(57)【要約】【課題】地熱交換器を建設する方法を提供すること。【解決手段】地熱交換器を建設するための方法であって、（１）チューブラー２８を用いて地中にボアホールを掘削するステップと、（２）前記チューブラー２８を振動させるステップと、（３）前記ボアホール（３４）内にヒートループ（５０）を挿入するステップと、を備えることを特徴とする方法。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
地熱交換器を建設するための方法であって、
（１）チューブラーを用いて、地中にボアホールを掘削するステップと、
（２）前記チューブラーを振動させるステップと、
（３）前記ボアホール内にヒートループを設置するステップと、
を備えることを特徴とする方法。
【請求項２】
前記振動ステップは掘削の間に行われることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記振動ステップは、前記設置ステップの一部として行われることを特徴とする請求項１または２記載の方法。
【請求項４】
前記掘削を支援するために、前記チューブラーを回転させるステップを更に含むことを特徴とする請求項１または２または３記載の方法。
【請求項５】
前記掘削によって移動された物質を、前記ボアホールの表面と前記チューブラーストリングの外表面によって規定される環状部分へ、および／または前記ボアホール周辺の構造へと促すために、ポンプで掘削流体を前記チューブラーに注入するステップを更に含むことを特徴とする請求項１または、２または、３または４記載の方法。
【請求項６】
チューブラーストリングを形成するように前記チューブラーに一本以上のチューブラーを追加しながら、前記ボアホールを求められた深さまで掘削することによって、前記ボアホールをケーシングするステップを更に含むことを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の方法。
【請求項７】
前記ステップ（３）は、前記チューブラーストリングが前記ボアホールから回収される前またはその間に行われることを特徴とする請求項６記載の方法。
【請求項８】
前記ステップ（３）は、前記ヒートループを前記チューブラーストリングの内部に挿入するステップと、前記ヒートループを前記ボアホールの底部へと促すステップと、から成ることを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載の方法。
【請求項９】
前記挿入ステップの前に、前記ヒートループを流体で満たすステップを更に含むことを特徴とする請求項８記載の方法。
【請求項１０】
前記ステップ（３）は前記ボアホール内に前記ヒートループをグラウトするステップを含むことを特徴とする請求項１乃至請求項９記載の方法。
【請求項１１】
前記振動ステップは、音波ドリルヘッドで前記チューブラーを振動させることによって行われ、これにより前記チューブラーが実質的にそれ自身の縦軸方向に平行な方向に振動させられることを特徴とする請求項１乃至請求項１０のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１２】
前記振動の周波数は、おおよそ３０Ｈｚから１５０Ｈｚの間であることを特徴とする請求項１１記載の方法。
【請求項１３】
前記掘削ステップは、切削面を備える実質的に環状のボディーを備えるドリルビットを用いるステップを含むことを特徴とする請求項１乃至請求項１２の何れか１項に記載の方法。
【請求項１４】
前記ボディーは前記チューブラーの外径よりも大きな外径を備えることを特徴とする請求項１３記載の方法。
【請求項１５】
前記ボディーは、前記チューブラーの内径と実質的に等しい内径を備えることを特徴とする請求項１３又は請求項１４記載の方法。
【請求項１６】
前記チューブラーまたはチューブラーストリング内に掘削手段を挿入するステップと、
前記掘削手段を前記ボアホールの底に移動させるステップと、
前記ボアホールを掘り進めるステップと、
を含むことを特徴とする請求項１乃至請求項１５のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１７】
複数の地熱交換器を同じ場所に設置するために、前記ステップ（１）から（３）を繰り返すステップを更に備えることを特徴とする請求項１乃至請求項１６のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１８】
前記ヒートループまたは各ヒートループを、熱交換流体を循環させているマニフォールドに接続するステップを更に含むことを特徴とする請求項１乃至請求項１７のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１９】
ボアホール内のヒートループ周辺のグラウトを凝固させるための方法であって、グラウトを振動手段を用いて振動させるステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項２０】
前記振動手段は、チューブラーまたはチューブラーストリングを備えることを特徴とする請求項１９記載の方法。
【請求項２１】
前記ヒートループを前記ボアホール内にグラウトするのに先立って、前記チューブラーまたはチューブラーストリングを前記ボアホールに挿入するステップを更に含むことを特徴とする請求項２０記載の方法。
【請求項２２】
前記チューブラーまたはチューブラーストリングで前記ボアホールを掘削するステップを更に含むことを特徴とする請求項１９、２０、または２１記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、地熱交換器の構成方法、および、ボアホール内のヒートループの周りのグラウト材の圧縮方法に関わる。
【背景技術】
【０００２】
地熱交換器は、地面を熱源またはヒート・シンクとして用いる。地中に埋設されたパイプを流れる熱交換流体によって、熱が流体に出入りする。例えば、熱交換流体は建物内の空間を暖めたり、冷やしたりするのに用いられる。
【０００３】
しばしば、地熱ポンプ（ＧＨＰ）または地熱交換システムのエネルギー効率は、例えば空気源ヒートポンプ、ボイラ、冷却装置、炉、冷却塔などの従来の暖房・換気・空調設備（ＨＶＡＣ）よりも優れている場合がある。多くの場合、地熱ポンプは、従来のＨＶＡＣシステムが同一の空間を暖めたり、冷やしたりするのに必要なエネルギーの約半分のエネルギーを節約しうる。
【０００４】
このエネルギー効率の良いＧＨＰ暖房／冷房技術がより広く使われなかった理由の一つは、通常初期設備費用が従来のＨＶＡＣシステムよりも高い、ということである。多くの場合、地中に１台以上の交換器を構築するのに、ＧＨＰシステムの初期費用のうち５０％以上かかりうる。ＧＨＰ技術を用いて空間を暖め／冷やすことで金銭的に節約が可能であるにもかかわらず、初期費用を回収するには数年かかりうる。したがって、ＧＨＰ技術がより広く検討されかつ選ばれるためには、設置費用を最小限にすることが望まれる。
