地热井开发与改造研究

 由于历史等方面的原因, 我国地热资源开发利用尚存在着一些问题, 概括起来共有3个方面。

 

  (1)地热尾水排放温度过高, 地热能利用率普遍较低, 导致资源浪费和环境恶化。天津是我国地热资源大规模开发和利用的重要基地, 截止到2002年, 地热供暖面积为824万m2 , 占全国地热供热面积的77%。除了少数几个示范工程外, 天津地热资源各主要热储层的地热尾水排放温度为30 ～ 40℃,利用率为45% ～ 65%。造成地热资源利用率较低的原因主要有3个:首先是利用结构单一。地热采暖系统消耗的资源量很大, 简单用热之后, 没有进行深度开发, 大量的地热水排放, 使资源的复合特性没有得到充分发挥, 造成资源的较大浪费;其次, 在地热开发利用技术、工艺及设备配套方面, 不能有效地将地热资源的能量充分利用和提取, 老地热井系统的问题最为严重;再次, 地热排放温度过高, 不仅直接导致地热能利用率降低, 还会造成新的环境污染。

 

  (2)回灌率偏低, 采灌失衡。地热流体长期低回灌率开采, 导致热储层水位下降, 地热资源开发利用的成本增加, 产生地面沉降, 甚至诱发地震。2002年, 天津地热资源各主要热储层的地热回灌率为8% ～ 36%, 年水位降幅为2 ～ 10 m。

 

  (3)地热资源的开发利用缺乏整体规划, 布局不尽合理, 分区控制框架尚未形成。

 

  1 地热井综合开发与改造措施

 

  地热井综合开发与改造, 要根据实际情况, 从合理开发、综合利用、科学保护的观点出发, 因地制宜的采取科学措施, 达到地热资源的持续开发利用。

 

  1. 1  依据动态数据规划分区, 实行总量与强度双控

 

地热资源的开发利用必须符合可持续发展的原则。但从全国情况可以看到, 地热资源的开发利用面临着许多问题, 最为突出的是热储层水位大幅下降、资源锐减和地面沉降。地热水的大量开采, 引起热储层水位大幅度下降, 形成了水位下降漏斗区, 造成地热水资源短缺。事实上, 我国的地热开发区普遍存在着程度不同的热储层水位下降的问题。

 

  加强地热水的动态监测是保证地热水持续、稳定开发, 科学管理和有效保护的基本手段。在地热资源规划中, 应以地热水的动态监测数据为依据, 规划控制分区, 对不同的分区分别进行合理开发保护、深度开发利用、深入勘探研究以及地热资源普查和地热资源远景调查等。在各规划分区中, 按照地热水水位的动态变化, 分别制定地热水开采强度指标和地热水年开采总量指标, 实行动态管理。

 

  1. 2  推广集约化新技术, 提高资源利用率

 

  为了解决地热资源的可持续发展问题, 就必须依靠科技进步, 一方面使足量的地热水载体不断地将地热能从地层中带出, 另一方面提高地热能利用的集约化水平, 极大地提高地热利用率。

 

  在富热地区, 开发梯级高效利用集约化技术, 降低地热尾水排放温度, 提高资源利用率, 解决环境热污染问题。基本原理为, 第一梯次是将开采出来的地热水经过换热器换热后供散热器采暖用户采暖,第二梯次是将散热器采暖系统的排水供地板辐射采暖用户和空调用户采暖。从第一梯次和第二梯次之间提取部分排水作为生活热水使用。由第二梯次系统排出的地热水, 进入热泵机组进行温度提升后, 再供地板辐射采暖用户和空调用户采暖。热泵机组排出的地热水通过回灌井回灌到地下。梯级高效利用集约化技术可将地热尾水排放温度降低到20℃以下, 将地热资源利用率提高到90%以上。

 

