浅层地热能水源井工程问题与技术研究

摘要：浅层地热能具有储量大、分布广、埋深浅、易开发等特点，是可再生新能源。在传统能源资源紧张和环境恶化形势下，大力开发利用浅层地热能对低碳经济和节能减排具有重要的意义。水源热泵以能量利用率高、成本低、维修方便优势占据着重要地位，其中水源井是其关键，水源井的工程质量将直接影响着系统运行、回灌和使用寿命。通过大量的调查，分析研究了目前水源井工程存在的突出问题，并在试验和实际经验基础上提出了合理的水源井工程技术。
关键词：浅层地热能；水源井；问题；技术研究

       浅层地热能具有资源丰富、分布广泛、开发便利等特点，是可再生绿色新能源。在传统化石类能源资源日趋紧张和生态环境恶化的严峻形势下，大力开发利用浅层地热能，实现建筑物供暖制冷，对的低碳经济和节能减排具有重大的意义和广阔的应用前景。自1995年以来各国重视浅层地热能开发，并以每年20%的递增速度发展，我国自2000年开始以每年50%的递增速度发展，目前在该领域位居*三[1]。
       浅层地热能开发主要是通过热泵把地下200m以浅岩体和水体中的低品位热能（10～25℃）提升为高品位热能，来实现供暖；夏季则把地面建筑物内高温排到地下进行能量交换，从而达到制冷目的。整个系统主要由地下能源采集系统、能量提升（交换）系统和能量释放系统三部分组成，其中地下能源采集系统是技术核心和关键部分。特别是水源井的施工工艺和成井管材将直接影响整个系统是否能够正常运行、回灌和区域地质环境[2]。目前在地下能源采集系统主要有地埋管（土壤源热泵）和水源井（水源热泵）两种方式。由于水源热泵与土壤源热泵相比具有初投资小、能量利用率高、维修方便等优势，所以，目前国内多数地区在开发浅层地热能时，主要以水源热泵为主。如：北京和河南利用水源热泵开发浅层地热能分别为80%和98%，而地埋管土壤源热泵仅占20%和2%。当地下水资源缺乏的情况下，才适用于地埋管的方式。
1 水源井施工现状及问题分析
1.1 水源井施工现状
       国内目前在浅层地热能开发领域除北京、天津、沈阳等地比较规范外，其它多数地区和城市在管理、监管和市场引导方面几乎缺失，许多城市和地区的浅层地热能开发以机电安装资质和空调厂家、中介公司为主体。这些单位在机电安装方面具有一定的优势，但是由于缺乏必要的钻探、水文地质技术人员，从而在水源井设计和施工方面，靠经验以低廉的价格分包给个体钻机。据调查：目前国内在浅层地热能水源井施工技术来看，井深一般在50～200m之间；采用的管材主要有水泥管和螺旋钢管两种；钻井方法多数为正循环泥浆钻进和冲击钻进；不进行专门洗井，而在下完井管后直接下入潜水泵抽水；滤料多数采用人工碎石，而不是天然石英砂；为了增加单井出水量全孔投碎石而不止水，特别是河南省近1000个水源热泵系统项目几乎都是上述情况。尽管上述技术和工艺可以大大节约钻井费用，但是，带来的一系列地质环境问题（水位下降、地面不均匀沉降、地下水热污染）和运行不正常等，从而严重影响了浅层地热能的开发利用。
1.2 主要问题
       从上述的施工现状和实际工程中表现出的现象，其突出问题主要反映在以下几方面：
       （1）成井管材质量差，使用寿命短。由于工程承包价格低廉，施工方不得不选择价格低廉的水泥管和螺旋钢管。水泥管尽管耐腐蚀，但是，抗冲击、抗弯曲、抗拉强度极小。再加之其过滤管部分为圆孔包棕方法极易在下管过程中与井壁摩擦损坏。所以，当水源井使用过程中容易造成水泥管破裂和大量出砂，严重时报废。如：河南省商检局12口水泥管水源井在使用不足2年时就全部报废；郑州市某洗浴中心2口水泥管水源井1年内坍塌报废。螺旋钢管强度较高，但是其腐蚀结垢速度较快，特别是在镀锌桥式过滤管和普通钢管组成的管井时，其二者电极电位相差450mV，从而形成了较大的腐蚀电流和电偶腐蚀。图1是镀锌桥式过滤管和普通钢管试片90d时的腐蚀结垢情况，从图中可以看出：90d时镀锌桥式过滤管腐蚀结垢严重，并发生堵塞缝隙现象；试验容器内水浑浊严重，说明电偶腐蚀速度较快[3]。一般情况下这种管材的选择和组合，使用2～3年后就需要重新维修或报废。特别是地下水Cl-、Fe2+和溶解性总固体、硬度等含量较高时，其腐蚀速度更快，120～180d时就会在井内产生几十米的沉淀物（腐蚀产物）。  

