地熱井開發與改造研究

 由于歷史等方面的原因, 我國地熱資源開發利用尚存在著一些問題, 概括起來共有3個方面。

 

  (1)地熱尾水排放溫度過高, 地熱能利用率普遍較低, 導致資源浪費和環境惡化。天津是我國地熱資源大規模開發和利用的重要基地, 截止到2002年, 地熱供暖面積為824萬m2 , 占全國地熱供熱面積的77%。除了少數幾個示范工程外, 天津地熱資源各主要熱儲層的地熱尾水排放溫度為30 ～ 40℃,利用率為45% ～ 65%。造成地熱資源利用率較低的原因主要有3個:首先是利用結構單一。地熱采暖系統消耗的資源量很大, 簡單用熱之后, 沒有進行深度開發, 大量的地熱水排放, 使資源的復合特性沒有得到充分發揮, 造成資源的較大浪費;其次, 在地熱開發利用技術、工藝及設備配套方面, 不能有效地將地熱資源的能量充分利用和提取, 老地熱井系統的問題最為嚴重;再次, 地熱排放溫度過高, 不僅直接導致地熱能利用率降低, 還會造成新的環境污染。

 

  (2)回灌率偏低, 采灌失衡。地熱流體長期低回灌率開采, 導致熱儲層水位下降, 地熱資源開發利用的成本增加, 產生地面沉降, 甚至誘發地震。2002年, 天津地熱資源各主要熱儲層的地熱回灌率為8% ～ 36%, 年水位降幅為2 ～ 10 m。

 

  (3)地熱資源的開發利用缺乏整體規劃, 布局不盡合理, 分區控制框架尚未形成。

 

  1 地熱井綜合開發與改造措施

 

  地熱井綜合開發與改造, 要根據實際情況, 從合理開發、綜合利用、科學保護的觀點出發, 因地制宜的采取科學措施, 達到地熱資源的持續開發利用。

 

  1. 1  依據動態數據規劃分區, 實行總量與強度雙控

 

地熱資源的開發利用必須符合可持續發展的原則。但從全國情況可以看到, 地熱資源的開發利用面臨著許多問題, 最為突出的是熱儲層水位大幅下降、資源銳減和地面沉降。地熱水的大量開采, 引起熱儲層水位大幅度下降, 形成了水位下降漏斗區, 造成地熱水資源短缺。事實上, 我國的地熱開發區普遍存在著程度不同的熱儲層水位下降的問題。

 

  加強地熱水的動態監測是保證地熱水持續、穩定開發, 科學管理和有效保護的基本手段。在地熱資源規劃中, 應以地熱水的動態監測數據為依據, 規劃控制分區, 對不同的分區分別進行合理開發保護、深度開發利用、深入勘探研究以及地熱資源普查和地熱資源遠景調查等。在各規劃分區中, 按照地熱水水位的動態變化, 分別制定地熱水開采強度指標和地熱水年開采總量指標, 實行動態管理。

 

  1. 2  推廣集約化新技術, 提高資源利用率

 

  為了解決地熱資源的可持續發展問題, 就必須依靠科技進步, 一方面使足量的地熱水載體不斷地將地熱能從地層中帶出, 另一方面提高地熱能利用的集約化水平, 極大地提高地熱利用率。

 

  在富熱地區, 開發梯級高效利用集約化技術, 降低地熱尾水排放溫度, 提高資源利用率, 解決環境熱污染問題。基本原理為, 第一梯次是將開采出來的地熱水經過換熱器換熱后供散熱器采暖用戶采暖,第二梯次是將散熱器采暖系統的排水供地板輻射采暖用戶和空調用戶采暖。從第一梯次和第二梯次之間提取部分排水作為生活熱水使用。由第二梯次系統排出的地熱水, 進入熱泵機組進行溫度提升后, 再供地板輻射采暖用戶和空調用戶采暖。熱泵機組排出的地熱水通過回灌井回灌到地下。梯級高效利用集約化技術可將地熱尾水排放溫度降低到20℃以下, 將地熱資源利用率提高到90%以上。

 

