中深層無干擾地熱能供暖節能環保施工技術研究

魏永祥，胡登海，郭 武，孫崇亮

（中鐵七局集團西安鐵路工程有限公司，陜西 西安 710055）

地熱能是一種綠色低碳、可循環利用的可再生能源。根據國家地熱能開發利用“十三五”規劃，目前全國各省市都出臺了多項政策支持中深層地熱能的開發利用。

截至目前，國內學者在中深層水熱型地熱、無干擾地熱供熱系統等地熱能方面的研究方法已經有了初步認識。韓二帥[1]分析了無干擾地熱和水熱型供熱技術兩種技術的基本情況和應用效果。薛超[2]對地熱井施工流程、分部分項工程劃分、關鍵成井技術指標要求等進行了詳細分析，討論了中深層地熱井施工過程中的關鍵質量控制點，為中深層地熱井施工提供了可靠依據。李小波[3]對地熱能鉆井井型選擇及施工參數進行優化設計。保平[4]提出了高溫巖體地熱深鉆施工中鉆井圍巖穩定性控制技術。孫艷龍[5]以西安市大慶油區地熱資源開發為依托，探討了能降低成本增加效益的幾種鉆井技術。但是，以上研究均涉及在地熱井施工過程中關鍵技術的研究，在對于施工過程中的環境保護技術問題的研究還不夠成熟。

西咸新區是在2014 年1 月6 日，經國務院批準設立的首個以創新城市發展方式為主題的國家級新區。西咸新區從2015 年起就探索新型供熱模式，破解城市清潔供熱難題?；诖耍疚囊劳形飨绦聟^灃西新城無干擾地熱能供暖項目（三期）一標段楓溪美郡區域中深層無干擾地熱能供暖工程為依托，采用理論分析、工程應用等方法對中深層無干擾地熱能供暖節能環保技術展開研究。

1 工程概況

如圖1 所示，陜西西咸新區灃西新城楓溪美郡住宅供暖項目，總建筑用地面積8.6 萬m2，設 計采用中深層地熱巖供熱技術為背景工程進行供暖，其中共設計6 口換熱井，分別位于背景工程南北區各3 口。地熱井采用ZJ30 石油鉆機向地下一定深處（2 000～3 000m）高溫巖層進行鉆孔，井間距15m，由于中深層地熱能鉆井深度達2 500m，因此地層復雜多變，施工難度較大。

圖1 背景工程圖

2 環保施工實施原則

2.1 資源最優化原則

施工過程中要遵循可持續發展原則，盡量減少能源的消耗，提高能源的利用率。

施工以地下中深層熱儲層或干熱巖為熱源，通過專用換熱設備提取地熱能的技術，全過程不需要提取地下水，能夠有效節約水資源。同時，施工現場可安裝泥水分離機，通過實現泥水混合物的分離，達到分離水資源的重復利用。

2.2 污染最小化原則

污染最小化原則屬于環保施工原則的基礎性原則。在中深層無干擾地熱能供暖工程中，由于鉆井成井過程中會產生泥水混合物，若不對其進行處理則會造成對環境的污染。施工現場可安裝泥水分離機，通過實現泥水混合物的分離，實現對廢漿的無害排放，保證環境污染最小化原則。

2.3 經濟最大化原則

經濟最大化原則要求在環保技術制定及施工過程中要正確處理需要達到的環境目標與相應付諸的經濟成本之間的相互關系。爭取保證在不產生顯著的負外部影響的前提下，用最小的經濟投入取得較大的效益[6]。

3 環保施工技術研究

3.1 無干擾中深層地熱能提取技術

3.1.1 技術原理

通過石油鉆機向地下一定深處高溫巖層進行鉆孔，在井孔內安裝石油套管及換熱管，在石油套管最底部安裝密閉的金屬換熱器，通過金屬換熱器的快速聚能及換熱站的循環將地下深處的熱能導出，并通過專用熱泵系統向地面建筑物供熱，此技術過程中不需要提取地下水，采取換熱器間接換熱，不浪費水資源，是一種新型的環保清潔能源技術。

