地热井开发与改造研究

源各主要热储层的地热尾水排放温度为
暖系统消耗的资源量很大， 简单用热之后， 没有进行
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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。 （ ）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。 年， 天津地 热 资 源 各 主 要 热 储 层 的 地 热 回 灌 率 为 ， 年水位降幅为 。 （ ）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。
（ ）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 年， 地热供暖面积为 积的 利用率为 的原因主要有 万 ， 占全国地热供热面 ， 。除了少数几个示范工程外， 天津地热资 。造成地热资源利用率较低 个： 首先是利用结构单一。地热采
温度计算， 并考虑换热器的热效率， 东供热站
， 西供热站总供热能力为 万 ， 热负荷为
。但是， 目前东供热站供热面积为 万 ； 西供热站供热面积
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 新地热井 ， 按 地热井 仍为洗浴井， 提供生活热水。 流量为 ， 出水温度为 ， 原有 ， 改造后 ， 这样就
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。 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
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
） 和一口奥陶系热储层地热井 ， 出水温度 进行间接式供热， 尾水排放温度为 一口奥陶系热储层地热井 度 ， 流量 万
） 为主力热源， ， 回灌井为 ， 出水温
） 。西供热站还设置 台 。 ， 建筑物以现代
的锅炉作为辅助热源进行联合供热。西供热站 的供热面积 该开发区南区规划面积 工程供热面积 ! !" 问题分析 （ ）热能利用率低。原开发区 口地热井中， 为 为洗浴井， 其地热水一次性利用后排放； 的尾水直接排放； 换热器间接换热后， 将 率为 ， 和 万
排放， 新井供热能力为 改造后的供热能力为
的东部热源组合系统供热能力为
能完全满足东部供热站新老建筑物总热负荷
矿业研究与开发Βιβλιοθήκη ，（ ）的供热要求。 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 和 为开采井， 的锅炉组成 （ 取消 台 口地热井 （ 台 锅炉） 。以地热 为回灌井） 和原有的
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。 ! $# 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。
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，
，
引
言
由于历史等方面的原因， 我国地热资源开发利
＊ 收稿日期： 基金项目： 国家自然科学基金重大项目资助 （ 作者简介： 李启民 （
）
） ， 博士研究生， 高级工程师， 从事地热工程、 岩土工程等方面的研究
矿业研究与开发
，（ ）
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。 ! " # 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 下， 将地热资源利用率提高到 以上。 以
应用实例
" !# 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 储层地热井 温度为 储层地热井 万 ， 由东、 西区两个供热站供热。 口地热井， 以一口雾迷山组热 ， 出水温度 万 ， 流量 东供热站共有
（ 井深 ， 供热面积 （ 井深
） 为供热井， 采用间接供热方式， 尾水排放 ； 以一口馆陶组热 ， 流量 ， 出水温度
） 作为洗浴井， 供生活热水。
李启民， 等： 地热井开发与改造研究
西供热站共有 储层地热井
口地热井， 以一口雾迷山组热 ， 出水温度 ， 流量 （ 井深 ， 流量 （ 井深
和
等不凝气体。地热水的盐类含量一般超
（ 井深
化工业厂房为主， 同时还有回迁住宅、 超市等， 一期 。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。
供热 井， 其 地 热 水 用 钛 板 换 热 器 间 接 换 热 后， 将 的地热水用钛板 回灌 ， 口采 供热井的地热利用 。上述 的尾水回灌到
井中。按照有关公式计算， 供热井的地热利用率只有
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。 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 新建地热井 、 口地热井组成。其中， 组成 和原有的地热井
。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。 （ ）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 （ ） ， 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