【０００５】
地熱交換器の建設には、ボアホール（試錐孔）を地面に開けること、およびその中にヒートループを設置することが含まれる。ヒートループは、周囲の地中からまたは地中への効率のよい熱移動のために、適所に熱伝導媒体でグラウトされる。しかしながら、通常地質条件は困難であり、穴を開ける費用、及び完成費用は劇的に増加し、地熱ポンプシステムは高額に設定されうる。
【０００６】
一般的には、ボアホールは、約４６ｍから１５３ｍ（１５０〜５００フィート）の深さが掘られ、小さな直径（通常０．０２〜０．０３ｍ（０．７５〜１．２５インチ））のポリエチレン製のパイプループが該ボアホール内に挿入され、該ループは適所にグラウトされる。溝が該複数のボアホール間に掘られ、地中ループ端は共通ヘッダーに平行に接続された後、ヒートポンプに接続される。水がこの閉ループシステムを循環し、ヒートポンプの要求にしたがって、熱が地中から吸収または地中に放出される。いわゆる“直接熱交換”ポンプ技術が用いられる場合、銅の冷却線は地中に直接設置される場合が多く、第２の水冷却による熱交換の代わりに直接熱交換が行われる。より広く使用されている“水源”ヒートポンプ技術システムも、直接熱交換技術も、ともに使用可能である。いずれのシステムも穴を開ける点および地熱交換器についての問題を解決しなければならないという点において類似している。
【０００７】
小さな校舎のための、一般的な地熱交換器は、それぞれがおよそ９１ｍ（３００フィート）の深さの穴を約１００ケ開けることが必要であるが、大きな校舎はそのような穴が約１０００必要である。高い掘進率と安定生産は地熱交換器の費用を低く抑えるために求められる。地熱交換器を構築するために用いられるある種の掘削処理は、比較的深い多くの穴を条件とする。接近している穴間の移動と設定及び早い穴掘削速度、及び穴の安定性は決定的に重要な意味を持っている。しかしながら、他の掘削研究分野において用いられる掘削技術は、地熱交換器技術に適していない、または、最適化されていない。例えば、採石場における掘削、地震探査における掘削、及び建設における掘削はすべて比較的小さな地理的スペースに多くの穴を必要とするが、穴は比較的浅く、多くの場合約３０ｍ（１００フィート）くらいの深さである。井戸掘りにおける掘削及び地質調査における掘削においては、穴はより深くなるが、それらは比較的数が少ない。例えばサンプリング、ロギング、ポンプ設定、制御及び監視装置の設定などの付属的な操作における、井戸または環境保護の井戸において掘削される速度は、地熱交換器におけるものよりも重大なものではない。
【０００８】
その上、多くの掘削装置は、通常、一つの特定の種類の構造だけを最適に掘削するように設計されている。砂／粘土／砂利のような非固結形成物は、通常泥回転掘削技術を用いて掘削するのが最もよい。泥回転掘削システムは、二重または三重に泥ポンプを組み込んでいる泥の混合／循環システムを用いる。泥回転掘削システムは、掘削採集物を穴の外に運び、掘った穴が崩壊しないようにする。硬いまたは岩の状態に遭遇すると、掘削進度は著しく減速する。非常に不安定な土壌に遭遇すると、穴の崩壊を防ぐかつ／または“採掘”いわゆる掘削のしすぎが起こるのを防ぐ、ために泥の重量は注意深く調整されなければならない。
【０００９】
一定の泥の調節は、掘削進度をかなり遅らせることが可能である。泥回転方式における生産速度は、ばらつきが大きく、かつ、地質構成およびドリラーの専門的知識によって影響をうける。ドリラーは、掘削泥を濃くする又は少なくする又は重くするタイミングや選択するドリル錐、回転速度、適当な回転時間、泥への添加剤、どれくらの力で引き下ろすか、などを知っている必要がある。これらの変数は、深くなり岩質分布が変化するのと同時に変化する。加えて、難熱伝導性の掘削泥であるベントナイトによって壁を固めたボアホールが接近する領域では、泥掘削は熱的抵抗を著しく増加させる。したがって、さらにあけられるべき穴が求められる。
【００１０】
他の極端な例としては、石灰岩、砂岩、花崗岩などの硬い構成は、圧縮空気を備えた坑内ハンマーで掘るのが最も経済的である。掘削する場所の条件が、大部分が岩であっても、効果的に坑内ハンマーが岩を掘削し始める前に、貫通され、安定化されるべき岩の上面には、層をなしていない表土（例えば、砂、粘土、砂利など）の層がある。表土が非常に柔らかいまたは不安定である場合、穴の表面の一部分は、通常はスチール製で、少なくとも岩までの深さはある、ケーシングパイプで支えられるべきである。表土が安定化されていない場合、岩を掘削するとき、極端な場合、掘削装置の転倒を引き起こすようなときに、穴の上部分を腐食するかまたは掘りつくす。従来の表土掘削と表土安定化の費用は、多くの地熱プロジェクトのコストをひどく高いものにしてきた。
【００１１】
地熱ボアホールを一時的にケーシングに入れさえすればよい。いったん熱交換管が適所に挿入されてグラウトされれば、ケーシングは取り除いてよい。永久的にケーシング中に入れておくことは、高価なだけでなく、熱交換管と地面間の熱転写を妨げることになる。カルーセルまたはカートリッジが掘削管を自動運転する場合でも、三角巾、ロープ及びケーブルを用いて手動でケーシングされる。多くのケーシング操作において、ケーシング管部分は、穴に挿入されるときに溶接され、穴から取り出されるときにトーチで切り離される。さらなる労働を要する物理的にきつい仕事に加えて、重く、不恰好なケーシング管を装着する処理は作業者にとても危険である。表面でケーシング管を取り扱う処理は、通常、フォークリフト、クレーン、クレーンを備えたトラックなどのような、表面機材を更に必要とする。このように、更に機材レンタル料及び人件費がかかる。
【００１２】
ボアホールを、スチールまたは他のケーシングを用いて安定化させることは、ボアホールを完全なものに保障するのに確実な方法であるということは、熟練したドリラーに広く知られていることである。しかし、また同時に、スチールによるケーシングは通常、ボアホールを安定化させる方法として最も高価な方法であり、その高い費用のために、スチールによるケーシングは最後の手段としてのみ用いられる。ケーシングするための標準的な方法は、伝統的な手段でボアホールを掘り、掘削前の穴にケーシングを挿入することである。この方法は、穴がケーシングを十分な深さまで挿入するだけ長く持ちこたえることができるということを仮定している。しかしながら、地質的にとても不安定で、このことがケーシングが挿入される主要な理由である場合、採掘前の穴はケーシングが挿入される前に崩壊しうる。この状態を補償するため、多くの掘削方法や特別な道具が開発されてきた。よく知られたコンセプトの一つは、ケーシングと同時に掘削するものである。穴の掘削と同時にケーシングが進行する。いくつかの従来技術システムにおいては、異なる径の二本組みの管、すなわちドリル管とケーシング管が、一方が他方の管の中を同時に進む。多くの場合、ヘッドが二つの独立した回転ドリルである機構が採用され、それぞれのケーシングと掘削管は反対方向に回転し、それぞれの回転ヘッドは、共通のドリル柱に沿った縦方向の運動から独立することが可能である。ケーシングの中にドリル管を効果的に挿入すること、それらを二つの分離したドリルヘッドに効果的に提供すること、ネジ接続を作成するかつ／または壊す間に異なるサイズの径の管を効果的に固定すること、管とケーシングを独立に上下に動かしている間にそれぞれ反対方向に効果的に回転させること、は複雑な仕事になりうる。その処理は本質的に高価なものである。というのは、装置はとても複雑で、管とケーシングを扱うために更なる労働力と設備が必要であるからである。最初に穴を掘削し、その後でケーシングを設置する方法に比べると、ボーリング生成は、確実で、予測可能で、早い方法であるが、ケーシングなしで掘削するのに比較すると、まだ比較的遅い。
