。钻杆22是空心的并且两 端23和24都是敞口的。在本例子中，钻头28是与钻杆22同圆心的环状钻头。 钻杆22和钻头28的组合形成了末端敞口的钻柱30。钻柱30围成了空腔或内部 空间35。钻孔装置20为声钻之类的旋转振动装置。在本技术领域中声钻是已知的， 因此本文不再作更详细的说明。在本人以前的5027908号美国专利以及5409070 号美国专利中描述了声钻的例子，上述美国专利通过引用并入本文。所述钻孔装 置使钻柱30旋转并振动进入地层14。软管42将加压流体泵装置40与所述钻孔 装置液压连接。在钻孔过程中，加压流体由加压流体装置或泵40经软管42泵出， 经过钻孔装置20，并且如箭头44所示进入钻柱30的内部空间35。在本发明方 法的这个例子中，所述加压流体为水，也可使用添加了诸如聚合物或粘土之类成 分的水。所述流体的压力范围为100 5000psi，优选的压力范围为500 2000psi。 在否则会阻挡加压流体流出钻头28的地层条件下，这样的压力有利于加快钻孔 速度。流体柱37填充内部空间35，起到钻柱30内的堵头的作用，以阻碍地层物料 进入内部空间35。软管42的直径小于内部空间35的直径，从而防止所述加压流 体由于当所述加压流体在孔12内冲击地层14时产生的高的压力峰，而被倒压通 过软管。振动的钻柱30使所述流体柱中的压力以与所述钻柱振动相同的频率振 荡。因此，所述压力峰使所述流体柱起到类似水锤的作用，从而增加了额外的钻 力。至少向内部空间35泵入足以形成阻挡地层物料进入该内部空间35的流体柱 的加压流体。然而，如图2所示，也可以向内部空间35泵入更多的加压流体， 以将钻屑从所述钻柱和孔之间的环状空间13向上夹带到地面15。箭头44表示加 压流体通过钻柱30的内部空间35进入地层14的流动方向。如箭头45和46所 示，过剩的加压流体被下推并绕过钻头28，并从环状空间13往上被推向地面。 所述加压流体夹带着钻屑沿环状空间13向上移动到地面15，如箭头47和48所 示，所述加压流体和钻屑从孔12排出。随着所述孔的深度的增加，可以顺次在钻柱30上加入附加钻杆(未示出)。 各附加钻杆具有第一端和第二端。所述附加钻杆是空心的，两端均敞口。所述附 加钻杆的第一端与钻孔装置20螺纹连接，且所述附加钻杆的第二端与钻柱30螺 纹连接。然后所述附加钻杆可被旋转并振动进入地层，从而增加钻柱30的长度 和孔12的深度。所述附加钻杆可手动添加或通过自动钻杆操作装置添加。如图3 所示， 一旦孔12钻至所需深度，就断开钻柱30与钻孔装置20的连接，留下由 钻柱30包壳着的孔12。如箭头44所示，将地热传递回路70通过钻柱30的内部 空间35向下放入孔12。但是应注意，在本方法的其它例子中，可以在将地热传 递回路70向下放入孔12前取出钻柱30。在向下放入孔12前，所述地热传递回路内最好充有流体。本发明方法的这 个例子中，地热传递回路为高密度聚乙烯管，并充有水。流体增加了地热传递回 路70的重量，以防止地热传递回路70在可能留存于钻柱30内部空间35内的流 体柱中散架。还可在地热传递回路70中连接配重75以有助于使地热传递回路70 向下放入孔12。地热传递回路70的引导部71可以是竖直的，以帮助地热传递回 路70在灌浆以及收回钻柱30期间能保持于孔12的底部。在本发明方法的这个 例子中，配重75是长条状的钢筋，其通过绑在所述钢筋和地热传递回路上的线 76与地热传递回路70的引导部71相连接。所述钢筋起到作为配重以及使地热传 递回路70的引导部71保持竖直的构件的双重作用。 一旦地热回路70被完全向 下放入，从孔12取走所述钻柱，并向所述孔灌浆。孔12的灌浆可以在钻柱30 仍保留在地层14时或钻柱30已从地层取出后进行。在本发明方法的这个例子中，如图4所示，用导管法(tremie line method) 完成灌浆。将软导管80向下放入孔12。该软导管包括位于第一端的钢管部分82 和位于第二端的软管部分81，钢管部分82是向下放入孔12的导管80的引导端。 泵86将热传导灌浆材料120从储液器88沿所述软导管80泵至孔12的底部。灌 浆材料120包围着地热传递回路70。随着从底部向上填充孔12，软导管巻盘87 将软导管80从孔12拉出，以使软导管80的引导端维持在灌浆材料120下。连 续进行这个过程，直至孔12被灌浆材料120填满并且地热传递回路70位于地面 15下方的部分被灌浆材料120包围。在本发明方法的其它例子中，可以通过压力灌浆法完成灌浆。通过使灌浆导 管连接到钻柱30的顶部或者可使灌浆导管连接所述钻头上的旋转接头，可以完 成压力灌浆。从底层移除钻柱30的同时将灌浆材料泵入钻柱30的内部空间35 中。 一旦该包壳被取走，灌浆至将孔灌满。在有些情况下，例如在淤泥或沙质土 壤中，不需要灌浆，在所述钻柱被取走时淤泥或沙质土壤会倒塌在所述地热回路 周围。如图5所示， 一旦通过导管法或压力灌浆法完成灌浆后，就可将地热传递回 路70与热交换器100可操作地连接。也可在地面下将地热传递回路70以串联方 式与地面下的附加地热传递回路可操作地连接。然后将串联的地热传递回路与共 用热交换器连接。本领域的技术人员应理解，前文提供的许多细节仅仅是举例，且能在不脱离 以下权利要求书设定的本发明范围的情况下进行变动或省略。
