淺層地熱能水源井工程問題與技術研究

摘要：淺層地熱能具有儲量大、分布廣、埋深淺、易開發(fā)等特點，是可再生新能源。在傳統(tǒng)能源資源緊張和環(huán)境惡化形勢下，大力開發(fā)利用淺層地熱能對低碳經(jīng)濟和節(jié)能減排具有重要的意義。水源熱泵以能量利用率高、成本低、維修方便優(yōu)勢占據(jù)著重要地位，其中水源井是其關鍵，水源井的工程質(zhì)量將直接影響著系統(tǒng)運行、回灌和使用壽命。通過大量的調(diào)查，分析研究了目前水源井工程存在的突出問題，并在試驗和實際經(jīng)驗基礎上提出了合理的水源井工程技術。
關鍵詞：淺層地熱能；水源井；問題；技術研究

       淺層地熱能具有資源豐富、分布廣泛、開發(fā)便利等特點，是可再生綠色新能源。在傳統(tǒng)化石類能源資源日趨緊張和生態(tài)環(huán)境惡化的嚴峻形勢下，大力開發(fā)利用淺層地熱能，實現(xiàn)建筑物供暖制冷，對的低碳經(jīng)濟和節(jié)能減排具有重大的意義和廣闊的應用前景。自1995年以來各國重視淺層地熱能開發(fā)，并以每年20%的遞增速度發(fā)展，我國自2000年開始以每年50%的遞增速度發(fā)展，目前在該領域位居*三[1]。
       淺層地熱能開發(fā)主要是通過熱泵把地下200m以淺巖體和水體中的低品位熱能（10～25℃）提升為高品位熱能，來實現(xiàn)供暖；夏季則把地面建筑物內(nèi)高溫排到地下進行能量交換，從而達到制冷目的。整個系統(tǒng)主要由地下能源采集系統(tǒng)、能量提升（交換）系統(tǒng)和能量釋放系統(tǒng)三部分組成，其中地下能源采集系統(tǒng)是技術核心和關鍵部分。特別是水源井的施工工藝和成井管材將直接影響整個系統(tǒng)是否能夠正常運行、回灌和區(qū)域地質(zhì)環(huán)境[2]。目前在地下能源采集系統(tǒng)主要有地埋管（土壤源熱泵）和水源井（水源熱泵）兩種方式。由于水源熱泵與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(yōu)勢，所以，目前國內(nèi)多數(shù)地區(qū)在開發(fā)淺層地熱能時，主要以水源熱泵為主。如：北京和河南利用水源熱泵開發(fā)淺層地熱能分別為80%和98%，而地埋管土壤源熱泵僅占20%和2%。當?shù)叵滤Y源缺乏的情況下，才適用于地埋管的方式。
1 水源井施工現(xiàn)狀及問題分析
1.1 水源井施工現(xiàn)狀
       國內(nèi)目前在淺層地熱能開發(fā)領域除北京、天津、沈陽等地比較規(guī)范外，其它多數(shù)地區(qū)和城市在管理、監(jiān)管和市場引導方面幾乎缺失，許多城市和地區(qū)的淺層地熱能開發(fā)以機電安裝資質(zhì)和空調(diào)廠家、中介公司為主體。這些單位在機電安裝方面具有一定的優(yōu)勢，但是由于缺乏必要的鉆探、水文地質(zhì)技術人員，從而在水源井設計和施工方面，靠經(jīng)驗以低廉的價格分包給個體鉆機。據(jù)調(diào)查：目前國內(nèi)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種；鉆井方法多數(shù)為正循環(huán)泥漿鉆進和沖擊鉆進；不進行專門洗井，而在下完井管后直接下入潛水泵抽水；濾料多數(shù)采用人工碎石，而不是天然石英砂；為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個水源熱泵系統(tǒng)項目幾乎都是上述情況。盡管上述技術和工藝可以大大節(jié)約鉆井費用，但是，帶來的一系列地質(zhì)環(huán)境問題（水位下降、地面不均勻沉降、地下水熱污染）和運行不正常等，從而嚴重影響了淺層地熱能的開發(fā)利用。
1.2 主要問題
       從上述的施工現(xiàn)狀和實際工程中表現(xiàn)出的現(xiàn)象，其突出問題主要反映在以下幾方面：
       （1）成井管材質(zhì)量差，使用壽命短。由于工程承包價格低廉，施工方不得不選擇價格低廉的水泥管和螺旋鋼管。水泥管盡管耐腐蝕，但是，抗沖擊、抗彎曲、抗拉強度極小。再加之其過濾管部分為圓孔包棕方法極易在下管過程中與井壁摩擦損壞。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(nèi)坍塌報廢。螺旋鋼管強度較高，但是其腐蝕結(jié)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(jié)垢情況，從圖中可以看出：90d時鍍鋅橋式過濾管腐蝕結(jié)垢嚴重，并發(fā)生堵塞縫隙現(xiàn)象；試驗容器內(nèi)水渾濁嚴重，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年后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、硬度等含量較高時，其腐蝕速度更快，120～180d時就會在井內(nèi)產(chǎn)生幾十米的沉淀物（腐蝕產(chǎn)物）。  