【００１３】
ケーシングを設置する他の従来の方法は、ケーシングハンマーで打って、ケーシングを地中にうめる。いったんケーシングが一定の位置に打たれた後、ケーシング中の地面の土が掘削される。しかしながら、地面とケーシング間の表面摩擦が急速に増加すること、ケーシングの物理的限界、およびハンマーに求められる高いパワー、が原因で、ケーシング駆動は遅くなり、多くの場合、かなり浅い深さまでしか到達することができない。ケーシングはしばしば行き詰まり、かつ／または、破損する。
【００１４】
このように不安定な地質条件があるところに、伝統的な掘削技術で地熱交換器を設置することは実用的ではなく、かつ／または、法外にコストが高くなる。例えば、伝統的な掘削技術を用いて、ほとんどのドリラーは、やわらかい構造において約６ｍ（２０フィート）のケーシングの長さを設定することは可能である。しかしながら、１セクション以上のケーシングが必要である場合（すなわち、やわらかい構造が比較的深い場合）、ボアホールをケーシングすることの困難性は、伝統的な掘削技術で穴を貫通することが不可能なところまで指数関数的に増加する。さらに、たとえ不安点な条件で設置が成功したとしても、構造が崩壊したときに、ドリラーはケーシングを取り出すことができないかもしれない。ケーシング用に地面に掘った穴を取り除くことはとても費用が高く（少なくとも地熱ポンプシステムにおいて）、ヒートループと地面の間の熱移動特性が危うくなるので非常に好ましくない。このように、困難で不安定な土壌条件が存在するので、掘削が不可能かそれとも高価であるにかかわらず、地熱交換器は検討されない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
地熱交換器を建設するための改良された方法が必要であるということは明白である。その方法によって、不安定な地質条件、例えばやわらかい表土のようなところに地熱交換器を取り付けることが可能となる。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明の好適な実施例は出願人の次のような見識に基づいている。すなわち、地熱交換器の建設のために音波掘削技術を応用することは、例えば時間および完成した交換器の動作効率の点からみて、地熱ポンプの建設を改善するのに一体となって作用する予想外の数の利点がある、という見識である。ボアホールを掘削するために音波ドリルを用いると、貫通速度が改良される。これによって、とりわけ、地熱交換システムを完成するためにはしばしば多くのボアホール（例えば１０００個）を掘削し、ヒートループを設置しなければならない場合など、全体の建設時間を節約することができる。掘削の間、掘削用流体をチューブラー（管状体）ストリングに流入することによって、チューブラーの中を実質的に物質のない状態に保つことができる。所望の深さに達すると、ケーシングされたボアホールをチューブラーストリングが提供し、これにより、残りの建設処理が実行される間、穴の崩壊が防止される。このように、ドリルストリングをトリッピングアウトするステップと、ケーシングを挿入するステップとが分離していたのを、１ステップに削減することが可能になる。このように、不安定なボアホールが崩壊する可能性のある時間が短くなる。ケーシングされたボアホールは、その上端と下端で開口している。これにより、グラウトはチューブラーの内部を通ってボアホールの中にポンプ注入または注入されることが可能になり、そのようなグラウチングが行われている間またはその後、チューブラーは、例えばグラウト中のブリッジングとチャネリングを削減する音波ドリルヘッドで振動されることが可能である。このようにすることで、地熱交換器の効率は改善される。チューブラーは、グラウチングステップの間または後に回収される。それによって、次の地熱交換器の建設に用いることができる。振動は、とりわけボアホール内の構成が崩壊するところで、チューブラーの回収に役立つ。このように、全体の建設処理はより速く、安く、その結果地熱交換器はより効率的になる。
【００１７】
音波ドリルは、通常チューブラーの縦軸方向に平行であるようにチューブラーまたはチューブラーストリングを振動させる。振動周波数は、通常３０から１８０ヘルツの間であり（それゆえ、“音波”という名前がついている）、その周波数はオペレーターが変化させることができる。音波ドリルは、発振器（オシレーター）を備えるドリルヘッドを備え、また、通常はチューブラーに回転運動を与える機構をも備える。発振器は油圧モーターで駆動され、チューブラーの反対の端のドリルビットに送られる、正弦関数の力を発生するために釣り合いおもり（反回転ローラ）を利用する。チューブラーへの交互の力を限定するために空気バネがドリルヘッドに組み込まれている。使用するとき、ドリルビットは上下に振動し、回転し、構造の中に押し込まれる。これらの３つの動きは、一緒になって、表土を除いてほとんどの種類の構造を貫通する速い速度を生成する。ドリルビット自身は通常、環状の形状をしており、それによって構造のサンプルコアがチューブラーの中に入る。
【００１８】
音波掘削方式は、長い間よく知られてきたにも関わらず、この方式の応用は主として、地質調査、鉱物試料調査、環境試料調査、監視井戸の建設などの特定の用途に限定されてきた。この種の掘削技術において、地中の比較的影響を受けないコアサンプルがケーシングの中から採取され、掘削を進めながらコアサンプルを回収する。これらの種類の掘削技術における主な重要性は、質の良い土壌サンプルを集めることであるため、速度は重要なものではなく、比較的早い速度で地熱のボアホールを生成するために音波掘削技術を利用するという将来性については、以前は検討されてこなかった。さらに、音波ドリルヘッドや音波掘削技術で用いられる道具は、伝統的な泥回転式装置または空気掘削装置よりも高価になりうる。そして、地熱掘削技術は通常とても安い掘削作業であると考えられるため、ボアホールを掘削するための高度技術である音波設備に投資することは考えてこられなかった。
【００１９】
本発明は、地熱交換器の構築方法を提供するものであり、該方法は次のステップから成る。
（１）チューブラーを用いて、地面にボアホールを掘削する。
（２）該チューブラーを振動させる。
（３）該ボアホールにヒートループを設置する。