  在多热源地区, 开发多热源耦合供热集约化技术, 解决各单一热源负荷量小、经济性差、容易造成资源浪费的矛盾。基本原理为, 将流量较小的地热水与其他热源(如热电厂的蒸汽冷凝水)的热媒混合后, 供散热器采暖用户采暖, 回水以串联方式再供地板辐射采暖用户和空调用户采暖。地板辐射采暖系统的回水将热泵机组提温后再供下一级地板辐射采暖用户和空调用户采暖。蒸汽冷凝水属于纯水,故可与地热水一起回灌到地下, 增加地热水回灌率。

 

  在贫热地区, 开发混合水源联动运行空调集约化技术, 解决单一水源与工程建设需求不相匹配的矛盾。基本原理为, 因地制宜采用地热水、城市中水、地表水等多种热源分别作为同一水源热泵空调系统的冷、热源, 进行多能源混合利用, 从中提取冷量和热量, 冬季供暖, 夏季制冷。

 

  根据生物对温度的不同需求, 实现生物梯级温度需求与地热梯级利用的耦合, 开发现代农业生产系统和养殖系统地热利用集约化技术。基本原理为, 根据植物生长对温度的不同要求, 将地热水供热系统进行梯级利用工艺设计, 使各个暖棚内形成不同的温度效应。暖棚供热系统的地热回水进入室内养鱼池进行鱼类养殖。养鱼池的废水用于浇灌暖棚内的植物。收集农业生产中的植物根、茎、叶以及动物粪便, 用于生产沼气, 作为供热系统的调峰热源。

 

  在地热资源的开发利用中, 要高度重视地热资源的利用率, 无论是新建项目与改扩建项目的审批条件, 还是资源管理办法都必须高度体现提高地热能利用的集约化水平。对地热资源利用集约化程度低的建设项目不予审批, 对地热资源利用集约化程度高、地热尾水排放温度低、有回灌设施的开发利用单位, 制定相应的优惠政策, 从资源规划和资源管理方面推动地热开发利用集约化技术的应用。

 

  1. 3 开发与改造并举, 持续优化布局

 

  由于历史原因, 一些老的地热井在布局、结构等方面存在一些对地热资源可持续发展有不利影响的问题。例如, 有的地热井系统不进行回灌;有的地热井开采的热储层失水后引起地层沉降;还有些地热生产井密度过大等。对于历史遗留问题, 要有计划地进行技术改造和结构调整, 以很少的改造费用, 换取最大的效益。对于密度过大的地热生产井, 要进行分析评价, 将其中的一些生产井改造为回灌井、备用井及监测井等, 实行采灌平衡。对于热储层容易失水沉降的地热生产井, 应实行采灌平衡, 保持热储层压力, 或将其改造为基岩地热生产井。

 

  2 应用实例

 

  2. 1 工程概况

 

  东丽某开发区位于天津市东郊, 东临渤海, 是天津市重要的经济开发区。该开发区北区现有建筑的采暖面积为33万m2 , 由东、西区两个供热站供热。

 

  东供热站共有2口地热井, 以一口雾迷山组热储层地热井SR4 (井深2410 m, 出水温度90℃, 流量150 m3 /h)为供热井, 采用间接供热方式, 尾水排放温度为48℃, 供热面积7. 0万m2;以一口馆陶组热储层地热井SR3 (井深971 m, 出水温度58℃, 流量60m3 /h)作为洗浴井, 供生活热水。

 

  西供热站共有3口地热井, 以一口雾迷山组热储层地热井SR5 (井深3450m, 出水温度89℃, 流量120m3 /h)和一口奥陶系热储层地热井SR2 (井深1488m, 出水温度70℃, 流量88 m3 /h)为主力热源,进行间接式供热, 尾水排放温度为50℃, 回灌井为一口奥陶系热储层地热井SR1 (井深1380m, 出水温度75℃, 流量120m3 /h)。西供热站还设置2台7. 0MW 的锅炉作为辅助热源进行联合供热。西供热站的供热面积26万m2 。

 

  该开发区南区规划面积3 km2 , 建筑物以现代化工业厂房为主, 同时还有回迁住宅、超市等, 一期工程供热面积22. 5 万m2 。开发区南区建筑规模大, 原有的供热系统不能满足其采暖要求。