  在多熱源地區, 開發多熱源耦合供熱集約化技術, 解決各單一熱源負荷量小、經濟性差、容易造成資源浪費的矛盾。基本原理為, 將流量較小的地熱水與其他熱源(如熱電廠的蒸汽冷凝水)的熱媒混合后, 供散熱器采暖用戶采暖, 回水以串聯方式再供地板輻射采暖用戶和空調用戶采暖。地板輻射采暖系統的回水將熱泵機組提溫后再供下一級地板輻射采暖用戶和空調用戶采暖。蒸汽冷凝水屬于純水,故可與地熱水一起回灌到地下, 增加地熱水回灌率。

 

  在貧熱地區, 開發混合水源聯動運行空調集約化技術, 解決單一水源與工程建設需求不相匹配的矛盾。基本原理為, 因地制宜采用地熱水、城市中水、地表水等多種熱源分別作為同一水源熱泵空調系統的冷、熱源, 進行多能源混合利用, 從中提取冷量和熱量, 冬季供暖, 夏季制冷。

 

  根據生物對溫度的不同需求, 實現生物梯級溫度需求與地熱梯級利用的耦合, 開發現代農業生產系統和養殖系統地熱利用集約化技術。基本原理為, 根據植物生長對溫度的不同要求, 將地熱水供熱系統進行梯級利用工藝設計, 使各個暖棚內形成不同的溫度效應。暖棚供熱系統的地熱回水進入室內養魚池進行魚類養殖。養魚池的廢水用于澆灌暖棚內的植物。收集農業生產中的植物根、莖、葉以及動物糞便, 用于生產沼氣, 作為供熱系統的調峰熱源。

 

  在地熱資源的開發利用中, 要高度重視地熱資源的利用率, 無論是新建項目與改擴建項目的審批條件, 還是資源管理辦法都必須高度體現提高地熱能利用的集約化水平。對地熱資源利用集約化程度低的建設項目不予審批, 對地熱資源利用集約化程度高、地熱尾水排放溫度低、有回灌設施的開發利用單位, 制定相應的優惠政策, 從資源規劃和資源管理方面推動地熱開發利用集約化技術的應用。

 

  1. 3 開發與改造并舉, 持續優化布局

 

  由于歷史原因, 一些老的地熱井在布局、結構等方面存在一些對地熱資源可持續發展有不利影響的問題。例如, 有的地熱井系統不進行回灌;有的地熱井開采的熱儲層失水后引起地層沉降;還有些地熱生產井密度過大等。對于歷史遺留問題, 要有計劃地進行技術改造和結構調整, 以很少的改造費用, 換取最大的效益。對于密度過大的地熱生產井, 要進行分析評價, 將其中的一些生產井改造為回灌井、備用井及監測井等, 實行采灌平衡。對于熱儲層容易失水沉降的地熱生產井, 應實行采灌平衡, 保持熱儲層壓力, 或將其改造為基巖地熱生產井。

 

  2 應用實例

 

  2. 1 工程概況

 

  東麗某開發區位于天津市東郊, 東臨渤海, 是天津市重要的經濟開發區。該開發區北區現有建筑的采暖面積為33萬m2 , 由東、西區兩個供熱站供熱。

 

  東供熱站共有2口地熱井, 以一口霧迷山組熱儲層地熱井SR4 (井深2410 m, 出水溫度90℃, 流量150 m3 /h)為供熱井, 采用間接供熱方式, 尾水排放溫度為48℃, 供熱面積7. 0萬m2;以一口館陶組熱儲層地熱井SR3 (井深971 m, 出水溫度58℃, 流量60m3 /h)作為洗浴井, 供生活熱水。

 

  西供熱站共有3口地熱井, 以一口霧迷山組熱儲層地熱井SR5 (井深3450m, 出水溫度89℃, 流量120m3 /h)和一口奧陶系熱儲層地熱井SR2 (井深1488m, 出水溫度70℃, 流量88 m3 /h)為主力熱源,進行間接式供熱, 尾水排放溫度為50℃, 回灌井為一口奧陶系熱儲層地熱井SR1 (井深1380m, 出水溫度75℃, 流量120m3 /h)。西供熱站還設置2臺7. 0MW 的鍋爐作為輔助熱源進行聯合供熱。西供熱站的供熱面積26萬m2 。

 

  該開發區南區規劃面積3 km2 , 建筑物以現代化工業廠房為主, 同時還有回遷住宅、超市等, 一期工程供熱面積22. 5 萬m2 。開發區南區建筑規模大, 原有的供熱系統不能滿足其采暖要求。