この方法は、安定な地質条件と不安定な地質条件の両方に応用できる。しかしながら、例えば固い構造（頁岩、花崗岩、石灰岩）の上のやわらかい表土（砂、粘土、砂利）のような不安定条件において特によく機能する。この方法は、地面内のより固い地盤構造の中にボアホールを伸長する前に、やわらかい表土内にボアホールを安定化させるのに用いることが可能である。
【００２０】
好ましくは、前記振動ステップは掘削の間に行われる。本発明の一実施例において、音波掘削ヘッドによって振動が起こる。
都合良くは、前記振動ステップは、前記設置ステップの一部分として行われる。この振動ステップは、ボアホールを掘削したものとは異なるチューブラー又はチューブラーストリングで行なわれる。このように、前記掘削ステップは、例えば、回転ドリルを用いるような、振動しない掘削方法を用いて掘削するステップからなることを考えている。この後、前記設置ステップの間の振動のために、別のチューブラーがボアホール内に挿入される。前記設置ステップの間の振動は、ヒートループ周辺のグラウトを固めるのに寄与し、地熱ポンプが使用される際に熱効率を下げる可能性のあるボアホール内のグラウトのブリッジングを抑制する。
【００２１】
好ましくは、本発明の方法は、前記チューブラーを回転させて前記掘削を補助するステップを更に含む。
都合良くは、前記方法は、前記掘削ステップによって移動された物質を、前記ボアホールの表面と前記チューブラーストリングの外部表面によって規定される環状部分へ、かつ／または前記ボアホール周辺の地盤構造中へと促すために、掘削流体を前記チューブラーにポンプ注入するステップを更に含む。掘削流体は、例えば、ポリアクリルアミド掘削ジェル、キサンタンガム、グァーガム、自然流体（例えば、水）かつ／または合成掘削高分子化合物などである。
【００２２】
好ましくは、本発明の方法は、チューブラーストリングを形成するように前記チューブラーに一本以上のチューブラーを追加する間に、求められる深さまで掘削することで、ケーシングされたボアホールを形成するステップ、を更に含む。この方法によれば、特に不安定な地質条件において、ボアホールが崩壊することを防ぐことが可能である。また、掘削の間にボアホールをケーシングするため、時間を節約することができる。本発明の一実施例によれば、前記設置ステップの間に、ボアホールは少なくとも部分的にケーシングされる。設置の間、ボアホールのケーシングされていない部分は実質的にグラウトで満たされており、これによりボアホールは、充填物質、チューブラー、または両者の組み合わせによって、実質的に常時支えられていることになる。
【００２３】
都合良くは、ステップ（３）は、前記ボアホールから前記チューブラーストリングが取り除かれる前または間に、行われる。このようにすると、設置ステップの間、ボアホールが崩壊する危険性が低くなる。
【００２４】
好ましくは、ステップ（３）は、前記ヒートループを前記チューブラーストリングの内部に挿入し、前記ヒートループを前記ボアホールの底部へと促すステップを含む。
都合良くは、前記方法は、前記挿入ステップの前に前記ヒートループを流体で実質的に満たすステップを更に含む。
【００２５】
好ましくは、ステップ（３）は前記ボアホールの中に前記ヒートループをグラウトするステップを含む。一実施例において、前記チューブラーの撤収と振動の前に、前記グラウトするステップは実質的に完了している（すなわち、ボアホールは実質的に満たされている）。チューブラーが取り除かれたときのその体積を埋めるものとして更なるグラウトが追加されてもよい。チューブラーを取り除く間、チューブラーがストリングから取り除かれる必要がある場合には振動は停止する。振動によるグラウトの凝固がボアホール中に完全に行きわたるための時間を許容するために、グラウトはそれが凝固するのをゆっくりにする、または遅らせるための物質を含んでいてもよい。
【００２６】
都合良くは、前記振動ステップは、音波ドリルヘッドで前記チューブラーを振動させることによって行われる。これにより、前記チューブラーの一端におけるドリルビットが、前記チューブラーの縦方向軸に実質的に平行な方向に振動させられる。一実施例においては、チューブラーまたはチューブラーストリングの実質的に全体が振動させられる。
【００２７】
好ましくは、前記振動の周波数はおおよそ３０ヘルツから１５０ヘルツの間である。
都合良くは、前記掘削ステップは、切削面を備える実質的環状体を備えるドリルビットを用いるステップを含む。前記環状体はチューブラーによって囲まれた体積に対して開口しており、これによって流体は前記チューブラーを通ってボアホール内に至ることができる。
【００２８】
好ましくは、前記環状体は前記チューブラーの外径よりもおおきな外径を有する。
都合良くは、前記環状体は、前記チューブラーの内径と実質的に等しい内径を有する。
好ましくは、本発明の方法は、前記チューブラーまたは前記チューブラーストリングの中に掘削手段を挿入するステップ、該掘削手段をボアホールの底部に移動するステップ、該ボアホールの延張部分まで掘削するステップを更に含む。これの利点は、柔らかい表土が掘削されて、ケーシングされ、例えば岩のようなもっと硬い構造へと掘削が進む前に安定化されるということである。
【００２９】
都合良くは、本発明の方法は、複数の地熱交換器を同じ場所に設置するために、ステップ（１）からステップ（３）までを繰り返すステップを更に含む。
好ましくは、本発明の方法は、前記ヒートループまたは各ヒートループを熱交換流体を循環させているマニフォールド（多岐管）に接続するステップを更に含む。
【００３０】
本発明の他の態様によれば、ボアホール内のヒートループの周りをグラウトで固める方法が提供され、この方法は、グラウトを振動手段を用いて振動させるステップを含む。
都合良くは、前記振動手段は、チューブラーまたはチューブラーストリングを含む。
【００３１】
好ましくは、本発明の方法は、チューブラーまたはチューブラーストリング内にヒートループをグラウトする前に、チューブラーまたはチューブラーストリングをボアホール内に挿入するステップを更に含む。
【００３２】
都合良くは、前記方法は、更に、チューブラーまたはチューブラーストリングを用いて前記ボアホールを掘削するステップを含む。
本発明は、ある態様においては、地熱交換システムの効率良い建設のための方法を提供し、ある特別な態様においては、地熱ヒートポンプを用いた暖房／冷却システム（一般には地熱ヒートポンプシステムまたは“ＧＨＰ”システムと言われる）と共に使用するためのシステムを提供する。ある態様においては、そのような熱交換システムは、音波掘削およびケーシング装置を用いて設置されることで、効率よく掘削し、かつ、その掘削された穴に熱伝達ループが挿入されて適所にグラウトされ得るようになるまで地中ボアホールを安定化させる。熱伝達ループの設置とグラウチングが完了すると、掘削装置はボアホールから一時的なケーシングを取り除き、グラウトされた熱伝達ループを適所に残す。回収されたケーシングは、次のボアホールで使用できる。