 

  2. 2 问题分析

 

  (1)热能利用率低。原开发区5口地热井中,SR3 为洗浴井, 其地热水一次性利用后排放;SR4 为供热井, 其地热水用钛板换热器间接换热后, 将48℃的尾水直接排放;SR5 和SR2 的地热水用钛板换热器间接换热后, 将50℃的尾水回灌到SR1 回灌井中。按照有关公式计算, SR4 供热井的地热利用率为53. 8%, SR5 供热井的地热利用率为50. 6%,SR2 供热井的地热利用率只有34. 5%。上述3口采暖地热井的尾水温度过高, 平均地热利用率仅为46. 3%, 造成较大的地热能浪费和环境污染。

 

  (2)地热井布局不合理, 供热能力有限。原开发区5口地热井分东、西两个供热站, 两站距离远,造成东供热站SR4 地热水不能回灌。按照目前尾水温度计算, 并考虑换热器的热效率, 东供热站SR4 的实际供热能力为6. 6MW;西供热站SR5 和SR2 的供热能力为7. 1MW, 西供热站2台7. 0MW 锅炉的供热能力为11. 3MW , 西供热站总供热能力为18. 4MW 。但是, 目前东供热站供热面积为7万m2 , 热负荷为5MW;西供热站供热面积26万m

 

  2 , 热负荷为

 

  17MW。按照目前系统运行模式, 东供热站和西供热站的剩余供热能力已经非常有限。

 

  (3)热污染、空气污染和化学污染。由于地热井尾水排放温度较高(48 ～ 50℃), 使得排放地区的地下水体温度、地面温度甚至局部空气温度产生不同程度的升高, 长此以往, 则会改变当地的生态平衡, 影响环境。热气体冷凝成雾后, 还会影响人体健康和交通运输。地热水一次性利用后排放, 热流体中所含的各种气体和悬浮物将排入大气中, 对大气环境造成影响, 其中浓度较高、对人体危害较大的有H2S 和CO2等不凝气体。地热水的盐类含量一般超过排放标准, 地热水的直接排放会造成土壤的盐渍化和板结。

 

  (4)地面沉降。从地下热储层中长期抽取地热水而不及时回灌, 会导致地下压力和地下水位下降,岩土失水固结, 从而引起地面沉降和水平位移。虽然一般地热田的地面沉降是缓慢的, 但是, 一旦由量变发展到质变, 将会造成严重后果。

 

  2. 3 工程地质

 

  东丽区位于海河断裂带, 其北部为幺六桥凸起,南部是白糖口凹陷。根据已有地热井资料分析, 该场区有两条NE 向断裂层, 将开发区分为东、西两个断块, 两断块的地质结构略有不同。西断块奥陶系地层较厚, 为518 m, 上部马家沟组灰岩岩溶发育。

 

  东断块奥陶系地层较薄, 马家沟组被剥蚀, 下奥陶组岩溶发育较弱。雾迷山组在西部埋藏深, 裂隙岩溶发育弱, 在东部埋藏较浅, 裂隙岩溶较发育。

 

  2. 4 热源组合优化设计

 

  为解决原地热井供热能力有限、布局不合理的问题, 根据目前招商定标情况, 在开发区南区开凿一对地热井, 将7口地热井(其中包括原有的5口地热井SR1 、SR2 、SR3 、SR4 、SR5 和新开凿的一对地热井SR6 -1 、SR6 - 2 )以及原有的2台锅炉重新优化组合,利用集约化技术, 提高地热资源利用率, 形成两个相对独立的热源系统(即两个供热站), 分别称为西部热源组合系统和东部热源组合系统, 以满足新形势下的工程要求。

 

  2. 4. 1 东部热源组合系统

 

  东部热源组合系统的优化原则是新井开发与老井改造并举, 优化布局, 提高资源利用率。

 

