河南中深层地热热交换系统应用浅析

　　摘要：本文以河南省部分地区地热储藏特点为例，在进行地热资源开采的时候选用适当的导热介质直接将热能带到地表，通过地表热交换系统将热能转储到水中，由加热后的热水向用户供暖，满足小区、医院、公共办公场所、酒店公寓等冬期供暖需要。整个热转换系统和地表热交换系统严格密封，不存在介质渗漏现象，而且换热效率高，既达到供暖要求，又不污染环境，是一种实用性极强的地热应用系统。

　　关键词：地热;环保;热交换

　　0前言

　　河南省地处中原地带、黄河中下游地区，以冲积平原为主。地层上部以第四系、第三系、新近系居多，厚度大、分布范围广，这为河南省深部地热储藏创造了良好的条件。但近年来因开采层位集中而且以开采地热温水为主，开采幅度大，在郑州、漯河、开封、周口、商丘、新乡、安阳等地区已形成地下漏斗，给浅部地热开发敲响了警钟。

　　目前在开封市、兰考县、延津县、封丘县、杞县等市县已经逐步开展深部地热开发应用，因为开采层位多数为新近系明化镇组、古近系馆陶组砂岩系列含水层，孔隙率相对稳定致密，抽水量稳定，回灌时因受孔隙水压力影响较为困难，所以，在地热利用系统中采取一抽二回或一抽三回的地热抽回系统进行供暖。但即使这样，仍存在回灌困难的问题。为了使回灌效果有较大提高，部分回灌井结构采热段采用定向井技术，在下部拉近与抽水井的距离，收到了一定的效果，但不太明显。

　　有些投资公司甚至采用地下定向对接井的形式开采地热，形成循环抽水取热，但成对的井组直接成本很高，投资回报周期较长，影响其进一步的发展。从已掌握的现有资料可知，上述河南区域的中深层地热以低温地热为主，即温水(35℃～50℃)，储藏深度900～1300m;温热水(46℃～62℃)，储藏深度1300～1800m;和热水(57℃～73℃)，储藏深度1800～2200m左右。目前很多地区开发地热深度以1500m以浅为主。

　　目前，兰考、延津、封丘、开封等市县供暖则以1800～2200m为主要开采层位，并根据国家大政方针要求，地热开采必须进行回灌，否则地方水务管理部门不能审批地热开采项目。河南地热以中低温热储为主，根据地热开采的一般规律，地热井测井温度在60℃以上时，成井结束后经抽水试验出水温度则至少可达65℃以上，具备了深部取热的基本条件。

　　以郑州东部、开封、商丘、新乡、安阳等平原地市的沉积岩区域，当钻探深度在1800～2200m时，地层温度可以达上述要求。但从保护地热水资源的角度出发，对地热采热系统、地下地上热交换系统进行设计，换热井施工完成后，将热水连到供暖区域，满足供暖需要。上述这种只采热不取水的供暖方式具有环保、高效，节约地热水资源、采热/制冷两不误等特点。积极推广这种新型的地热供暖、供生活热水系统，是倡导国家保护地热资源、合理开发利用地热资源的实际行动，并具有良好的经济和社会效益。

　　1地热资源采热的可行性

　　河南省的郑州东部、开封、商丘、新乡、安阳等多数地区基岩埋深均在1300m以上，下部基岩依次为三叠系、二叠系、石炭系，然后是奥陶系、寒武系灰岩，基岩以下的三叠系一般厚度较大，不同的地区因地质结构不同，同等深度的地热增温有一定的差异。

　　1.1热储可行

　　根据地热采暖的一般要求，如果地下热储温度达到55℃以上即具备开采利用价值。因此，河南省上述地区均具备地热开发利用价值。

　　1.2技术可行

　　因地热水资源是不可再生资源，当地热开发到中后期，地热水资源越来越少，甚至濒临枯竭，所以，采取直接取水供暖模式已明显不可行。但随着地热供暖技术的不断进步，探索通过热交换系统将地下热储采集并输送到地表，在地表进行二次热交换，然后将热量转换到水介质供热系统中，即可实现对服务区域供暖。

　　2地热能换热技术应用的优点

　　这种供暖系统因为不以开采地热水为前提，具有如下特点：(1)减少环境污染，该系统以地下热储为能源，不采用烧煤、烧燃气等加热方式供暖，可减少CO2、SO2等污染物的排放，不污染环境;(2)地下换热技术不开采地下热水，有利于保护地下热水资源;(3)该技术采用导热介质作为传热载体，在井底段由井底热交换器加热后，经导管输出到地表，在地表由另一部热交换器将热能转换到地面水循环体系中，经过加热的水由中央空调系统输送到用户家中，实现供暖，热损少，热交换效率较高。

　　(4)安全、经济，该技术在运行过程中不消耗电力或只消耗很少的电能，就可不间断地为用户提供热源，运行费用远低于传统供暖成本，安全经济;(5)可行性强，目前的地热钻井技术已经呈现多样化，经过钻井施工企业的不断努力，钻井成本呈逐年下降趋势，对地热换热供暖系统由理论推向实践应用起到直接的推动作用，可行性较强。

　　3地热钻井施工技术方案

　　3.1地热井身结构设计

　　一、二开均水泥固井，固井质量达到合格标准。

　　3.2钻井设备选择

　　根据该类地热钻井的设计深度、钻进地层特点、钻井周期及其他要求，可选用的钻机有：ZJ20、ZJ30、ZJ40、TSJ-2600等型钻机，泥浆泵可选用3NB-500、800、1000、1300系列，配备振动筛、除砂器、除泥器等泥浆净化设备进行施工。