【００３３】
伝統的な泥回転技術または空気掘削（エアドリリング）技術を用いる場合における、掘削の困難性または不安定な地質条件に関わる多くの問題と関連費用は、本発明によるシステムによって著しく緩和、または削減される。本発明のシステムにより、掘削速度および掘削効率、ループ挿入速度およびループ挿入効率およびグラウチング処理速度が向上する。その結果として、地熱ループ交換器の建設費は低減され、省エネルギー型地熱ヒートポンプ技術を、伝統的な空調設備や冷房設備と比較して、第１の初期投資コストという点でより競争力のあるものにすることができる。
【００３４】
本発明は、少なくともある一態様において、ボアホール内に熱交換パイプループを設置する方法を提供するものである。該方法は、音波ドリルヘッド（この音波ドリルヘッドは、これに接続されたケーシングを有し、該ドリルの末端がケーシングの下端に接続されることにより、音波ドリルヘッドによるケーシングの動き（上下に打つ振動、および／または、振動と回転）が地中にボアホールを掘り進める）を用いて地中にボアホールを掘削するステップと、掘削された物質がボアホールから地表へと流れるように、掘削の間、ポンプで、水と掘削流体の混合物をケーシングの中に注入し、ケーシングの低い側の末端から排水して、ボアホールの内表面とケーシングの外表面との間の環状空間内を地表までくみ上げるステップと、地熱交換パイプループをケーシングの中に沈めるステップと、熱交換パイプループ周辺のケーシングの中にグラウトを導入して、ケーシングの中から水と掘削流体の混合物を追い出すステップと、ボアホールからケーシングを取り出すステップとを含む。
【００３５】
本発明の一実施例において、本発明に関わる方法は、掘削ステップ、地中ループ挿入ステップ、グラウチングステップ、およびケーシングの回収ステップを含む。
本発明に関わる特別な掘削方法においては、予期しない掘削条件に遭遇しなければ、スチールでケーシングされたボアホールが、直径０．１２７ｍ（５インチ）で、層を成していない構造（例えば、砂粘土、しかしこれに限定されない）中を１０７ｍ（３５０フィート）の深さまで、２０分で掘削される。本発明の一態様によれば、掘削装置はクローラーの搭載された、またはトラックの搭載された機械である。本発明の一態様によれば、掘削とケーシングを完了するのにたった一人の操作者で十分である。
【００３６】
本発明の他の態様によれば、ボアホール内に熱交換パイプループを設置するための方法が提供される。この方法は、
音波ドリルヘッドを備えた音波装置を用いてボアホールを地表面から地中に掘削する（音波ドリルヘッドは、これに接続されたケーシングを有し、このケーシングの低い側の末端に掘削装置が接続されることによって、音波ドリルヘッドによるケーシングの動きが地中にボアホールを掘り進め、また、ケーシングは内部を備える）ステップと、
掘削の間、ポンプで、掘削流体をケーシングの中に注入し、ケーシングの中を通って降下させ、掘削装置から外へ排出して、ボアホールの内表面とケーシングの外表面との間の環状空間内を上昇させることで、掘削物質がケーシング内部を上方へ流れるのを防止しつつボアホール内の上記環状空間を通って流れるようにするステップと、
熱交換パイプループをケーシング内に沈めるステップと、
熱交換パイプループ周辺のケーシングの中にグラウトを導入することで、このグラウトがケーシングの中から掘削流体の混合物を追い出すステップと、
ボアホールからケーシングを取り除くステップと、
を備える。
【００３７】
好ましくは、本発明の方法は更に、ケーシングがボアホールから取り除かれる際に、ケーシング内にグラウトを導入することを含む。
都合良くは、本発明の方法は更に、ケーシングがボアホールから取り除かれた後に、熱交換パイプループ周辺のボアホール内にグラウトを導入することを含む。
【００３８】
好ましくは、本発明の方法は更に、ケーシングがボアホールから取り除かれるときにケーシングを音波装置で振動させるステップを含む。
都合良くは、該ケーシングの振動は、ケーシングの取り除きを容易にすること、グラウトのブリッジングを防止すること、グラウトから空気を除去すること、グラウトの密度を上げること、掘削物質を振動させること、ケーシングとグラウトの間の摩擦を低減させること、のうちの少なくとも一つの機能を果たす。
【００３９】
好ましくは、本発明の方法は、更に、グラウトがケーシング内に導入されるときに、ケーシングを振動させるステップを含む。
都合良くは、本発明の方法は、掘削の間、掘削流体に掘削流体添加物を加えるステップを更に含む。
【００４０】
好ましくは、ボアホールは少なくとも９１ｍ（３００フィート）の深さであり、ボアホールが掘削され、熱交換パイプループが沈められ、グラウトが導入され、約一時間内にケーシングが取り除かれる、ことを特徴とする。
【００４１】
都合良くは、該方法は、熱交換パイプループの崩壊を防ぐために、熱交換パイプループの中に水を導入するステップを更に含む。
好ましくは、該熱交換パイプループは、水で実質的に満たされて、水で満たされた後に封印される。
【００４２】
都合良くは、該水は、約７０，３００ｋｇ／ｍ２（１００  ｐ．ｓ．ｉ）の圧力で、ポンプ注入される。
好ましくは、グラウトは、グラウトをケーシング中にポンプ注入することによって、ケーシング中に導入される。
【００４３】
都合良くは、グラウトは、グラウトをケーシング中に注ぐことによって、ケーシング中に導入される。
好ましくは、グラウトはグラウトが凝固するのを抑制する物質を含む。
【００４４】
都合良くは、熱交換パイプループは、ポリエチレン、スチール、アルミニウム、アルミニウム合金、亜鉛、亜鉛合金、合成物、繊維ガラス、などから成る物質でできている。
好ましくは、該音波装置はトラック装置やクローラー装置上にあって、これら装置によって移動可能で、前記方法は、更に、該音波装置をボアホールの位置の近くに移動するステップを含む。
【００４５】
都合良くは、本発明の方法は、掘削された物質の体積よりも大きな体積の掘削流体を、ケーシングの中にポンプ注入するステップを含む。
好ましくは、ケーシングは相互接続されたケーシング要素のストリング（一列に相互接続された複数のケーシング要素）から成り、必要なケーシング要素は掘削の進行とともにストリングに追加される。
【００４６】
都合良くは、掘削装置は、ケーシングの外径の１１０％以内の外径を備えたビットまたはドリルシューである。
好ましくは、掘削によって掘削された物質が生じるが、実質的にすべての掘削された物質が地表面においてボアホールから外に出るわけではない。
【００４７】
都合良くは、本発明の方法は、更に、
ケーシングの低い側の端からドリル装置を取り除くステップと、
第２の掘削装置をケーシングに挿入するステップと、
該第２の掘削装置でボアホールの延長部分を掘削するステップとを含む。
【００４８】
好ましくは、該第２の掘削装置は、コイル管状の掘削システムと、圧縮空気掘削システムと、坑内モータ掘削システムとからなるグループの中からであることを特徴とする。
