無干擾中深井換熱系統(tǒng)及完井工藝

無干擾中深井換熱系統(tǒng)及完井工藝張秋冬;邢向渠;張新春;魏慶;嚴(yán)珊珊【摘要】無干擾地下?lián)Q熱井是利用中深部地層自然地溫對(duì)循環(huán)介質(zhì)預(yù)加熱，實(shí)現(xiàn)冬季供暖輔助加熱，達(dá)到節(jié)能減排效果.該循環(huán)系統(tǒng)為閉式循環(huán)，利用密閉的金屬換熱器,只取熱不取水，是一種綠色的供暖方式.由于環(huán)保、清潔低碳、無污染等特點(diǎn)，將是北方地區(qū)清潔供暖的重要技術(shù)手段之一.介紹了該型換熱系統(tǒng)及完井工藝.【期刊名稱】《探礦工程-巖土鉆掘工程》【年(卷)，期】2018(045)010【總頁數(shù)】4頁(P62-65)【關(guān)鍵詞】中深井;無干擾;閉式循環(huán);換熱系統(tǒng);完井工藝【作者】張秋冬;邢向渠;張新春;魏慶;嚴(yán)珊珊【作者單位】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;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;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;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;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I450053【正文語種】中文【中圖分類】TK124;TE2490引言地?zé)崾谴笞匀火佡?zèng)給人類的寶貴資源和清潔能源，具有資源儲(chǔ)量大、分布廣泛、開發(fā)利用方便、系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定安全等特征［1］。水熱型地?zé)崾且环N集〃熱、礦、水”為一體的特種礦產(chǎn)資源［2］。我國(guó)對(duì)地?zé)豳Y源的利用，主要是通過開采地?zé)彷d體一一地?zé)崴?，?yīng)用領(lǐng)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?zé)崴責(zé)峁┡?。但在地?zé)峁┡矫妫S著開采量的增大和開采時(shí)間的延續(xù)，熱水的循環(huán)補(bǔ)給量小于開采量，熱水位逐年下降的趨勢(shì)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?zé)崴瑢油耆毓嗍悄壳敖鉀Q這一問題的有效手段，但由于地?zé)岬刭|(zhì)條件的限制，并不是所有的地?zé)峋寄軐?shí)現(xiàn)完全回灌，回灌效率不高，回灌效果差。無干擾地?zé)釗Q熱井進(jìn)行供暖，是一種只取熱、不取水的地?zé)峁┡绞?，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(jìn)行冬季地?zé)峁┡男履Ｊ?。河南省新鄉(xiāng)市延津縣某小區(qū)即利用該種供暖形式實(shí)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(shù)也被稱為套管換熱技術(shù)。為實(shí)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(dāng)水流到套管底部之后，通過內(nèi)管再次向上運(yùn)移。熱水回到地面后，將其熱量經(jīng)熱泵機(jī)組抬升，用于建筑供暖，冷卻之后的循環(huán)水再次進(jìn)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°C/100m。本次鉆井鉆至奧陶頂板完鉆。1900m鉆孔井底溫度72°C。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?zé)釁^(qū)。井位附近頂板埋深1000~1200m，厚度一般1500~3500m。自下向上分為孔店組、沙河街組。孑L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100~250m,總體自西向東逐漸加深；底板埋深1000-2200m，總體自西北向東南逐漸加深；總厚度800-2000m；新近系可劃分為館陶組及明化鎮(zhèn)組。館陶組(N1g):頂板埋深1000~1200m，底板埋深1000-2200m，均自西北向東南逐漸加深；總厚度約0~800m;含水介質(zhì)下部以泥巖、鈣質(zhì)砂巖為主，中部以細(xì)砂及疏松砂、含礫砂為主，上部以細(xì)砂及粉砂為主。明化鎮(zhèn)組(N2m):頂板埋深100~250m，總體自西向東逐漸加深；底板埋深1000~1200m,自西北向東南逐漸加深；總厚度800~1200m。含水介質(zhì)主要為細(xì)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)考慮長(zhǎng)期使用和換熱效果問題，鉆孔直徑盡可能大，套管也應(yīng)盡可能的大。當(dāng)套管腐蝕損壞后預(yù)留一級(jí)的套管儲(chǔ)備，結(jié)合投入與產(chǎn)出的經(jīng)濟(jì)性，設(shè)計(jì)0~1900m鉆孔直徑為311mm，套管為0244.5mmx8.94mm、N80石油套管。環(huán)空G級(jí)油井水泥固井。儲(chǔ)備一級(jí)0177.8mm石油套管。4鉆進(jìn)工藝地層比較簡(jiǎn)單，采用泥漿正循環(huán)鉆進(jìn)工藝施工。