      图1  电偶腐蚀试验
       （2）回灌困难问题日益突出。因为泥浆污染堵塞含水层、钻井速度低、洗井方法不合理以及金属井管腐蚀结垢等诸多因素，使含水层原有渗透性降低，导致抽水井水量偏小、降深大，回灌井回灌困难或*灌不下去。如：河南松散细颗粒地层采用抽回1:3～1:6比例（1口抽水井，3～6口回灌井）回灌率仅在30%～50%；有的新建井当年基本回灌较为顺畅，第二年就回灌不下去。一些施工单位或个人为了应付业主，私自把回灌井与市政排水管网连通进行分流，而造成区域地下水下降、地面不均匀沉降等地质环境问题。这些现象和问题在郑州表现的尤为突出，为此，郑州市节水办不再审批浅层地热能开发项目。回灌困难问题在全国普遍存在，尤其是细砂、粉砂等孔隙地下水类型地区更为严重。由此，许多地区为了避免引发的系列问题，即便是在地下水资源丰富的区域不得不改为地埋管方式来开发浅层地热能。
       （3）热贯通问题严重，设备无法正常运行。水源热泵是利用地下水相对恒定的温度作为热源，通过抽水和回灌实现夏季抽冷水灌热水，冬季抽热水灌冷水的运行过程，地下水的热量或冷量被提取、蓄存和转移。由于回灌水与原始含水层温度存在的差异，在导热和对流等作用下，回灌水会导致抽水井温度有不同程度的升高或降低，这种现象称为“热贯通”。抽水井和回灌井间距大，回水在地下流动时间长，能量交换*，热贯通程度则低。一般在粗颗粒地层（卵砾石、砂砾）抽水井和回灌井间距在100m左右，细颗粒地层（细砂、粉砂）井间距不低于50m[4]。而实际中有些单位因为场地狭小，抽水井与回灌井距离在5～20m之间，由此会造成热贯通和地下水热污染，轻者增加运行费用，重者使机组自动停机而不能正常运行。
       （4）设备管网堵塞严重，维修频繁。引起设备和管网堵塞的原因主要有水源井含砂量高、金属井管腐蚀结垢、水源井未止水等。含砂量过高主要是因为成井质量（滤料级配不合理、洗井不*降深大、水泥过滤管包棕损坏等）造成；金属井管腐蚀则主要是由于地下土壤中存在着大量的微生物，这些微生物在20～30℃环境下大量滋生和泛滥，并产生生物（细菌）腐蚀，其腐蚀产物将产生微生物粘泥和沉淀物。硫酸盐还原菌和铁细菌好氧菌是常见的细菌，它们与金属井管相遇会在井内产生大量的硫化亚铁（黑色沉积物）和黄色的粘泥（FeOOH 或Fe2O3•H2O）[5]，图2是河南省黄河迎宾馆从井底排出黑色腐蚀产物，图3是金属挂片腐蚀试验90d时在容器内沉淀的粘泥。当水源井未进行止水，整个井上下连通时，地面或浅部污染物很容易快速直接污染下部水源，从而造成水质恶化，在管道或设备中也容易产生微生物粘泥。这些腐蚀产物不但造成设备、管网堵塞、水量减小、回灌困难而且还会造成地下水污染，危害极大。

2 水源井工程技术研究
       浅层地热能开发系统能否正常运行，抽水和回灌能否可持续，地质环境能否较好保护，这些问题都与水源井的管材选择、钻井工艺有着密切，所以，水源井是地下能源采集系统中核心和关键。浅层地热能水源井与普通的供水井有相似之处，但是水源井成井质量和技术要求应该更高。
2.1 水源井成井材料选择
       从上述的施工现状和存在问题可知：水泥管和金属管材存在着自身问题和引发的系列问题较多。特别是成井过滤管的材质和型式尤为重要，由于镀锌桥式过滤管相对不锈钢过滤管和梯形丝碳钢过滤管价格低廉，并已大面积推广应用，所以，众多的水源井中均采用镀锌桥式过滤管。
为了直观了解和观察不同过滤管材的腐蚀与结垢情况，我们把国内常用镀锌桥式过滤管、梯形丝碳钢过滤管、PVC-U铣缝式过滤管和不锈钢梯形丝过滤管在实验室同一水环境和温度下进行腐蚀与结垢试验，如图4和图5。试验分2组进行，即：第1组试验是选择上述4种不同材质和不同类型的过滤器，在同一种类型的地下水中进行对比性试验；第2组试验是选择同种材料的PVC-U塑料过滤器在不同水质的地下水中进行对比试验。

       通过试验可知：镀锌桥式过滤管，在第7d时开始腐蚀与结垢，普通T型丝过滤器在第15d时开始腐蚀结垢，但是其腐蚀结垢程度远小于镀锌桥式过滤器。PVC-U塑料和不锈钢过滤管则无变化，只是不锈钢容器内水质稍微浑浊，而塑料管容器内水质依旧清澈透明。图6是试验进行到30d时镀锌桥式过滤管腐蚀情况，图中可以看出管内外均腐蚀严重，且过滤缝隙处已出现结垢和堵塞情况[6]。                 