本発明の他の態様によれば、グラウトをボアホール内で固める方法が提供され、この方法は、グラウトの中でチューブラー装置を振動させるステップを含む。
【００４９】
都合良くは、前記チューブラー装置は、ケーシングストリングである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５０】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながらより詳細に説明する。
図１Ａ及び図１Ｂを参照する。番号１０で識別される掘削装置は、一般的に、地表面上の音波ドリルシステムの音波ドリルヘッド（図１Ａには不図示）に順々に接続される一続きのチューブラー（ケーシングまたはドリルパイプ）に相互接続されたチューブラー１２（例えば、ドリルパイプまたはケーシングの一要素）を備える。外径がチューブラー１２の外径よりも大きな部分を備えるボディー１６を持つチューブラー１４を構成するドリルビットは、間隔をあけて複数の地表面を掘削するドリル歯１９が存在する下位部１８を備える。ボディー１６の内部表面は、実質的に円筒型である。ボディー１６の外部表面は実質的に切頭円錐体である。ボディー１６の外部表面はドリル歯１９に近づくにつれて直径が大きくなる。
【００５１】
ドリル歯１９が削除されること、かつ／またはチューブラー１２、１４の組み合わせが単一の一体要素であることは、本発明の範囲内である。ボディー１６の下端部分、かつ／またはボディー１６の下端部分の内部に耐磨耗加工を施したり、タングステンカーバイドを設けることは、ドリル歯１９を用いる（またはそれらを取り除く）本発明の範囲内である。状況に応じて、チューブラー１４は、それが遺棄された穴になりうるように、チューブラー１２に取り外し可能に接続することができ、または、チューブラー１２とケーシングストリングが適所にある間にチューブラー１４を回収可能なように、適当に形作られたチューブラー１４に接続することができる。状況に応じて、いずれかのよく知られた中実で肉太のドリルビットとそれに関連した装置が用いられてもよい。ある一態様によれば、そのようなビットは、流体が該ビットを貫流するように、一つ以上の穴が該ビットの低いところにあるように修復される。状況に応じて、適したケーシングシューがチューブラー１４に用いられる。
【００５２】
音波掘削システム（不図示）は、音波回転ドリルヘッドと、ドリルパイプとケーシングの両方のための内蔵のカルーセルまたはマガジンと、内蔵の送水ポンプと、内蔵の空気圧縮機と、音波掘削ヘッドに移動可能に接続されたドリルマストと、音波掘削ヘッド（およびそれに接続されたケーシング）を上下に運動させるための運動装置と、状況に応じて、掘削流体かつ／または添加剤をくみ上げるポンプシステムと、を備える。音波ドリルヘッドは使用するとき、振動周波数は３０〜５０Ｈｚで、回転速度は０〜１５０ｒｐｍ、そしてトルクは約１０，１６８Ｎｍ（７５００  ｌｂｓ−ｆｔ）であり、このような５０Ｋ（登録商標）システムはバンクーバー、ブリティッシュコロンビア州にあるソニックドリル社（Ｓｏｎｉｃ  Ｄｒｉｌｌ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ）（www.sonic-drill.com）によって作られている。内蔵のカルーセルまたはマガジンは、自動ドリルロッド／ケーシング処理方法を備え、内蔵の送水ポンプは、（Ｗｅｔｈｅｒｆｏｒｄ（登録商標）２０７５ポンプのように）、流速０．００５ｍ３/s（９０ガロン／分）で、７．７×１０５ｋｇ／ｍ２（１１００ｐｓｉ）を超える圧力をかける能力のある容積移送式ポンプである。内蔵の空気圧縮機は、０．４ｍ３/ｓ（９００ｓｃｆｍ）で、３．５×１０５ｋｇ／ｍ２（５００ｐｓｉ）で空気を送出するためのものであり、例えばＳｕｌｌａｉｒｅ９００ＸＨＨＤＬ（登録商標）システムである。小さな定量ポンプは、例えばポリアセチルアミド、掘削ジェル、キサンタンガム、グァーガム、自然の流体、かつ/または合成の掘削ポリマーに限られない掘削流体かつ/または添加剤を汲み上げるためのものである。
【００５３】
図２に示す音波掘削システム３０（図１に記載されたシステムに類似する）は、ボアホール３４を掘削するケーシングストリング２４を用いる。ケーシングストリングは、ドリルビットと共に低い側の端のところにあるチューブラー２８を備えており、これは図１記載のドリルビットに類似している。水２１が、ポンプシステム２０で（例えば７．７×
１０５ｋｇ／ｍ２（１１００ｐｓｉ）で０．００５６ｍ３/Ｓ（９０ガロン/分）の割り合いで）、（状況に応じて、例えばトラックやクローラーなどの移動機３１に載って移動可能な）音波掘削システム３０の音波掘削ヘッド２６に接続されたケーシングストリング（一続きのケーシング）２４の内部に注入される。
【００５４】
掘削の間、ポンプシステム２０は、一定の正方向に流れる水（または他の掘削流体）をケーシングストリング２４の中に供給する。一態様によれば、掘削された物質がドリルビット４０およびケーシングストリング２４の中に戻ってくるのを防ぐために、該ケーシング２４は少なくともドリルビット４０の最低部分のレベルまで下方に延びる。
【００５５】
水は、ケーシングストリングの体積とケーシングストリングによって囲まれた体積とを加えた体積よりもわずかに大きい物質を追い出すような、単位時間あたりの体積でくみ上げられる。このことは、ケーシングストリングを地中に進めるのに役立つ。本発明の一態様によれば、地面にほった穴に注入される流体の体積は、地中に掘り進められるケーシングによって追い出される体積よりわずかに大きい。掘削流体の注入速度を、ケーシングの進行速度よりわずかに大きな速度に維持することで、追い出された地中物質によってケーシングの開口端が妨げられないままとなる。
【００５６】
音波掘削システム３０は、ケーシングストリング２４とドリルビット４０を動かし振動させる。流体は掘削装置４０から流出し、ケーシングストリングの外側とボアホール３４の内側の壁３２との間の環状部分に流れ込む。掘削装置４０の外側と掘削中のボアホール３４の内壁３２との間の摩擦は減少し、ケーシングストリング２４の外側と内壁３２との間の摩擦も減少する。    
【００５７】
音波ドリルの働きにより液状化した掘削物質を含む掘削物質は環状部分３６内を上方へ移動し、適当な地盤構造３８内でこの地盤構造３８中の間隙へと移動する。この物質３７の少なくとも幾つかは、ボアホール３４の縁において固まる。ある態様においては、ほとんどの、もしくは実質的には全ての、掘削物質は地盤構造の中に入り込み、環状部分３６内を上方へ流れる水などとともに表面に達する掘削物質は全くないか、またはほんの少しである。
【００５８】