3.1.2 工藝流程

步驟一：鉆井

1）一開鉆進使用347.6mm 鉆頭，從地表鉆至約501m 完鉆，起出鉆具后下入?273mm 表層套管約500m。

2）使用插入法，對一開500m表套進行固井。

3）二開鉆進使用241.3mm 鉆 頭，在?273mm 表層套管內下鉆，從約500m 鉆至2 500m 完鉆。

4）起出鉆具后進行全井通井作業，并重新調配泥漿性能，為固井及下套管作業做準備。

5）將固井鉆具下至1 557m 處，注入固井水泥壓漿料11.651m3，隨后起固井鉆具。

6）進行下177.8mm 技術套管作業。當套管下至井底2 500m 處時，1 557m 處的11.651m3固井水泥壓漿料的液面在環空內隨之上漲，最終充滿最上部500m 的環形空間，達到固井目的。

步驟二：設備安裝

1）鉆井液循環凈化系統安裝主要包括泥漿泵、地面管匯、水龍帶、水龍頭、泥漿罐、泥漿池、泥漿槽、振動篩、除砂（泥）器。

2）動力系統安裝為絞車、轉盤、鉆井泵提供動力，鉆井泵的作用是為鉆井液的循環提供必要的能量。以一定的壓力和流量將鉆井液輸進鉆具，完成整個循環過程。

3）換熱裝置安裝在井孔內安裝石油套管及換熱管，深層干熱巖、中深層地熱源聚能換熱裝置包括取熱裝置和滑套，滑套安裝于取熱裝置的下方，取熱裝置包括外層取熱套管、中心套管和保溫管，保溫管設置于中心套管的上方，保溫管的側壁設置有空心夾層。

步驟三：地熱能提取

通過金屬換熱器的快速聚能及換熱站的循環將地下深處的熱能提取，并通過專用熱泵系統向地面建筑物進行供熱，如圖2 所示。

圖2 地熱能提取示意圖

3.2 泥水分離技術

3.2.1 技術原理

該技術通過使用泥水分離機實現泥水混合物的分離。泥水分離機構造如圖3 所示。其工作原理為：通過液壓缸活塞推動頭板，使濾板壓緊相鄰的濾板形成濾室；由泥漿泵將泥漿送入濾室，水透過濾布經排液口排出，固體泥漿在濾室形成濾餅。當泥漿充滿濾室后，用高壓泵繼續對泥漿進行加壓過濾，使固液在濾室內分離，最終實現對廢漿的無害排放，減少了對環境的污染。

圖3 泥水分離機構造

3.2.2 工藝流程

泥水分離機具體工藝流程包括以下4個步驟。

1）壓緊濾板壓緊濾板，操作壓力一般為0.3～0.6MPa。使尾板向頭板方向移動，把在頭板和尾板之間的全部濾板壓緊。由此，在相鄰的濾板間構成了中空的密封濾室。

2）壓濾過程泥漿通過給料泵輸送到濾室里，當濾室充滿泥漿后，則開始進行壓濾，將泥漿壓成泥漿餅，泥漿借助給料泵的壓力實現固液分離，壓濾機結構及附屬設備的布置方式如圖4所示。在壓濾初期，泥漿餅厚度較小，此時用低揚程、大流量的泵。隨著泥漿餅厚度增加，此時選用高揚程小流量的泵。當達到規定壓濾時間，停止給料，壓濾過程完成。

3）松開濾板操縱液壓系統，將頭板退回到原來位置。

4）濾板卸料傳動及拉開裝置上的傳動鏈，相繼將濾板拉開，泥漿餅借助自重脫落，由下部運輸機運走。

4 應用效果

通過對背景工程實施中深層無干擾中深層地熱能提取技術，發現節能減排效果明顯。如果在一個采暖季（4 個月），每100 萬m2建筑，與燃煤鍋爐相比，干熱巖供熱可替代標煤1.6 萬t，減少CO2排放量4.3 萬t，減少SO2排放量136t。同時，投資小、運行成本低，背景工程10 萬m2的小區每年節約24 萬元。

同時，通過對背景工程泥水混合物實施泥水分離技術，最終實現了對廢漿的無害排放，排出的水可直接進行重復利用，減少了對環境的污染的同時節約了水資源。

5 結語

通過對中深層無干擾地熱能供暖節能環保技術的工程應用研究，得出市政供暖技術施工中可選用無干擾中深層地熱能提取技術與泥漿分離技術。其中，中深層地熱能提取技術不需要提取地熱水直接采取換熱器間接換熱，能夠有效節約水資源。泥水分離技術可使固液在濾室內分離，實現對廢漿的無害排放，減少了對環境的污染。從長遠來看，中深層無干擾地熱能供暖節能環保技術的研究能夠節約能源，同時減少廢漿的排放。具有顯著的經濟性和社會效益。