中文摘要：

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。

结论摘要：

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。