張秋冬， 邢向渠， 張新春， 魏 慶， 嚴珊珊

(河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第二地質(zhì)環(huán)境調(diào)查院，河南 鄭州 450053)

0 引言

地熱是大自然饋贈給人類的寶貴資源和清潔能源，具有資源儲量大、分布廣泛、開發(fā)利用方便、系統(tǒng)運行穩(wěn)定安全等特征[1]。水熱型地熱是一種集“熱、礦、水”為一體的特種礦產(chǎn)資源[2]。我國對地熱資源的利用，主要是通過開采地熱載體——地熱水，應用領域主要為溫泉洗浴、生活熱水、農(nóng)業(yè)種植、水產(chǎn)養(yǎng)殖，溫熱水地熱供暖等。但在地熱供暖方面，隨著開采量的增大和開采時間的延續(xù)，熱水的循環(huán)補給量小于開采量，熱水位逐年下降的趨勢日益顯現(xiàn)，從而在利用過程中和利用后產(chǎn)生了諸如地面沉降、熱污染、土壤污染、水體污染等一系列環(huán)境問題[3]。地熱水同層完全回灌是目前解決這一問題的有效手段，但由于地熱地質(zhì)條件的限制，并不是所有的地熱井都能實現(xiàn)完全回灌，回灌效率不高，回灌效果差。無干擾地熱換熱井進行供暖，是一種只取熱、不取水的地熱供暖方式，無需考慮取熱水供暖造成的不良后果，是今后不能解決回灌問題的區(qū)域進行冬季地熱供暖的新模式。河南省新鄉(xiāng)市延津縣某小區(qū)即利用該種供暖形式實現(xiàn)了冬季清潔供暖。

1 工作原理

無干擾中深井換熱系統(tǒng)工作原理示意見圖1。在一口鉆井內(nèi)，安裝一同軸套管，為降低熱阻，提高換熱效率，往往在套管的外壁和周邊地層之間灌入水泥砂漿，以保證套管和圍巖之間的接觸和傳熱，該技術也被稱為套管換熱技術。為實現(xiàn)供暖目的，在外套管中注入冷水，冷水下降過程中被周邊的巖石(土)加熱升溫，當水流到套管底部之后，通過內(nèi)管再次向上運移。熱水回到地面后，將其熱量經(jīng)熱泵機組抬升，用于建筑供暖， 冷卻之后的循環(huán)水再次進入地下?lián)Q熱循環(huán)，將周邊巖石(土)中的熱量帶到地表[4]。

圖1 無干擾深井換熱系統(tǒng)工作原理示意

2 地質(zhì)與地層概況

根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料及地球物理勘探顯示，基巖裂隙發(fā)育不明顯，其上覆地層為第四系、新近系、古近系的砂、砂巖、泥巖等。地層增溫為正常地溫增溫梯度，即3 ℃/100 m。本次鉆井鉆至奧陶頂板完鉆。1900 m鉆孔井底溫度72 ℃。鉆遇地層由老至新分述如下。

2.1 古近系(E)

分布于中牟凹陷地熱區(qū)。井位附近頂板埋深1000～1200 m，厚度一般1500～3500 m。自下向上分為孔店組、沙河街組。

孔店組(E2k)：主要為棕紅泥巖、砂巖和灰白色砂巖夾灰綠色泥巖、炭質(zhì)頁巖、油頁巖及煤層，其中上部含有石膏。

沙河街組(E2-3s)：主要巖性為棕紅色、褐灰色、灰綠色泥巖、灰白色砂巖，局部夾薄層油頁巖。

2.2 新近系(N)

頂板埋深100～250 m，總體自西向東逐漸加深；底板埋深1000～2200 m，總體自西北向東南逐漸加深；總厚度800～2000 m；新近系可劃分為館陶組及明化鎮(zhèn)組。

館陶組(N1g)：頂板埋深1000～1200 m，底板埋深1000～2200 m，均自西北向東南逐漸加深；總厚度約0～800 m；含水介質(zhì)下部以泥巖、鈣質(zhì)砂巖為主，中部以細砂及疏松砂、含礫砂為主，上部以細砂及粉砂為主。

明化鎮(zhèn)組(N2m)：頂板埋深100～250 m，總體自西向東逐漸加深；底板埋深1000～1200 m，自西北向東南逐漸加深；總厚度800～1200 m。

含水介質(zhì)主要為細砂、中砂，蓋層為新近系頂部及上覆第四系的粘性土層。

2.3 第四系(Q)

基本覆蓋全區(qū)，以河流相、河湖相沉積為主，主要巖性為淺黃、灰黃、淺褐色粘土、粉質(zhì)粘土與砂層、砂礫層互層。

3 換熱孔結構設計

考慮長期使用和換熱效果問題，鉆孔直徑盡可能大，套管也應盡可能的大。當套管腐蝕損壞后預留一級的套管儲備，結合投入與產(chǎn)出的經(jīng)濟性，設計0～1900 m鉆孔直徑為311 mm，套管為?244.5 mm×8.94 mm、N80石油套管。環(huán)空G級油井水泥固井。儲備一級?177.8 mm石油套管。

4 鉆進工藝

地層比較簡單，采用泥漿正循環(huán)鉆進工藝施工。新近系以淺使用鋼齒三牙輪鉆頭鉆進，古近系使用PDC鉆頭鉆進，鉆進效率較高。鉆進至1800 m以深，為防止鉆穿古近系地層進入奧陶灰?guī)r地層大漏失而引起事故，鉆進中加密撈樣，觀察鉆時變化和泥漿液面的變化，做好充分的應對準備工作。同時，在開鉆前孔口已經(jīng)埋設了18 m長的護筒，防止泥漿液面的下降造成孔口坍塌。

