淺層地熱能水源井工程問題與技術研究

摘要：淺層地熱能具有儲(chu) 量大、分布廣、埋深淺、易開發等特點，是可再生新能源。在傳(chuan) 統能源資源緊張和環境惡化形勢下，大力開發利用淺層地熱能對低碳經濟和節能減排具有重要的意義(yi) 。水源熱泵以能量利用率高、成本低、維修方便優(you) 勢占據著重要地位，其中水源井是其關(guan) 鍵，水源井的工程質量將直接影響著係統運行、回灌和使用壽命。通過大量的調查，分析研究了目前水源井工程存在的突出問題，並在試驗和實際經驗基礎上提出了合理的水源井工程技術。
關(guan) 鍵詞：淺層地熱能；水源井；問題；技術研究

       淺層地熱能具有資源豐(feng) 富、分布廣泛、開發便利等特點，是可再生綠色新能源。在傳(chuan) 統化石類能源資源日趨緊張和生態環境惡化的嚴(yan) 峻形勢下，大力開發利用淺層地熱能，實現建築物供暖製冷，對的低碳經濟和節能減排具有重大的意義(yi) 和廣闊的應用前景。自1995年以來各國重視淺層地熱能開發，並以每年20%的遞增速度發展，我國自2000年開始以每年50%的遞增速度發展，目前在該領域位居*三[1]。
       淺層地熱能開發主要是通過熱泵把地下200m以淺岩體(ti) 和水體(ti) 中的低品位熱能（10～25℃）提升為(wei) 高品位熱能，來實現供暖；夏季則把地麵建築物內(nei) 高溫排到地下進行能量交換，從(cong) 而達到製冷目的。整個(ge) 係統主要由地下能源采集係統、能量提升（交換）係統和能量釋放係統三部分組成，其中地下能源采集係統是技術核心和關(guan) 鍵部分。特別是水源井的施工工藝和成井管材將直接影響整個(ge) 係統是否能夠正常運行、回灌和區域地質環境[2]。目前在地下能源采集係統主要有地埋管（土壤源熱泵）和水源井（水源熱泵）兩(liang) 種方式。由於(yu) 水源熱泵與(yu) 土壤源熱泵相比具有初投資小、能量利用率高、維修方便等優(you) 勢，所以，目前國內(nei) 多數地區在開發淺層地熱能時，主要以水源熱泵為(wei) 主。如：北京和河南利用水源熱泵開發淺層地熱能分別為(wei) 80%和98%，而地埋管土壤源熱泵僅(jin) 占20%和2%。當地下水資源缺乏的情況下，才適用於(yu) 地埋管的方式。
1 水源井施工現狀及問題分析
1.1 水源井施工現狀
       國內(nei) 目前在淺層地熱能開發領域除北京、天津、沈陽等地比較規範外，其它多數地區和城市在管理、監管和市場引導方麵幾乎缺失，許多城市和地區的淺層地熱能開發以機電安裝資質和空調廠家、中介公司為(wei) 主體(ti) 。這些單位在機電安裝方麵具有一定的優(you) 勢，但是由於(yu) 缺乏必要的鑽探、水文地質技術人員，從(cong) 而在水源井設計和施工方麵，靠經驗以低廉的價(jia) 格分包給個(ge) 體(ti) 鑽機。據調查：目前國內(nei) 在淺層地熱能水源井施工技術來看，井深一般在50～200m之間；采用的管材主要有水泥管和螺旋鋼管兩(liang) 種；鑽井方法多數為(wei) 正循環泥漿鑽進和衝(chong) 擊鑽進；不進行專(zhuan) 門洗井，而在下完井管後直接下入潛水泵抽水；濾料多數采用人工碎石，而不是天然石英砂；為(wei) 了增加單井出水量全孔投碎石而不止水，特別是河南省近1000個(ge) 水源熱泵係統項目幾乎都是上述情況。盡管上述技術和工藝可以大大節約鑽井費用，但是，帶來的一係列地質環境問題（水位下降、地麵不均勻沉降、地下水熱汙染）和運行不正常等，從(cong) 而嚴(yan) 重影響了淺層地熱能的開發利用。
1.2 主要問題
       從(cong) 上述的施工現狀和實際工程中表現出的現象，其突出問題主要反映在以下幾方麵：
       （1）成井管材質量差，使用壽命短。由於(yu) 工程承包價(jia) 格低廉，施工方不得不選擇價(jia) 格低廉的水泥管和螺旋鋼管。水泥管盡管耐腐蝕，但是，抗衝(chong) 擊、抗彎曲、抗拉強度極小。再加之其過濾管部分為(wei) 圓孔包棕方法極易在下管過程中與(yu) 井壁摩擦損壞。所以，當水源井使用過程中容易造成水泥管破裂和大量出砂，嚴(yan) 重時報廢。如：河南省商檢局12口水泥管水源井在使用不足2年時就全部報廢；鄭州市某洗浴中心2口水泥管水源井1年內(nei) 坍塌報廢。螺旋鋼管強度較高，但是其腐蝕結垢速度較快，特別是在鍍鋅橋式過濾管和普通鋼管組成的管井時，其二者電極電位相差450mV，從(cong) 而形成了較大的腐蝕電流和電偶腐蝕。圖1是鍍鋅橋式過濾管和普通鋼管試片90d時的腐蝕結垢情況，從(cong) 圖中可以看出：90d時鍍鋅橋式過濾管腐蝕結垢嚴(yan) 重，並發生堵塞縫隙現象；試驗容器內(nei) 水渾濁嚴(yan) 重，說明電偶腐蝕速度較快[3]。一般情況下這種管材的選擇和組合，使用2～3年後就需要重新維修或報廢。特別是地下水Cl-、Fe2+和溶解性總固體(ti) 、硬度等含量較高時，其腐蝕速度更快，120～180d時就會(hui) 在井內(nei) 產(chan) 生幾十米的沉澱物（腐蝕產(chan) 物）。  