新近系以淺使用鋼齒三牙輪鉆頭鉆進(jìn)，古近系使用PDC鉆頭鉆進(jìn)，鉆進(jìn)效率較高。鉆進(jìn)至1800m以深，為防止鉆穿古近系地層進(jìn)入奧陶灰?guī)r地層大漏失而引起事故，鉆進(jìn)中加密撈樣，觀察鉆時(shí)變化和泥漿液面的變化，做好充分的應(yīng)對(duì)準(zhǔn)備工作。同時(shí)，在開鉆前孔口已經(jīng)埋設(shè)了18m長(zhǎng)的護(hù)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(diǎn)進(jìn)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(jī)挑出兩根套管進(jìn)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(jí)油井水泥固井，候凝48h后測(cè)井檢查固井質(zhì)量，同時(shí)試壓。6內(nèi)管下井工藝6.1內(nèi)管選擇選擇PE-RTH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-RTH型)保溫復(fù)合塑料管道，具有耐腐蝕性，使用壽命長(zhǎng)的特點(diǎn)。PERTH型熱力管由于塑料材料為熱的不良導(dǎo)體，因此保溫復(fù)合塑料管道內(nèi)管導(dǎo)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-RTH型熱力管道在110°C下的靜液壓試驗(yàn)已超過16000h，根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《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(zhǎng)期靜液壓強(qiáng)度》(GB/T18252-2008)中規(guī)定當(dāng)30C<AT<35C時(shí)，夕卜推時(shí)間因子ke為30，即可推出保溫復(fù)合塑料管材在80°C下應(yīng)用的外推時(shí)間極限已超過50年［5］。6.2內(nèi)管連接PE-RTH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（12mx3根，根據(jù)場(chǎng)地條件靈活掌握）進(jìn)行預(yù)連接。根據(jù)廠家提供的焊接參數(shù)嚴(yán)格施工：管材焊接溫度240C；吸熱時(shí)間123s;壓力冷卻時(shí)間＞14min。圖2熱熔連接內(nèi)管6.3內(nèi)管下井6.3.1有關(guān)計(jì)算PE-RTH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1900m的井內(nèi)。1900m內(nèi)管（壁厚12.3mm）下井浮力計(jì)算：F=ApgV排=0.03x9.8x3.14（0.112-0.08542）x1900-4必2.1kN=210kg3根6m長(zhǎng)的0133mmx6mm無縫鋼管質(zhì)量338kg。理論上這樣的配重可以將內(nèi)管下入孔底。但實(shí)際在下到離孔底將近800m時(shí)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(shí)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400kg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(yīng)配重重力和部分摩擦力（提管時(shí)）并有足夠的余量的鋼絲繩，將此鋼絲繩盤在卷揚(yáng)機(jī)上，通過卷揚(yáng)機(jī)剎把制動(dòng)和配重的下墜力下管，吊車輔助將內(nèi)管拖動(dòng)向井口移動(dòng)(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36m設(shè)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(duì)井管的摩擦力。本井配重選用0133mmx6mm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10m打孔穿鋼筋連接(見圖5)。7總結(jié)無干擾地下?lián)Q熱井是利用中深部地層自然地溫對(duì)循環(huán)介質(zhì)進(jìn)行預(yù)加熱，利用密閉的金屬換熱器進(jìn)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(diǎn)，將是北方地區(qū)清潔供暖的重要技術(shù)手段之一。圖5內(nèi)管和配重連接由于該系統(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。該供暖系統(tǒng)地層溫度對(duì)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(duì)區(qū)域地?zé)岬刭|(zhì)情況有一定程度的調(diào)查研究。⑷加強(qiáng)固井水泥添加劑的研究，使其既能保證強(qiáng)度，也能保證較高的熱傳導(dǎo)率。(5)該系統(tǒng)在我國(guó)應(yīng)用尚處在起步階段，還有很多需要解決的技術(shù)問題，需要施工單位和科研機(jī)構(gòu)相互配合，共同公關(guān)。參考文獻(xiàn)：【相關(guān)文獻(xiàn)】盧予北，李藝，盧瑋，等.新時(shí)代地?zé)豳Y源勘查開發(fā)問題研究[J].探礦工程(巖土鉆掘工程),2018,45(3):1-8.杜立