5 固井

該循環(huán)系統(tǒng)為閉式循環(huán)，因此必須保證套管的密封性。從兩點進行控制：一是地面檢查套管自身的密封性，特別是絲扣；二是固井質(zhì)量保證。隨機挑出兩根套管進行打壓、穩(wěn)壓，然后將兩根套管連接起來繼續(xù)打壓、穩(wěn)壓，合格后方可使用。下套管中絲扣清洗干凈，均勻涂抹專用密封脂，絲扣按規(guī)范要求上滿、上緊。采用G級油井水泥固井，候凝48 h后測井檢查固井質(zhì)量，同時試壓。

6 內(nèi)管下井工藝

6.1 內(nèi)管選擇

選擇PE-RT Ⅱ型熱力管作為該換熱系統(tǒng)的內(nèi)管。聚乙烯熱力管作為一種新型耐熱聚乙烯(PE-RT Ⅱ型)保溫復合塑料管道，具有耐腐蝕性，使用壽命長的特點。 PE-RT Ⅱ型熱力管由于塑料材料為熱的不良導體，因此保溫復合塑料管道內(nèi)管導熱系數(shù)僅為鋼管的1%，即管道本身就具有一定的保溫性能。

PE-RT Ⅱ型熱力管道在110 ℃下的靜液壓試驗已超過16000 h，根據(jù)國家標準《塑料管道系統(tǒng) 用外推法確定熱塑性塑料材料以管材形式的長期靜液壓強度》(GB/T 18252-2008)中規(guī)定當30 ℃≤ΔT<35 ℃時，外推時間因子ke為30，即可推出保溫復合塑料管材在80 ℃下應用的外推時間極限已超過50年[5]。

6.2 內(nèi)管連接

PE-RT Ⅱ型耐熱聚乙烯熱力管采用熱熔連接方式(見圖2)，施工方便。為了提高下井效率，下井前先將每三根(12 m×3根，根據(jù)場地條件靈活掌握)進行預連接。根據(jù)廠家提供的焊接參數(shù)嚴格施工：管材焊接溫度240 ℃ ；吸熱時間123 s ；壓力冷卻時間≥14 min。

圖2 熱熔連接內(nèi)管

6.3 內(nèi)管下井

6.3.1 有關計算

PE-RT Ⅱ型熱力管比重0.97，必須增加一定的配重才能順利的將其下入1900 m的井內(nèi)。

1900 m內(nèi)管(壁厚12.3 mm)下井浮力計算：

F=ΔρgV排

=0.03×9.8×3.14(0.112-0.08542)×1900÷4

≈2.1 kN

=210 kg

3根6 m長的?133 mm×6 mm無縫鋼管質(zhì)量338 kg。

理論上這樣的配重可以將內(nèi)管下入孔底。但實際在下到離孔底將近800 m時無法下入。分析可能是內(nèi)管中水面和環(huán)空水面有水位差，造成實際的浮力較大。最后將內(nèi)管提出孔外，在配重鋼管內(nèi)重新放入400 kg圓鋼后順利下入。

6.3.2 內(nèi)管下入方法

內(nèi)管下入采用鋼絲繩兜底，吊車輔助法。具體為：配重鋼管上打孔穿入能承受相應配重重力和部分摩擦力(提管時)并有足夠的余量的鋼絲繩，將此鋼絲繩盤在卷揚機上，通過卷揚機剎把制動和配重的下墜力下管，吊車輔助將內(nèi)管拖動向井口移動(見圖3)。

圖3 下內(nèi)管

為了保證內(nèi)管居中，內(nèi)管上每間隔36 m設置一組彈性扶正器(見圖4)。

圖4 扶正器

配重的選擇要考慮扶正器對井管的摩擦力。本井配重選用?133 mm×6 mm無縫鋼管和圓鋼組合使用。內(nèi)管與配重的連接方式為：先將圓鋼放置入鋼管，再將內(nèi)管插入鋼管中重疊10 m打孔穿鋼筋連接(見圖5)。

7 總結

(1)無干擾地下?lián)Q熱井是利用中深部地層自然地溫對循環(huán)介質(zhì)進行預加熱，利用密閉的金屬換熱器進行閉式循環(huán)，只取熱不取水，是一種綠色的供暖換熱方式。由于環(huán)保、清潔低碳、無污染等特點，將是北方地區(qū)清潔供暖的重要技術手段之一。

圖5 內(nèi)管和配重連接

(2)由于該系統(tǒng)為一密閉的閉式循環(huán)系統(tǒng)，施工中必須保證各種管道的密封性能，避免出現(xiàn)循環(huán)漏水現(xiàn)象。

(3)該供暖系統(tǒng)地層溫度對循環(huán)介質(zhì)的干擾程度決定了系統(tǒng)的能耗大小，因此，施工前必須對區(qū)域地熱地質(zhì)情況有一定程度的調(diào)查研究。

(4)加強固井水泥添加劑的研究，使其既能保證強度，也能保證較高的熱傳導率。

(5)該系統(tǒng)在我國應用尚處在起步階段，還有很多需要解決的技術問題，需要施工單位和科研機構相互配合，共同公關。