 

  2. 2 問題分析

 

  (1)熱能利用率低。原開發區5口地熱井中,SR3 為洗浴井, 其地熱水一次性利用后排放;SR4 為供熱井, 其地熱水用鈦板換熱器間接換熱后, 將48℃的尾水直接排放;SR5 和SR2 的地熱水用鈦板換熱器間接換熱后, 將50℃的尾水回灌到SR1 回灌井中。按照有關公式計算, SR4 供熱井的地熱利用率為53. 8%, SR5 供熱井的地熱利用率為50. 6%,SR2 供熱井的地熱利用率只有34. 5%。上述3口采暖地熱井的尾水溫度過高, 平均地熱利用率僅為46. 3%, 造成較大的地熱能浪費和環境污染。

 

  (2)地熱井布局不合理, 供熱能力有限。原開發區5口地熱井分東、西兩個供熱站, 兩站距離遠,造成東供熱站SR4 地熱水不能回灌。按照目前尾水溫度計算, 并考慮換熱器的熱效率, 東供熱站SR4 的實際供熱能力為6. 6MW;西供熱站SR5 和SR2 的供熱能力為7. 1MW, 西供熱站2臺7. 0MW 鍋爐的供熱能力為11. 3MW , 西供熱站總供熱能力為18. 4MW 。但是, 目前東供熱站供熱面積為7萬m2 , 熱負荷為5MW;西供熱站供熱面積26萬m

 

  2 , 熱負荷為

 

  17MW。按照目前系統運行模式, 東供熱站和西供熱站的剩余供熱能力已經非常有限。

 

  (3)熱污染、空氣污染和化學污染。由于地熱井尾水排放溫度較高(48 ～ 50℃), 使得排放地區的地下水體溫度、地面溫度甚至局部空氣溫度產生不同程度的升高, 長此以往, 則會改變當地的生態平衡, 影響環境。熱氣體冷凝成霧后, 還會影響人體健康和交通運輸。地熱水一次性利用后排放, 熱流體中所含的各種氣體和懸浮物將排入大氣中, 對大氣環境造成影響, 其中濃度較高、對人體危害較大的有H2S 和CO2等不凝氣體。地熱水的鹽類含量一般超過排放標準, 地熱水的直接排放會造成土壤的鹽漬化和板結。

 

  (4)地面沉降。從地下熱儲層中長期抽取地熱水而不及時回灌, 會導致地下壓力和地下水位下降,巖土失水固結, 從而引起地面沉降和水平位移。雖然一般地熱田的地面沉降是緩慢的, 但是, 一旦由量變發展到質變, 將會造成嚴重后果。

 

  2. 3 工程地質

 

  東麗區位于海河斷裂帶, 其北部為幺六橋凸起,南部是白糖口凹陷。根據已有地熱井資料分析, 該場區有兩條NE 向斷裂層, 將開發區分為東、西兩個斷塊, 兩斷塊的地質結構略有不同。西斷塊奧陶系地層較厚, 為518 m, 上部馬家溝組灰巖巖溶發育。

 

  東斷塊奧陶系地層較薄, 馬家溝組被剝蝕, 下奧陶組巖溶發育較弱。霧迷山組在西部埋藏深, 裂隙巖溶發育弱, 在東部埋藏較淺, 裂隙巖溶較發育。

 

  2. 4 熱源組合優化設計

 

  為解決原地熱井供熱能力有限、布局不合理的問題, 根據目前招商定標情況, 在開發區南區開鑿一對地熱井, 將7口地熱井(其中包括原有的5口地熱井SR1 、SR2 、SR3 、SR4 、SR5 和新開鑿的一對地熱井SR6 -1 、SR6 - 2 )以及原有的2臺鍋爐重新優化組合,利用集約化技術, 提高地熱資源利用率, 形成兩個相對獨立的熱源系統(即兩個供熱站), 分別稱為西部熱源組合系統和東部熱源組合系統, 以滿足新形勢下的工程要求。

 

  2. 4. 1 東部熱源組合系統

 

  東部熱源組合系統的優化原則是新井開發與老井改造并舉, 優化布局, 提高資源利用率。

 