このように掘削を行なった結果、表面に戻る掘削物もしくは"採取物"は、従来の泥回転掘削で生成されるそのような掘削物の量と比較して、より少なくなる。泥回転掘削においては、循環がドリルパイプと地面壁との間にある環状空間内に維持される。この泥回転の一番の目的は、ドリルビットにより生成される掘削物を表面へ移送することである。地盤構造中でその循環が無くなると、ボアホール壁の不安定な部分が崩壊し、ドリルパイプの回りを包み込むようになり、従って、ドリルの部品は穴の中に閉じ込められる。ドリルビットは大抵ドリルパイプの直径よりもかなり大きいため、穴からドリルパイプを取り出すことはしばしば困難となり費用がかかる結果となる。しばしば、ドリルパイプストリング全体が永遠に失われる。非常に少ないとはいえ、生産性にも悪影響を与える。もし掘削が予定どおり進行し循環が維持されているのであれば、大量の掘削物が表面に産出することになる。多くの構造に於いて結果として生じるボアホールは洗い流されることとなり、使用しているビットの直径よりも非常に大きな直径となり所望よりもかなり大きな穴が結果として生じる。このことは採取物の対処コストの増加、グラウトコストの増加、そして生産性全体の低減をもたらす。プロジェクトの要求や行政上の制限などにより、掘削採取物を作業場から取り除くことが要求され、結果として高い物質処理や輸送コストをうむ事例もある。しばしば、採掘採取物は危険物としてもしくはまさに有毒廃棄物として処理しなければならず、プロジェクトのコストをさらに増大させてしまう。地熱プロジェクトでは同じ作業場に何百もの穴が掘削されるため、これらの処理コストは非常に重要である。
【００５９】
しばしば未固結地質構造は、体積で約25%から45%の間質空間を備える。それらは、必然的にこれまでに述べた好ましくない"循環の喪失"に関与する、継目、空洞、より大きな空洞、亀裂等を引き起こす。音波掘削の間、ケーシングストリングの全長に沿った共鳴振動は、掘削物を液化する傾向にあり、かつ掘削物をボアホール周辺の間質空間および継ぎ目または失われた循環域に詰める傾向にある。地盤構造がとても固く、空き空間が無い場合、表面に切断物が現れる。ケーシングは振動および回転し、かつ、ケーシングストリングはその端に大きなビットを持っていないので、表面へと戻ってくる循環が失われた場合、ドリルストリングが動かなくなる可能性がかなり小さくなる。それゆえ、掘削採集物を元に戻す費用は、非常に低減または削減される。そして、作業場はより清潔で乾燥した状態になる。
【００６０】
追加のケーシングパイプは、ケーシングストリング２４に連続的に追加され、掘削処理はボアホール３４が目的とする深さに達するまで行われる。最終的には、図２に示すように、スチールでケーシングされたボアホールが底面端で開口し、遮るものがない状態となる。
【００６１】
図３に示すように、ヒートループ５０は、（例えば、ぐるぐる巻きにされた管ユニットを用いて組み込まれた）トレミー管４２とともにボアホール内に押し入れられる。ヒートループ５０はポリエチレン製で、水で満たされ、ケーシングされたボアホール内に下ろされる前に、与圧され、密封される。トレミー管４２はグラウト材が挿入される底部開口部を備える。状況に応じて、最低のＵ字管部分５２（例えば、特許公開公報ＷＯ９９／６３２８２、またはよく知られているＵ字管）が、ヒートループ５０の底部で用いられる。特別な態様によれば、トレミー管４２はポリエチレン製であるが、これをガラス繊維、プラスチック、金属、合金、複合材、および／またはこれらのうちのいずれかの組み合わせを含むがこれらには限定されない何らかの適当な材料で作成することは、本発明の範囲内である。                                                                        
【００６２】
図４は、グラウト５４がグラウトポンピングシステム６０によって注入されるという、建設処理におけるグラウチング処理の最初の部分を示すものである。グラウト５４は、Ｕ字管５２のあたりで、ケーシング内の水を追い出して開口部４４から流れ出し、ケーシングストリング２４の内部およびドリルビット４０の内部を上昇し始める。
【００６３】
ドリルビット４０は環状であるため、グラウト５４が通過することは妨げられず、掘削装置４０の下へ出るものもあり、環状の空間３６内を上昇するものもある。トレミー管が地中ループ（ヒートループ）５０から解放され、グラウトの注入が開始されると、トレミー管４２はケーシングストリング２４の中を（例えば、ぐるぐる巻きにされた管ユニットによって）上昇させられる。追い出された水は、回収または廃棄処分のためにボアホール２４の上部から流れだす。
【００６４】
グラウト５４は、グラウトの凝固を遅らせ、一時的なケーシングが取り除かれるまでグラウトを実質的に流体状態に保つための、適当な添加物を含む、熱伝導性混合物である。例えば、セメントの凝固遅延材物質は、ナトリウムまたはカルシウム、リグノスルホン酸塩などであるが、本発明はこれに限定されることなく、また、これらの物質が１〜２４時間の凝固遅延を起こすのに十分な量が添加される。長い鎖の多糖類であるキサンタンガム添加剤、例えばＤＵＯＶＩＳ（登録商標）は、ポンプ摩擦を低減するために、乾燥重量が０．０００１〜０．００２０の範囲の量で添加される。水重量の約６％〜２０％の量のベントナイト粘土（モンモリロナイトナトリウム）または、乾燥グラウト成分の質量の１〜５％の量が流体喪失をコントロールするための（混合物内に砂のブリッジングが起こること、及び、トレミー管に栓をしてしまうことの原因となる、ポンピング中における混合物からの流体の喪失をコントロールするための）可塑性を増加させるために添加される。
【００６５】
図５に示すように、環状空間３６内を上昇してきたグラウト５４のうちいくらかは、地盤構造３８の中に入る。ケーシングストリング２４は、グラウチング処理の間、変わらぬ位置にある。しかし、ケーシングストリングおよびドリルビットを除いてから、グラウチング処理をはじめることは、本発明の範囲内である。一態様によれば、これは、地盤構造が、セメントで固められた砂であったり、または粘土含有量が高かったり、または高い安定性の特性を示す場合、に効果があり、ボアホールが崩壊する危険性が最小限になる。特別な一態様においては、ボアホール３４は約０．１２７ｍ（５″）で、掘削装置４０は最も広いところで外径が約０．１１ｍ（４．５″）である。
【００６６】
いったんボアホール３４がグラウトで実質的にいっぱいになると、ケーシングストリング２４を取り除くことが開始される。
図６は、ケーシングストリング２４とドリルビット４０をボアホールから取り除くのを示している。ケーシングストリングを置き換えるために、音波掘削システムの運動装置によってケーシングストリングが取り除かれるときに、グラウト５４は、ケーシングストリングの内部に、不図示のグラウトポンピングシステムによってポンプ注入されるか、または、注入システム７０によって注がれる。地中ループ（ヒートループ）５０周辺のボアホール内に移動するグラウト５４は、水を上方に追い出して、ボアホール３４から外に出す。このようにして、グラウト５４に好ましくない空気が流入するのを最小限にする（または防止する）。ある一態様によれば、グラウトのいくらかは地盤構造３８中に流れる。ケーシングストリング２４は、それ自身がボアホール３４から引っ張りだされるときに音波ドリルヘッドによって振動させられる。このことは、グラウトに好ましくないブリッジングができることを抑制し、グラウトから空気を除去し、グラウト中の空間を削減し、グラウトの密度を高め、これによりグラウトの熱伝導率を高める。このことは、また、グラウチング処理に必要な時間を削減する。一続きのケーシング（ケーシングストリング）２４を利用することは、掘削中、グラウチング処理の間およびケーシングを取り除いている間、にボアホール３４が崩壊する危険性を低減する。このようにボアホール３４は、ケーシングストリング２４によって、またはグラウト５４によって、または両者の組み合わせによって、ほぼ常に支えられている。