       图7是PVC-U塑料过滤管在4种不同水质中120d的对比性试验。试验证明：PVC-U塑料材料在不同水质中没有发生任何腐蚀与结垢现象。把试验后的水样与试验前水样进行测试分析对比后水质没有发生变化，见表1。说明PVC-U塑料材料在水中没有发生析出和溶解现象，同时也说明了PVC材料不会对地下水造成污染。

图7  PVC-U塑料管管腐蚀结垢与溶解性试验
表1   试验浸泡前水样与浸泡后水质测试结果
                 砷        镉        铅        汞        酚类     锑 
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
               锡        铝        铬        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：分析委托河南省地质环境监测院实验室进行
        通过试验和实际情况证明：PVC-U塑料管具有不腐蚀结垢、不不污染地下水、管壁光滑、阻力小、塑性好等特点。所以，在目前技术经济条件下，PVC-U塑料管作为抽水井和回灌井是佳选择。
2.2 钻井工艺
       水源井钻井工艺包括主要钻孔结构设计、钻井方法、填砾与止水、洗井与抽水试验。
2.2.1 钻孔结构设计
       浅层地热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组成，数量较多，且每年有近1/3时间不工作。所以，在成井结构设计上有所不同。一般供水井过滤层厚度大于70mm即能满足要求。孔隙型地下水水源井钻井口径与管径之间间隙应大于100mm。对于130m以浅的水源井采用一径到底。对于大于130m以深的水源井可采用二开方式，其变径位置据当地水文地质条件和下泵深度确定。一般情况下上部钻井直径在450～600mm,管径245～350mm；下部钻井直径在360～450mm,管径160～250mm。井深度易控制在300m以浅。对于岩溶裂隙型地下水水源井因为不投砾，所以，需要下管时其口径与管径间隙控制在10～30mm即可；基岩稳定不需下管时可根据水泵尺寸确定钻井口径，一般在上部钻井口径230～300mm；下部钻井口径150～216mm。
2.2.2 钻井方法
       对于孔隙型地下水钻井采用泵吸反循环、气举反循环等“负压欠平衡钻井法”，该方法不仅效率高、水量大、成井速度快，而且可以减少泥浆污染和堵塞地层，同时可省去洗井工序。据郑州市沿黄水源地改造工程试验和生产结果证明：采用泵吸反循环方法钻井，其钻井效率比正循环提高3～5倍，单井出水量提高30%左右。但是，当井深超过140m时泵吸反循环效率将会降低，另外，泵吸反循环主要适应地层为松散卵砾石地层和砂土地层，当地层较硬且粘性较强时不宜采用该方法。气举反循环适应范围较广，只要有足够的沉没比则可在任何地层中钻进。
对于岩溶裂隙型地下水钻井，由于岩石坚硬，一般的钻井方法效率极低。所以，选择空气潜孔锤或井底螺杆马达钻进方法同样具有效率高、单井水量大等优点。据云南和河南山区抗旱打井实际效果来看：空气潜孔锤钻井效率比正循环泥浆钻进效率提高10～20倍，单井水量提高30%～40%。通过广东珠江三角洲地热资源钻探工程实例来看，在石英砂岩、花岗岩地层中采用正循环泥浆钻井效率是0.15～0.2m/h，而采用井底螺杆马达钻井效率为2～3m/h，平均效率提高14倍。
2.2.3 填砾与止水
       选择矿物较为稳定的天然石英砂作为回填滤料，禁止使用矿物成分复杂且不稳定的人工碎石。主要目的是为了防止过滤层胶结，导致透水性降低。填砾时缓慢投放，避免“架桥”，并且尽可能保证填砾厚度上下均匀一致。对于回灌井滤料直径可以比抽水井大一级或二级，以便形成良好的透水空间，减小阻力，保持回灌水顺利进入地层。
       所有的水源井都必须根据当地水文地质条件和地层情况进行止水，杜绝全孔上下连通，预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 洗井与抽水试验
       泵吸反循环、气举反循环、空气潜孔锤等钻井及成井后不需要专门洗井，可以直接下泵进行简单洗井后抽水。正循环泥浆钻井由于在钻进过程中的泥浆污染和堵塞，所以，必须进行必要的洗井工序，以达到*疏通含水层之目的。对于松散地层成井可选择潜水泵—空压机、空压机—活塞、焦磷酸钠（盐酸）—二氧化碳、二氧化碳—空压机等联合洗井方法。对于基岩裂隙岩溶型地热井宜爆破—空压机、压裂—焦磷酸钠（盐酸）—空压机等联合洗井方法。爆破和压裂时宜参照相关安全规定和工艺，并由专业施工队伍组织实施。
       抽水必须按照相关规范和合同要求执行，并取样化验。在取得水文地质参数和水质检测结果后，评价抽水和回灌能力和腐蚀性等，为今后科学合理开发利用提供依据。
       综上所述，水源热泵开发浅层地热能的关键是水源井的工程质量。目前存在的回灌困难、地质环境问题等都与水源井密不可分。所以，在新能源开发利用过程中，优化工程设计，注重成井材料、钻井工艺选择具有重要的意义。同时，针对现状和问题，结合生产实际，加大自主创新，为浅层地热能合理开发利用提供技术支撑。

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