地熱能開發中濾水管的選擇與應用

劉玉祥

(河南省地質礦產勘查開發局第一水文地質工程地質隊,河南 新鄉 453002)

近年來,隨著《可再生能源法》的實施,地熱資源作為可再生能源得到廣泛關注。

地熱能是來自地球深處的可再生熱能,它起源于地球的熔融巖漿和放射性物質的衰變。利用地熱能可以發電、取暖、建造農作物溫室以及烘干谷物等。溫泉可以用于沐浴、醫療、水產養殖等。

開采地熱能,首先要鑿取地熱井。近年來,隨著我國經濟迅速發展,地熱井工程的施工量愈來愈大,作為開采地熱井的主要器材——濾水管的需求量也日趨增加,且對于技術性能亦不斷提高。因此,正確選擇和設計濾水管,是地熱井工程中提高成井效率和保證成井質量的關鍵。

濾水管是地熱井的關鍵部件,安裝在井管的下部含水層處,主要起護壁及濾水擋砂作用。地熱井能否正常工作及地熱開采量的多少均與濾水管的結構有關。選用適宜的濾水管,不但能防止涌砂,而且能得到最大的地熱開采量,并延長地熱井的使用壽命,獲得最佳的經濟效益。

1 濾水管的類型及特點

濾水管的類型很多,常用的有貼礫濾水管、橋式濾水管、梯形絲濾水管。

1.1 貼礫濾水管

在花管(井管壁上鉆有透水孔的無縫管)上用專用模具粘貼相應規格的礫石,形成一個人工礫石層,即為貼礫濾水管。該濾水管防砂效果好,價格低,較適用于細沙、粉細沙地層的水井。缺點是粘貼的礫石易掉塊,且在生產過程中因使用固化劑、膠粘劑等化學物質,容易對井水造成污染。

1.2 橋式濾水管

鋼板沖壓、卷制、焊接而成的縫隙式濾水管。該濾水管因構造簡單、價格低、重量輕得到廣泛應用。但孔隙率低、易腐蝕的缺點也是顯而易見的。

1.3 梯形絲濾水管

經過軋制的截面呈 V型或 T型的鋼絲連續纏繞焊接在相同(或圓形)截面的筋條上,形成一個籠狀的具有連續縫隙的濾水管,因其鋼絲截面呈上大下小、縫隙截面呈外小內大的梯形,故稱為梯形絲濾水管。該濾水管的優點是縫隙精確、孔隙率高、結構特殊、不易堵塞、阻砂效果好、使用壽命長,性價比高、綜合成本低。缺點是工藝復雜、價格較高。

2 濾水管的有關參數確定

2.1 管徑選擇

為了便于地熱開采,所以濾水管內徑應按以下公式考慮。D=d+(150～200)

式中:D為濾水管內徑,mm;d為耐熱潛水泵的直徑,mm。

2.2 濾水管的間隙

應根據含水層的類型及顆粒的大小而定,可按下式計算。M=β?d50式中:M為濾水管間隙,mm;β為經驗系數,中沙以下的沙層選 3,中沙以上的沙層選 4.5;d50為在含水層顆粒分析時,按篩上沙、礫質量的 50%計算得出的平均粒徑,mm。

2.3 濾水管長度的確定

應根據含水層的厚度、顆粒組成、出水量的大小及濾水管的直徑來確定濾水管的長度。也可用下式計算。

L=Q?α/d

式中:L為濾水管長度,m;Q為地熱井設計的最大出水量m3/d;α為經驗系數,當含水層的滲透系數 K=2～5m/晝夜時,α=90;當 K=5～15m/晝夜時,α=60;當 K=15～30m/晝夜時,α=50;當 K=30～70 m/晝夜時,α=30;d為濾水管的直徑,m。

2.4 濾水管孔隙率的確定

為保證地熱井的開采能力,必須保證濾水管有一定的孔隙率。在保證濾水管強度的基礎上應適當增大孔隙率,增加有效進水斷面及減少進水阻力,提高地熱井的開采效率。濾水管孔隙率可按下式計算。

ρ=Q/(πd LV)

式中:ρ為孔隙率,(%);Q為地熱井的出水量,(m3/s);V為地下水進入濾水管的流速,(m/s);d為濾水管直徑,(m);L為濾水管長度,(m)。

2.5 濾水管材料的選擇

水井一般選擇低碳鋼濾水管,地熱井一般溫度和水質礦化度較高,推薦選用 304或 316L材質的不銹鋼,可有效延長地熱井使用壽命,降低地熱井的維護運行費用。

2.6 連接方式的選擇

安放濾水管是一道非常重要的工序,所以應根據不同地熱井的要求,選用螺紋連接方式或焊接方式。

采用螺紋連接方式可節約作業時間,采用焊接方式可節約濾水管的加工費用。

3 選擇濾水管的注意事項

(1)選用濾水管成井前,應對含水層粒度進行仔細分析,以便選用合適的濾水管間隙,并計算孔隙率,以保證濾水管起到良好的防砂濾水作用。

(2)鉆孔本身應具有較直的軸線,并進行探孔。同時,濾水管應順直,無彎曲、無斷裂現象,內壁光滑圓整,連接后無彎曲,以利于安裝潛水泵等設備。

(3)鉆孔直徑大于濾水管外徑 200mm以上。

(4)在濾水管的適當位置安裝扶正器,并計算濾水管是否有足夠的強度,以能夠承受井內壓力和自重壓力。

(5)裝卸和搬運過程中應避免摔碰,防止濾水管變形而影響成井質量。

4 結論與建議

根據我隊近些年的地熱井開采施工經驗,優先選用了梯形絲濾水管,采用該管在冀魯豫三省施工的多眼地熱井全部達到了設計要求,尤其在新鄉醫學院施工的一眼地熱井水溫高達 73℃,成為河南省內的地熱井施工的一個成功范例。