      圖1  電偶腐蝕試驗
       （2）回灌困難問題日益突出。因為(wei) 泥漿汙染堵塞含水層、鑽井速度低、洗井方法不合理以及金屬井管腐蝕結垢等諸多因素，使含水層原有滲透性降低，導致抽水井水量偏小、降深大，回灌井回灌困難或*灌不下去。如：河南鬆散細顆粒地層采用抽回1:3～1:6比例（1口抽水井，3～6口回灌井）回灌率僅(jin) 在30%～50%；有的新建井當年基本回灌較為(wei) 順暢，第二年就回灌不下去。一些施工單位或個(ge) 人為(wei) 了應付業(ye) 主，私自把回灌井與(yu) 市政排水管網連通進行分流，而造成區域地下水下降、地麵不均勻沉降等地質環境問題。這些現象和問題在鄭州表現的尤為(wei) 突出，為(wei) 此，鄭州市節水辦不再審批淺層地熱能開發項目。回灌困難問題在全國普遍存在，尤其是細砂、粉砂等孔隙地下水類型地區更為(wei) 嚴(yan) 重。由此，許多地區為(wei) 了避免引發的係列問題，即便是在地下水資源豐(feng) 富的區域不得不改為(wei) 地埋管方式來開發淺層地熱能。
       （3）熱貫通問題嚴(yan) 重，設備無法正常運行。水源熱泵是利用地下水相對恒定的溫度作為(wei) 熱源，通過抽水和回灌實現夏季抽冷水灌熱水，冬季抽熱水灌冷水的運行過程，地下水的熱量或冷量被提取、蓄存和轉移。由於(yu) 回灌水與(yu) 原始含水層溫度存在的差異，在導熱和對流等作用下，回灌水會(hui) 導致抽水井溫度有不同程度的升高或降低，這種現象稱為(wei) “熱貫通”。抽水井和回灌井間距大，回水在地下流動時間長，能量交換*，熱貫通程度則低。一般在粗顆粒地層（卵礫石、砂礫）抽水井和回灌井間距在100m左右，細顆粒地層（細砂、粉砂）井間距不低於(yu) 50m[4]。而實際中有些單位因為(wei) 場地狹小，抽水井與(yu) 回灌井距離在5～20m之間，由此會(hui) 造成熱貫通和地下水熱汙染，輕者增加運行費用，重者使機組自動停機而不能正常運行。
       （4）設備管網堵塞嚴(yan) 重，維修頻繁。引起設備和管網堵塞的原因主要有水源井含砂量高、金屬井管腐蝕結垢、水源井未止水等。含砂量過高主要是因為(wei) 成井質量（濾料級配不合理、洗井不*降深大、水泥過濾管包棕損壞等）造成；金屬井管腐蝕則主要是由於(yu) 地下土壤中存在著大量的微生物，這些微生物在20～30℃環境下大量滋生和泛濫，並產(chan) 生生物（細菌）腐蝕，其腐蝕產(chan) 物將產(chan) 生微生物粘泥和沉澱物。硫酸鹽還原菌和鐵細菌好氧菌是常見的細菌，它們(men) 與(yu) 金屬井管相遇會(hui) 在井內(nei) 產(chan) 生大量的硫化亞(ya) 鐵（黑色沉積物）和黃色的粘泥（FeOOH 或Fe2O3•H2O）[5]，圖2是河南省黃河迎賓館從(cong) 井底排出黑色腐蝕產(chan) 物，圖3是金屬掛片腐蝕試驗90d時在容器內(nei) 沉澱的粘泥。當水源井未進行止水，整個(ge) 井上下連通時，地麵或淺部汙染物很容易快速直接汙染下部水源，從(cong) 而造成水質惡化，在管道或設備中也容易產(chan) 生微生物粘泥。這些腐蝕產(chan) 物不但造成設備、管網堵塞、水量減小、回灌困難而且還會(hui) 造成地下水汙染，危害極大。