      圖1  電偶腐蝕試驗
       （2）回灌困難問題日益突出。因為泥漿污染堵塞含水層、鉆井速度低、洗井方法不合理以及金屬井管腐蝕結(jié)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：河南松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）回灌率僅在30%～50%；有的新建井當年基本回灌較為順暢，第二年就回灌不下去。一些施工單位或個人為了應付業(yè)主，私自把回灌井與市政排水管網(wǎng)連通進行分流，而造成區(qū)域地下水下降、地面不均勻沉降等地質(zhì)環(huán)境問題。這些現(xiàn)象和問題在鄭州表現(xiàn)的尤為突出，為此，鄭州市節(jié)水辦不再審批淺層地熱能開發(fā)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(qū)更為嚴重。由此，許多地區(qū)為了避免引發(fā)的系列問題，即便是在地下水資源豐富的區(qū)域不得不改為地埋管方式來開發(fā)淺層地熱能。
       （3）熱貫通問題嚴重，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熱源，通過抽水和回灌實現(xiàn)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(zhuǎn)移。由于回灌水與原始含水層溫度存在的差異，在導熱和對流等作用下，回灌水會導致抽水井溫度有不同程度的升高或降低，這種現(xiàn)象稱為“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）井間距不低于50m[4]。而實際中有些單位因為場地狹小，抽水井與回灌井距離在5～20m之間，由此會造成熱貫通和地下水熱污染，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(wǎng)堵塞嚴重，維修頻繁。引起設備和管網(wǎng)堵塞的原因主要有水源井含砂量高、金屬井管腐蝕結(jié)垢、水源井未止水等。含砂量過高主要是因為成井質(zhì)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于地下土壤中存在著大量的微生物，這些微生物在20～30℃環(huán)境下大量滋生和泛濫，并產(chǎn)生生物（細菌）腐蝕，其腐蝕產(chǎn)物將產(chǎn)生微生物粘泥和沉淀物。硫酸鹽還原菌和鐵細菌好氧菌是常見的細菌，它們與金屬井管相遇會在井內(nèi)產(chǎn)生大量的硫化亞鐵（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井底排出黑色腐蝕產(chǎn)物，圖3是金屬掛片腐蝕試驗90d時在容器內(nèi)沉淀的粘泥。當水源井未進行止水，整個井上下連通時，地面或淺部污染物很容易快速直接污染下部水源，從而造成水質(zhì)惡化，在管道或設備中也容易產(chǎn)生微生物粘泥。這些腐蝕產(chǎn)物不但造成設備、管網(wǎng)堵塞、水量減小、回灌困難而且還會造成地下水污染，危害極大。