  东部热源组合系统由4口地热井组成。其中,新建地热井SR6 -1 、SR6 - 2和原有的地热井SR4 组成两采一灌的热源组合系统, 采用梯级开发循环利用集约化技术和工艺, 在原来地热水间接换热的基础上, 增加热泵系统, 并将新建工程的末端设备设计为风机盘管空调系统和地板辐射采暖系统, 使原来的一级供热系统改造为三级供热系统。另一口馆陶组热储层地热井SR3 仍为洗浴井, 提供生活热水。

 

  新地热井SR6 -1流量为100 m3/h, 出水温度为90℃, 按18℃排放, 新井供热能力为7. 5MW, 原有地热井SR4 改造后的供热能力为11. 3MW, 改造后的东部热源组合系统供热能力为18. 8 MW , 这样就能完全满足东部供热站新老建筑物总热负荷8MW的供热要求。

 

  2. 4. 2 西部热源组合系统

 

  西部热源组合系统的优化原则是采用地热资源梯级开发循环利用集约化技术, 提高资源利用率, 扩大地热资源供热能力, 减少煤炭能源的消耗。

 

  西部热源组合系统由原有的3口地热井(SR5和SR2 为开采井, SR1 为回灌井)和原有的1台7. 0MW 的锅炉组成(取消1台7. 0MW 锅炉)。以地热作为主要热源承担采暖期的基本热负荷, 锅炉用于采暖期尖峰热负荷的调峰。在原来地热水间接换热的基础上, 增加热泵系统, 将原来的二级供热系统改造为三级供热系统。

 

  按地热水排放温度th =18℃计算, 西供热站原有地热井SR5 和SR2 改造后的供热能力为13. 6MW , 1台7. 0MW 锅炉的供热能力为6. 3MW , 改造后的西部热源组合系统供热能力为19. 9MW, 满足供热要求(热负荷为17MW)。其中, 调峰锅炉热负荷占总供热量20%左右, 地热累计热负荷占总供热量80%左右。

 

  2. 5 地热井设计

 

  采用地热对井, 以达到采灌平衡。根据用户需要和地质结构条件, 将对井(SR6 -1和SR6 -2 )位置选择在东断块, 井位在SR4 以南1500 m 的地段, 采用东西向造斜。向东造斜的井穿过断层, 进入SR4 成井的块段上。SR6 - 1为回灌井, SR6 -2为开采井。

 

  设计对井井口地面相距5 m, 先钻SR6 - 1井, 垂直钻进至400 m后开始造斜, 方位角SW 270°, 打至雾迷山组目的层时, 向西位移400 m。SR6 -2井也是垂直钻进至400m后开始造斜, 方位角NE90°, 钻至雾迷山组目的层时, 向东位移400m, 实现井底相距800m, 见图1所示。

 

  2. 6 效益评价

 

  东部热源改造后, 地热资源利用率由原来的53. 8%提高到92. 2%, 地热尾水由原来直接排放到污水河改变为原水回灌, 地热流体回灌率达到100%, 实现了地热资源采灌平衡。西部热源改造后, 地热资源平均利用率由原来的42. 6%提高到91%, 供热能力增加了1. 9倍, 在供热面积不变的情况下, 减少1台7. 0MW 锅炉的使用。

 

  通过开发与改造, 本工程项目减少了废气废物的排放, 节约了城市污染的治理费用, 有效地保护了生态环境, 见表1。

 

  3 结 语

 

  我国在30多年的地热资源开发利用中, 一些原有的地热井在布局、结构等方面都存在这样或那样的问题, 对地热资源可持续发展产生不利影响。本文结合天津某开发区地热供热工程, 探讨了地热井开发与改造的关系, 研究了地热井综合开发与改造的科学措施, 包括以动态数据实行总量和强度双控,推广集约化新技术, 提高资源利用率, 开发与改造并举, 持续优化布局等。

 

  市场需求的变化, 使地热资源整合隐藏着一定的机动性。但是, 地热资源整合的目标是十分明确的, 那就是开发好地热资源, 利用好地热资源, 管理好地热资源, 保护好地热资源, 保障资源、经济与社会可持续发展。