2 水源井工程技術研究
       淺層地熱能開發係統能否正常運行，抽水和回灌能否可持續，地質環境能否較好保護，這些問題都與(yu) 水源井的管材選擇、鑽井工藝有著密切，所以，水源井是地下能源采集係統中核心和關(guan) 鍵。淺層地熱能水源井與(yu) 普通的供水井有相似之處，但是水源井成井質量和技術要求應該更高。
2.1 水源井成井材料選擇
       從(cong) 上述的施工現狀和存在問題可知：水泥管和金屬管材存在著自身問題和引發的係列問題較多。特別是成井過濾管的材質和型式尤為(wei) 重要，由於(yu) 鍍鋅橋式過濾管相對不鏽鋼過濾管和梯形絲(si) 碳鋼過濾管價(jia) 格低廉，並已大麵積推廣應用，所以，眾(zhong) 多的水源井中均采用鍍鋅橋式過濾管。
為(wei) 了直觀了解和觀察不同過濾管材的腐蝕與(yu) 結垢情況，我們(men) 把國內(nei) 常用鍍鋅橋式過濾管、梯形絲(si) 碳鋼過濾管、PVC-U銑縫式過濾管和不鏽鋼梯形絲(si) 過濾管在實驗室同一水環境和溫度下進行腐蝕與(yu) 結垢試驗，如圖4和圖5。試驗分2組進行，即：第1組試驗是選擇上述4種不同材質和不同類型的過濾器，在同一種類型的地下水中進行對比性試驗；第2組試驗是選擇同種材料的PVC-U塑料過濾器在不同水質的地下水中進行對比試驗。

       通過試驗可知：鍍鋅橋式過濾管，在第7d時開始腐蝕與(yu) 結垢，普通T型絲(si) 過濾器在第15d時開始腐蝕結垢，但是其腐蝕結垢程度遠小於(yu) 鍍鋅橋式過濾器。PVC-U塑料和不鏽鋼過濾管則無變化，隻是不鏽鋼容器內(nei) 水質稍微渾濁，而塑料管容器內(nei) 水質依舊清澈透明。圖6是試驗進行到30d時鍍鋅橋式過濾管腐蝕情況，圖中可以看出管內(nei) 外均腐蝕嚴(yan) 重，且過濾縫隙處已出現結垢和堵塞情況[6]。                 

       圖7是PVC-U塑料過濾管在4種不同水質中120d的對比性試驗。試驗證明：PVC-U塑料材料在不同水質中沒有發生任何腐蝕與(yu) 結垢現象。把試驗後的水樣與(yu) 試驗前水樣進行測試分析對比後水質沒有發生變化，見表1。說明PVC-U塑料材料在水中沒有發生析出和溶解現象，同時也說明了PVC材料不會(hui) 對地下水造成汙染。