2 水源井工程技術研究
       淺層地熱能開發(fā)系統(tǒng)能否正常運行，抽水和回灌能否可持續(xù)，地質(zhì)環(huán)境能否較好保護，這些問題都與水源井的管材選擇、鉆井工藝有著密切，所以，水源井是地下能源采集系統(tǒng)中核心和關鍵。淺層地熱能水源井與普通的供水井有相似之處，但是水源井成井質(zhì)量和技術要求應該更高。
2.1 水源井成井材料選擇
       從上述的施工現(xiàn)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(fā)的系列問題較多。特別是成井過濾管的材質(zhì)和型式尤為重要，由于鍍鋅橋式過濾管相對不銹鋼過濾管和梯形絲碳鋼過濾管價格低廉，并已大面積推廣應用，所以，眾多的水源井中均采用鍍鋅橋式過濾管。
為了直觀了解和觀察不同過濾管材的腐蝕與結(jié)垢情況，我們把國內(nèi)常用鍍鋅橋式過濾管、梯形絲碳鋼過濾管、PVC-U銑縫式過濾管和不銹鋼梯形絲過濾管在實驗室同一水環(huán)境和溫度下進行腐蝕與結(jié)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(zhì)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(zhì)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時開始腐蝕與結(jié)垢，普通T型絲過濾器在第15d時開始腐蝕結(jié)垢，但是其腐蝕結(jié)垢程度遠小于鍍鋅橋式過濾器。PVC-U塑料和不銹鋼過濾管則無變化，只是不銹鋼容器內(nèi)水質(zhì)稍微渾濁，而塑料管容器內(nèi)水質(zhì)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(nèi)外均腐蝕嚴重，且過濾縫隙處已出現(xiàn)結(jié)垢和堵塞情況[6]。                 

       圖7是PVC-U塑料過濾管在4種不同水質(zhì)中120d的對比性試驗。試驗證明：PVC-U塑料材料在不同水質(zhì)中沒有發(fā)生任何腐蝕與結(jié)垢現(xiàn)象。把試驗后的水樣與試驗前水樣進行測試分析對比后水質(zhì)沒有發(fā)生變化，見表1。說明PVC-U塑料材料在水中沒有發(fā)生析出和溶解現(xiàn)象，同時也說明了PVC材料不會對地下水造成污染。