  東部熱源組合系統由4口地熱井組成。其中,新建地熱井SR6 -1 、SR6 - 2和原有的地熱井SR4 組成兩采一灌的熱源組合系統, 采用梯級開發循環利用集約化技術和工藝, 在原來地熱水間接換熱的基礎上, 增加熱泵系統, 并將新建工程的末端設備設計為風機盤管空調系統和地板輻射采暖系統, 使原來的一級供熱系統改造為三級供熱系統。另一口館陶組熱儲層地熱井SR3 仍為洗浴井, 提供生活熱水。

 

  新地熱井SR6 -1流量為100 m3/h, 出水溫度為90℃, 按18℃排放, 新井供熱能力為7. 5MW, 原有地熱井SR4 改造后的供熱能力為11. 3MW, 改造后的東部熱源組合系統供熱能力為18. 8 MW , 這樣就能完全滿足東部供熱站新老建筑物總熱負荷8MW的供熱要求。

 

  2. 4. 2 西部熱源組合系統

 

  西部熱源組合系統的優化原則是采用地熱資源梯級開發循環利用集約化技術, 提高資源利用率, 擴大地熱資源供熱能力, 減少煤炭能源的消耗。

 

  西部熱源組合系統由原有的3口地熱井(SR5和SR2 為開采井, SR1 為回灌井)和原有的1臺7. 0MW 的鍋爐組成(取消1臺7. 0MW 鍋爐)。以地熱作為主要熱源承擔采暖期的基本熱負荷, 鍋爐用于采暖期尖峰熱負荷的調峰。在原來地熱水間接換熱的基礎上, 增加熱泵系統, 將原來的二級供熱系統改造為三級供熱系統。

 

  按地熱水排放溫度th =18℃計算, 西供熱站原有地熱井SR5 和SR2 改造后的供熱能力為13. 6MW , 1臺7. 0MW 鍋爐的供熱能力為6. 3MW , 改造后的西部熱源組合系統供熱能力為19. 9MW, 滿足供熱要求(熱負荷為17MW)。其中, 調峰鍋爐熱負荷占總供熱量20%左右, 地熱累計熱負荷占總供熱量80%左右。

 

  2. 5 地熱井設計

 

  采用地熱對井, 以達到采灌平衡。根據用戶需要和地質結構條件, 將對井(SR6 -1和SR6 -2 )位置選擇在東斷塊, 井位在SR4 以南1500 m 的地段, 采用東西向造斜。向東造斜的井穿過斷層, 進入SR4 成井的塊段上。SR6 - 1為回灌井, SR6 -2為開采井。

 

  設計對井井口地面相距5 m, 先鉆SR6 - 1井, 垂直鉆進至400 m后開始造斜, 方位角SW 270°, 打至霧迷山組目的層時, 向西位移400 m。SR6 -2井也是垂直鉆進至400m后開始造斜, 方位角NE90°, 鉆至霧迷山組目的層時, 向東位移400m, 實現井底相距800m, 見圖1所示。

 

  2. 6 效益評價

 

  東部熱源改造后, 地熱資源利用率由原來的53. 8%提高到92. 2%, 地熱尾水由原來直接排放到污水河改變為原水回灌, 地熱流體回灌率達到100%, 實現了地熱資源采灌平衡。西部熱源改造后, 地熱資源平均利用率由原來的42. 6%提高到91%, 供熱能力增加了1. 9倍, 在供熱面積不變的情況下, 減少1臺7. 0MW 鍋爐的使用。

 

  通過開發與改造, 本工程項目減少了廢氣廢物的排放, 節約了城市污染的治理費用, 有效地保護了生態環境, 見表1。

 

  3 結 語

 

  我國在30多年的地熱資源開發利用中, 一些原有的地熱井在布局、結構等方面都存在這樣或那樣的問題, 對地熱資源可持續發展產生不利影響。本文結合天津某開發區地熱供熱工程, 探討了地熱井開發與改造的關系, 研究了地熱井綜合開發與改造的科學措施, 包括以動態數據實行總量和強度雙控,推廣集約化新技術, 提高資源利用率, 開發與改造并舉, 持續優化布局等。

 

  市場需求的變化, 使地熱資源整合隱藏著一定的機動性。但是, 地熱資源整合的目標是十分明確的, 那就是開發好地熱資源, 利用好地熱資源, 管理好地熱資源, 保護好地熱資源, 保障資源、經濟與社會可持續發展。