权利要求
1.一种在地层中钻孔并安装地热传递回路的方法，所述方法包括将钻孔装置放置于所需位置，所述钻孔装置包括旋转振动装置，用于使空心钻柱旋转并振动进入地层，所述空心钻柱具有内部空间；通过使所述空心钻柱旋转并振动进入地层、并将第一流体注入所述空心钻柱的内部空间，将所述孔钻至所需深度；将所述孔钻至所需深度后，将所述地热传递回路向下放入所述空心钻柱的内部空间；并且将所述空心钻柱从地层移走。
2. 如权利要求1所述的方法，还包括在将所述地热传递回路向下放入所述空 心钻柱的内部空间后，将灌浆材料注入所述孔。
3. 如权利要求1所述的方法，还包括在把所述地热传递回路向下放入所述空 心钻柱的内部空间后，将灌浆材料注入所述孔的同时，使所述空心钻柱振动 出地层。
4. 如权利要求1所述的方法，还包括在将所述地热传递回路向下放入所述空 心钻柱的内部空间前，用第二流体填充该地热传递回路。
5. 如权利要求1所述的方法，还包括在将所述地热传递回路向下放入所述空 心钻柱的内部空间前，将配重连接于该地热传递回路。
6. 如权利要求1所述的方法，还包括使所述地热传递回路的一部分竖直，并 使所述地热传递回路的该竖直部分首先向下放。
7. 如权利要求1所述的方法，还包括将所述地热传递回路与热交换器可操作 地连接。
8. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述空心钻柱包括钻杆和钻头，所 述钻头为环形钻头，向所述钻柱的内部空间注入足够的第一流体以保持所述 内部空间内没有碎屑。
9. 如权利要求1所述方法，其特征在于，所述空心钻柱包括钻杆和钻头，所述钻头为环形钻头，向所述钻柱的内部空间注入足够的第一流体以将碎屑沿所 述空心钻柱的外侧向上夹带到地面或将所述碎屑推进地层。
10. —种钻孔并安装地热传递回路的方法，所述方法包括将钻孔装置放置于所需位置，所述钻孔装置包括旋转振动装置，用于使 所述空心钻柱旋转并振动进入地层，所述空心钻柱具有内部空间；通过使所述空心钻柱旋转并振动进入地层、并将第一流体注入所述空心 钻柱的内部空间，将所述孔钻至所需深度；使所述地热传递回路的一部分竖直；将所述孔钻至所需深度后，将所述地热传递回路向下放入所述空心钻柱 的内部空间，所述地热传递回路充有第二流体，所述地热传递回路的该竖直 部分被首先向下放，所述地热传递回路连接有配重；在把灌浆材料注入所述空心钻柱的内部空间的同时，使所述空心钻柱振 动出地层；并且将所述地热传递回路与热交换器可操作地连接。
11. 一种钻孔并安装地热传递回路的方法，所述方法包括将钻孔装置放置于所需位置，所述钻孔装置包括旋转振动装置，用于使 空心钻柱旋转并振动进入地层，所述空心钻柱具有内部空间；通过使所述空心钻柱旋转并振动进入地层、并将流体注入所述空心钻柱 的内部空间，将所述孔钻至所需深度；将所述孔钻至所需深度后，将所述地热传递回路向下放入所述空心钻柱 的内部空间；将灌浆材料注入所述空心钻柱的内部空间；并且 将所述地热传递回路与热交换器可操作地连接。
12. —种钻孔并安装地热传递回路的系统，所述系统包括钻孔装置，其包括用于使空心钻柱旋转并振动进入地层的旋转振动装 置，所述空心钻柱具有内部空间；流体注入装置，用于将流体注入所述空心钻柱的内部空间； 地热传递回路，用于向下放入所述空心钻柱的内部空间；灌浆装置，用于注入灌浆材料以包围所述地热传递回路。
13. 如权利要求12所述的系统，其特征在于，所述流体注入装置和所述钻孔装 置同时运行。
14. 如权利要求12所述的系统，其特征在于，所述流体注入装置由软管连接至所述钻孔装置。
15. 如权利要求14所述的系统，其特征在于，所述软管有一截面积，所述空心 钻柱的内部空间有一截面积，所述软管的截面积小于所述空心钻柱的内部空 间的截面积。
16. 如权利要求12所述的系统，其特征在于，所述灌浆装置和所述钻孔装置同 时运行。
17. 如权利要求12所述的系统，其特征在于，所述空心钻柱包括钻杆和钻头。
18. 如权利要求12所述的系统，其特征在于，所述钻杆具有第一端和第二端， 所述钻杆是空心的，并且所述钻杆在所述第一端和第二端是敞口的。
19. 如权利要求17所述的系统，其特征在于，所述钻头为环形钻头。
20. 如权利要求17所述的系统，其特征在于，所述钻头与钻杆是同圆心的。
全文摘要
根据本发明的一个方面，提供了一种用于在地层中钻孔并安装地热传输回路的方法。将钻孔装置放置于所需位置。所述钻孔装置包括如声钻之类的旋转振动装置，用于使空心钻柱旋转并振动进入地层。所述空心钻柱具有内部空间。通过旋转并振动所述空心钻柱进入地层，并将流体注入所述空心钻柱的内部空间，将孔钻至所需深度。将地热传递回路向下放入所述空心钻柱的内部空间，然后将所述空心钻柱从地层移走。该方法可包括将灌浆材料注入所述孔中。
文档编号E21B7/24GK101163848SQ200680013774
公开日2008年4月16日 申请日期2006年2月17日 优先权日2005年2月28日
发明者雷蒙德·J·鲁西 申请人:雷蒙德·J·鲁西;株式会社东亚利根钻探