圖7  PVC-U塑料管管腐蝕結垢與(yu) 溶解性試驗
表1   試驗浸泡前水樣與(yu) 浸泡後水質測試結果
                 砷        鎘        鉛        汞        酚類     銻 
浸泡後  0.001   ＜0.005   ＜0.005   ＜0.0001   ＜0.002   0.002
浸泡前  0.001   ＜0.005   ＜0.01    ＜0.0001   ＜0.002   0.002
               錫        鋁        鉻        氯仿     四氯化碳
浸泡後  ＜0.001    0.03    ＜0.001     ＜0.01    ＜0.001
浸泡前  ＜0.001    0.07    ＜0.001     ＜0.01    ＜0.001
注：分析委托河南省地質環境監測院實驗室進行
        通過試驗和實際情況證明：PVC-U塑料管具有不腐蝕結垢、不不汙染地下水、管壁光滑、阻力小、塑性好等特點。所以，在目前技術經濟條件下，PVC-U塑料管作為(wei) 抽水井和回灌井是優(you) 選擇。
2.2 鑽井工藝
       水源井鑽井工藝包括主要鑽孔結構設計、鑽井方法、填礫與(yu) 止水、洗井與(yu) 抽水試驗。
2.2.1 鑽孔結構設計
       淺層地熱能水源井不同於(yu) 一般供水井，水源井由抽水群井和回群灌井組成，數量較多，且每年有近1/3時間不工作。所以，在成井結構設計上有所不同。一般供水井過濾層厚度大於(yu) 70mm即能滿足要求。孔隙型地下水水源井鑽井口徑與(yu) 管徑之間間隙應大於(yu) 100mm。對於(yu) 130m以淺的水源井采用一徑到底。對於(yu) 大於(yu) 130m以深的水源井可采用二開方式，其變徑位置據當地水文地質條件和下泵深度確定。一般情況下上部鑽井直徑在450～600mm,管徑245～350mm；下部鑽井直徑在360～450mm,管徑160～250mm。井深度易控製在300m以淺。對於(yu) 岩溶裂隙型地下水水源井因為(wei) 不投礫，所以，需要下管時其口徑與(yu) 管徑間隙控製在10～30mm即可；基岩穩定不需下管時可根據水泵尺寸確定鑽井口徑，一般在上部鑽井口徑230～300mm；下部鑽井口徑150～216mm。
2.2.2 鑽井方法
       對於(yu) 孔隙型地下水鑽井采用泵吸反循環、氣舉(ju) 反循環等“負壓欠平衡鑽井法”，該方法不僅(jin) 效率高、水量大、成井速度快，而且可以減少泥漿汙染和堵塞地層，同時可省去洗井工序。據鄭州市沿黃水源地改造工程試驗和生產(chan) 結果證明：采用泵吸反循環方法鑽井，其鑽井效率比正循環提高3～5倍，單井出水量提高30%左右。但是，當井深超過140m時泵吸反循環效率將會(hui) 降低，另外，泵吸反循環主要適應地層為(wei) 鬆散卵礫石地層和砂土地層，當地層較硬且粘性較強時不宜采用該方法。氣舉(ju) 反循環適應範圍較廣，隻要有足夠的沉沒比則可在任何地層中鑽進。
對於(yu) 岩溶裂隙型地下水鑽井，由於(yu) 岩石堅硬，一般的鑽井方法效率極低。所以，選擇空氣潛孔錘或井底螺杆馬達鑽進方法同樣具有效率高、單井水量大等優(you) 點。據雲(yun) 南和河南山區抗旱打井實際效果來看：空氣潛孔錘鑽井效率比正循環泥漿鑽進效率提高10～20倍，單井水量提高30%～40%。通過廣東(dong) 珠江三角洲地熱資源鑽探工程實例來看，在石英砂岩、花崗岩地層中采用正循環泥漿鑽井效率是0.15～0.2m/h，而采用井底螺杆馬達鑽井效率為(wei) 2～3m/h，平均效率提高14倍。
2.2.3 填礫與(yu) 止水
       選擇礦物較為(wei) 穩定的天然石英砂作為(wei) 回填濾料，禁止使用礦物成分複雜且不穩定的人工碎石。主要目的是為(wei) 了防止過濾層膠結，導致透水性降低。填礫時緩慢投放，避免“架橋”，並且盡可能保證填礫厚度上下均勻一致。對於(yu) 回灌井濾料直徑可以比抽水井大一級或二級，以便形成良好的透水空間，減小阻力，保持回灌水順利進入地層。
       所有的水源井都必須根據當地水文地質條件和地層情況進行止水，杜絕全孔上下連通，預防下部地下水快速汙染。止水方式可采用粘土球或水泥固井等。
2.2.4 洗井與(yu) 抽水試驗
       泵吸反循環、氣舉(ju) 反循環、空氣潛孔錘等鑽井及成井後不需要專(zhuan) 門洗井，可以直接下泵進行簡單洗井後抽水。正循環泥漿鑽井由於(yu) 在鑽進過程中的泥漿汙染和堵塞，所以，必須進行必要的洗井工序，以達到*疏通含水層之目的。對於(yu) 鬆散地層成井可選擇潛水泵—空壓機、空壓機—活塞、焦磷酸鈉（鹽酸）—二氧化碳、二氧化碳—空壓機等聯合洗井方法。對於(yu) 基岩裂隙岩溶型地熱井宜爆破—空壓機、壓裂—焦磷酸鈉（鹽酸）—空壓機等聯合洗井方法。爆破和壓裂時宜參照相關(guan) 安全規定和工藝，並由專(zhuan) 業(ye) 施工隊伍組織實施。
       抽水必須按照相關(guan) 規範和合同要求執行，並取樣化驗。在取得水文地質參數和水質檢測結果後，評價(jia) 抽水和回灌能力和腐蝕性等，為(wei) 今後科學合理開發利用提供依據。
       綜上所述，水源熱泵開發淺層地熱能的關(guan) 鍵是水源井的工程質量。目前存在的回灌困難、地質環境問題等都與(yu) 水源井密不可分。所以，在新能源開發利用過程中，優(you) 化工程設計，注重成井材料、鑽井工藝選擇具有重要的意義(yi) 。同時，針對現狀和問題，結合生產(chan) 實際，加大自主創新，為(wei) 淺層地熱能合理開發利用提供技術支撐。

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