【００６７】
例えばケーシングストリング２４を回収するなどの間、実質的に連続的または周期的に振動されていてもよい。振動によって、グラウト５４は液化（または流動化）かつ凝固し、これによってブリッジングが起こるのを防ぐ。振動がなければ、グラウトはヒートループ５０の周りにどんどん送り出され、ヒートループとグラウトがボアホール内の下部に残る代わりにケーシングと共に取り除かれてしまうようになる。振動は、ケーシングの壁と地中との間の摩擦を低減する。しばしば、ケーシングが地中で動かなくなるという傾向は、ケーシングが最後の手段として用いられる理由である。音波掘削装置を用いることによって、グラウチング処理作業がよりよくなり、グラウト中にブリッジングが起こるのを少なくし、地中ループ（ヒートループ）およびグラウトがボアホール内の適所にある間に、ケーシングを取り除くことを容易にする。しかしながら、ケーシングが取り除かれるともはやそれを置き換えしないので、ケーシングが取り除かれるとボア内のグラウト流体のレベルが下がる。その結果として、グラウトが完全にヒート交換器を取り囲むことを確実にするために、ケーシングを取り除く処理の間（例えば、ケーシングストリングからケーシングの一片が取り除かれる間、−通常約４．６ｍ（１５フィート））、更なるグラウトが要望に応じてある一定間隔で追加される。このことは、また、熱交換パイプ周辺の地面が崩壊するのを遅らせる。一時的なケーシングパイプが取り除かれるときに、グラウト流体は熱交換パイプの周りを流れる。このようにして、熱交換パイプが地盤構造に封入され、熱的に結合される。
【００６８】
図７に示すように、すべてのケーシングストリング２４および掘削装置４０の取り出しで、グラウト５４が地中ループ（ヒートループ）を包み、ボアホール３４を満たす。特別な地熱ポンプの建設はこれで完成し、グラウトが固まることだけが残っている。更なる地熱ポンプは同様な方法で同じ場所に建設される。ひとたび地熱ポンプが完成すると、各ヒートループは、熱流体を循環させるマニフォールド（不図示）に平行に接続される。
【００６９】
下地地盤の安定性にも関わらず、建設中、スチールケーシング管は、ボアホールの整合性を高める。石灰岩や花崗岩などのような強固な構造に遭遇した場合、ひとたび層をなしていない表土をケーシングで安定化させたら、音波ケーシングの設置は停止することが経済的にはのぞまれることかもしれない。ダウンホールハンマーやより小さい径のドリルパイプが音波ドリルヘッドに装着され、ボアホールの掘り残された深さは圧縮空気がケーシングを通って掘削することで仕上げられる。それに代わる方法としては、典型的な中実のドリルビットとそれに関連した装置や機器が用いられる。
【００７０】
図８には、崩壊する傾向にあるボアホールを生成する可能性のある地盤構造中、例えば、表土がやわらかい地盤構造３８ａであるような地盤構造中に掘削されたボアホールが示されている。ボアホール３４ａは上述したボアホール３４のように掘削される。ドリルビット４０が、固いかつ／またはより強固な構造５８（例えば岩、石灰岩、花崗岩または砂岩による構造）の上端に達したとき、ケーシングストリング２４内部および掘削装置４０の中を通って他の種類の掘削装置８０が挿入され、地盤構造５８中を掘削し続ける。掘削装置８０は、いずれかのよく知られた適当な中実ビット装置、かつ／または、犠牲的、かつ／または、折りたたみ可能な、かつ／または、回収可能なビット装置である。特別な一態様によれば、掘削装置８０は、装置８２の動作に応じて、システム８６によって圧縮空気が送り込まれるダウンホールハンマービット装置８２をドリルストリング８４上に備えたダウンホール空気ハンマー掘削装置である。掘削装置８０は、ボアホール３４ａを拡張３４ｂする。
【００７１】
図９に示すように、ヒートループ５１（上述した地中ループ５０に類似）がボアホール３４ａ、３５ｂ内に設置され、グラウト５５で（上述したグラウト５４に類似）適所にグラウトされる。
【００７２】
比較的やわらかい構造の掘削において、ケーシング管には、図１に示したように、開放したドリルビットが取り付けられる。ケーシングパイプが音波ドリルヘッドによって回転および振動されつつ、およそ０．５から１％のポリアクリルアミド掘削ジェル（例えば、Ｂａｒｐｏｄｓ社のＥ−Ｚ  ＭＵＤ（登録商標）、但しこれに限定されない）を含む水、または他の合成または自然の掘削物質、または高分子化合物がケーシング中に注入される。音波ドリルヘッドの振動動作は、ケーシング（互いに連結されたケーシングストリングの各部分）を振動させて、例えばこれに限定されるものではないが、共鳴させ、これにより、ドリルビット開口端から伸びているボアホール近くの区域及びホール内のケーシングの長さに沿った区域の物質を液化する。                                          
【図面の簡単な説明】
【００７３】
【図１Ａ】本発明による方法で用いることが可能なドリルビットとチューブラーの一部の（図１Ｂ中の線１Ａ−１Ａに沿った）側断面図である。
【図１Ｂ】図１Ｂは図１Ａのドリルビットの下部平面図である。
【図２】本発明の第１実施例による地熱交換器の建設における６段階のうちの１つの側断面図である。
【図３】本発明の第１実施例による地熱交換器の建設における６段階のうちの１つの側断面図である。
【図４】本発明の第１実施例による地熱交換器の建設における６段階のうちの１つの側断面図である。
【図５】本発明の第１実施例による地熱交換器の建設における６段階のうちの１つの側断面図である。
【図６】本発明の第１実施例による地熱交換器の建設における６段階のうちの１つの側断面図である。
【図７】本発明の第１実施例による地熱交換器の建設における６段階のうちの１つの側断面図である。
【図８】本発明の第２実施例による地熱交換器の建設における２段階のうちの１つの側断面図である。
【図９】本発明の第２実施例による地熱交換器の建設における２段階のうちの１つの側断面図である。
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【国際調査報告】
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2007527493.tif 000013
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