　　3.3钻具组合

　　一开钻具组合：Φ500mm牙轮钻头+Φ203mm钻铤2根+Φ177.8mm钻铤数根+133mm方钻杆。二开钻具组合：Φ311.1mm牙轮钻头+Φ172mm螺杆1根+Φ177.8mm钻铤1根+Φ308mm扶正器+Φ177.8mm钻铤8根+Φ127mm加重钻杆10根+Φ127mm钻杆(Φ89mm钻杆)+133mm方钻杆。

　　3.4钻探设备安装及钻进技术要求

　　(1)设备安装做到水平、周正、稳固，钻机安装要保持三点一线和转盘水平。(2)施工现场布置应紧凑、整齐、合理，管材、工具和附属设施应摆放整齐，所有物资材料不得随意堆放。(3)合理布置泥浆循环系统，设置泥浆罐的泥浆净化系统应按除渣、除砂、除泥的顺序依次对泥浆进行净化处理并对泥浆性能进行调整，之后进入下一循环过程。

　　(4)井场供电首选就近的变配电设施供电，当变配电设施不能满足施工需要时，选用自备发电机组进行电力供应。(5)钻进时，合理选择钻进参数，钻压不超过钻铤总重的80%，时刻注意转速变化及钻头转动情况，泵压、泵量情况，发现异常及时处理。每打完一单根均应划眼一至二次，确保钻孔垂直、圆整。

　　(6)下钻过程中，严格检查入孔钻具，并做好记录，对问题钻具坚决拒绝入孔。(7)在钻进过快孔段要做好降低钻速的措施，防止钻进过快形成螺旋孔，或钻屑上返不及时造成孔内复杂。

　　3.5钻井液参数

　　一开：泥浆密度1.05～1.17g/cm3，漏斗黏度18～24s，滤失量<15mL/30min，pH8～9，泥饼厚度<1.0mm，含砂量<1%。二开：泥浆密度1.08～1.20g/cm3，漏斗黏度19～26s，滤失量<15mL/30min，pH8～10，泥饼厚度<1.0mm，含砂量<1%。

　　3.6直孔防斜技术措施(1)钻机安装应保证钻塔天车、转盘中心、钻孔中心三点一线，钻塔脚地基稳固可靠，严格控制钻机安装精度;(2)一开钻进采用满眼钻具进行钻井施工，建立钻具多点支撑体系，提高下部钻具的整体刚度;(3)钻进时，时刻保持钻压在规定的范围之内，使钻具一直处于受拉状态;(4)优化钻进参数，合理控制钻压，送钻均匀，地层变化时调整钻进参数;(5)加强对孔斜的监测，发现孔斜及时采取措施控制孔斜，必要时采取纠偏手段纠斜。

　　3.7其他措施为使整个项目顺利完成并达到预期目的，应采取相应的质量、工期、安全保证措施。目前钻探行业正在推行环保钻探，钻井现场的环境保护尤为重要。因此，在确保钻井安全的前提下，应采取各种环保措施，比如改善施工工艺，优选气举反循环、气动潜孔锤、空气(泡沫)钻井等欠平衡钻井技术，尽量避免泥浆对钻孔周围地层、外界环境的污染。如果采用泥浆循环，应选用对环境污染少的处理剂和添加剂，施工结束后的泥浆应采取除水、固化等措施，避免污染环境。

　　4井内热交换系统

　　井内采用材料为PE-RT的输水管线将导热介质从外管与内管的环隙由加压泵送到井底，在井底长距离的运行期间由地层高温直接对导热介质在热交换器部位进行加热，加热后的导热介质通过内管上返至地面的热交换器内，完成井底加热、传送热量到地面的任务。

　　5地面热交换系统

　　经过加热的导热介质，通过地表热交换装置完成相关热能转换工作。传输出来的导热介质在地面热交换器管道内充分循环，将热量高效传递到输水管道的水介质中，被加热后的热水通过转输泵加压送到客户需要的区域，实现对小区、酒店、公共办公大楼等客户的供暖。

　　6中深层地热热交换系统特点、现存问题及下步研究方向

　　(1)地热换热井不开采地下水，只取热，保护珍贵的地热水资源;供暖过程中只消耗很少电力即可维持系统运转，经济安全;内管采用特种PE管或双壁管，一次投入长期使用，据推测其寿命可达50年。(2)地热井取水供暖时，地热水回灌困难是困扰中深地热供暖的难题，需要进一步研究地热井抽回系统的设计、施工及运行试验，方可获得实践依据(现在在供暖建成区已经显现)。

　　(3)地热井建成换热井时，只取热不取水，理念先进，但尚需对后续运营期的监测维护做好充分的准备工作。例如，冬期持续供暖状况下，循环水经深部加热后出水口水温的衰减问题，衰减后继续供暖达到稳定态后，需要向用户供暖系统加热的耗能状况。(4)换热系统中针对导热介质的选择，需要相关企业相应展开研究。选择不同的导热介质时，其应用效果会有差异，应合理甄选最适合的循环导热介质。(5)供暖期间，取暖的过程是深部地层降温、中上部、浅层地层加温的过程，存在地表水体被动加热现象，其对区域浅层水系、中部水系的热影响程度如何(如对浅层水体热污染、因浅层水体受热后水质变化的情况)，还需在后期运行中开展监测、研究。

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　　矿井方向论文范文阅读：地热井施工技术现状及使用问题探究

　　摘要：本文对地热井的施工现状和使用问题进行阐述，并进行了研究和分析，探讨了地热井的发展方向。

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