圖7  PVC-U塑料管管腐蝕結(jié)垢與溶解性試驗
表1   試驗浸泡前水樣與浸泡后水質(zhì)測試結(jié)果
                 砷        鎘        鉛        汞        酚類     銻 
浸泡后  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
浸泡后  ＜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(zhì)環(huán)境監(jiān)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(jié)垢、不不污染地下水、管壁光滑、阻力小、塑性好等特點。所以，在目前技術經(jīng)濟條件下，PVC-U塑料管作為抽水井和回灌井是優(yōu)選擇。
2.2 鉆井工藝
       水源井鉆井工藝包括主要鉆孔結(jié)構(gòu)設計、鉆井方法、填礫與止水、洗井與抽水試驗。
2.2.1 鉆孔結(jié)構(gòu)設計
       淺層地熱能水源井不同于一般供水井，水源井由抽水群井和回群灌井組成，數(shù)量較多，且每年有近1/3時間不工作。所以，在成井結(jié)構(gòu)設計上有所不同。一般供水井過濾層厚度大于70mm即能滿足要求。孔隙型地下水水源井鉆井口徑與管徑之間間隙應大于100mm。對于130m以淺的水源井采用一徑到底。對于大于130m以深的水源井可采用二開方式，其變徑位置據(jù)當?shù)厮牡刭|(zhì)條件和下泵深度確定。一般情況下上部鉆井直徑在450～600mm,管徑245～350mm；下部鉆井直徑在360～450mm,管徑160～250mm。井深度易控制在300m以淺。對于巖溶裂隙型地下水水源井因為不投礫，所以，需要下管時其口徑與管徑間隙控制在10～30mm即可；基巖穩(wěn)定不需下管時可根據(jù)水泵尺寸確定鉆井口徑，一般在上部鉆井口徑230～300mm；下部鉆井口徑150～216mm。
2.2.2 鉆井方法
       對于孔隙型地下水鉆井采用泵吸反循環(huán)、氣舉反循環(huán)等“負壓欠平衡鉆井法”，該方法不僅效率高、水量大、成井速度快，而且可以減少泥漿污染和堵塞地層，同時可省去洗井工序。據(jù)鄭州市沿黃水源地改造工程試驗和生產(chǎn)結(jié)果證明：采用泵吸反循環(huán)方法鉆井，其鉆井效率比正循環(huán)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(huán)效率將會降低，另外，泵吸反循環(huán)主要適應地層為松散卵礫石地層和砂土地層，當?shù)貙虞^硬且粘性較強時不宜采用該方法。氣舉反循環(huán)適應范圍較廣，只要有足夠的沉沒比則可在任何地層中鉆進。
對于巖溶裂隙型地下水鉆井，由于巖石堅硬，一般的鉆井方法效率極低。所以，選擇空氣潛孔錘或井底螺桿馬達鉆進方法同樣具有效率高、單井水量大等優(yōu)點。據(jù)云南和河南山區(qū)抗旱打井實際效果來看：空氣潛孔錘鉆井效率比正循環(huán)泥漿鉆進效率提高10～20倍，單井水量提高30%～40%。通過廣東珠江三角洲地熱資源鉆探工程實例來看，在石英砂巖、花崗巖地層中采用正循環(huán)泥漿鉆井效率是0.15～0.2m/h，而采用井底螺桿馬達鉆井效率為2～3m/h，平均效率提高14倍。
2.2.3 填礫與止水
       選擇礦物較為穩(wěn)定的天然石英砂作為回填濾料，禁止使用礦物成分復雜且不穩(wěn)定的人工碎石。主要目的是為了防止過濾層膠結(jié)，導致透水性降低。填礫時緩慢投放，避免“架橋”，并且盡可能保證填礫厚度上下均勻一致。對于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(jù)當?shù)厮牡刭|(zhì)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污染。止水方式可采用粘土球或水泥固井等。
2.2.4 洗井與抽水試驗
       泵吸反循環(huán)、氣舉反循環(huán)、空氣潛孔錘等鉆井及成井后不需要專門洗井，可以直接下泵進行簡單洗井后抽水。正循環(huán)泥漿鉆井由于在鉆進過程中的泥漿污染和堵塞，所以，必須進行必要的洗井工序，以達到*疏通含水層之目的。對于松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(lián)合洗井方法。對于基巖裂隙巖溶型地熱井宜爆破—空壓機、壓裂—焦磷酸鈉（鹽酸）—空壓機等聯(lián)合洗井方法。爆破和壓裂時宜參照相關安全規(guī)定和工藝，并由專業(yè)施工隊伍組織實施。
       抽水必須按照相關規(guī)范和合同要求執(zhí)行，并取樣化驗。在取得水文地質(zhì)參數(shù)和水質(zhì)檢測結(jié)果后，評價抽水和回灌能力和腐蝕性等，為今后科學合理開發(fā)利用提供依據(jù)。
       綜上所述，水源熱泵開發(fā)淺層地熱能的關鍵是水源井的工程質(zhì)量。目前存在的回灌困難、地質(zhì)環(huán)境問題等都與水源井密不可分。所以，在新能源開發(fā)利用過程中，優(yōu)化工程設計，注重成井材料、鉆井工藝選擇具有重要的意義。同時，針對現(xiàn)狀和問題，結(jié)合生產(chǎn)實際，加大自主創(chuàng)新，為淺層地熱能合理開發(fā)利用提供技術支撐。

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