（一） 地熱井

 

  地熱井是開采地熱資源的主要手段。因此國內外開發地熱資源都十分重視地熱井的成井工藝和質量，減少地熱井的建井成本，提高建地熱井的成井率，從而降低整個地熱田的開發成本，一個好的地熱井， 應滿足以下基本要求。

 

  1.井深

 

  應穿越設計開采熱儲層的底板深度。

 

  2.井徑

 

  上部應滿足設計開采年限內下入與井出水量相匹配的深井水泵對井管口徑的要求和下入水位監測儀器的要求，下部應滿足下入井孔修理設備的要求。     3.井斜度保持垂直，在100m深度內其井斜不得大于1°。

 

  4.地層剖面

 

  通過鉆井、地球物理測井，取全取準地層剖面地質資料、測溫資料， 嚴格劃分各熱儲層頂、底板深度。

 

  5.止水封孔

 

  對開采熱儲層頂板以上井段進行嚴格的止水封孔，防止非開采層或上層低溫水的串通和污染。

 

  6.完井試驗

 

  針對熱水井投入生產的需要進行抽水或放噴試驗、水質分析及穩態井溫測量，準確取得熱水的水位、水溫、水位降低及相應出水量和水質等資料，對于中、高溫熱水井，還必須準確測定井口壓力，不同壓力下的汽水流量和溫度，水、汽含量及其比例，分離蒸汽中的不凝氣體含量等，評價熱水井的生產潛力。

 

  1. 密封膠墊；2. 定位密封法蘭；3. 填料函及填料；4.井口基座；5.井管（二） 井口裝置

 

  1.多功能井口裝置

 

  地熱井口裝置是地熱井開發中最基本的井口設備，是維持地熱井生產正常運行，進行熱水動態監測，防止由于井管伸縮及地面下降而引起的事故，減少熱水的腐蝕作用等所必須的。隨著地熱利用的逐步發展，地熱井的井口裝置逐步規范化，目前在中國天津地熱開發中較普遍采用的多功能井口裝置就是其中之一（圖1）。

 

  該裝置有以下功能：

 

  1）能有效地防止井管伸縮造成的泵座破壞及漏水事故。

 

  2）設有回流管，具有回流部分地熱水，調節系統供水量的功能，在自流井使用中，可兼做自流供水管。

 

  3）設有專門的水位測量孔及配套儀表，使水位監測方便實用。水位監測孔設有專用盲氣孔法蘭，折裝方便，并能有效地阻止氧氣混入熱水而造成系統腐蝕。

 

  4）水溫、水壓表由井口裝置配備，解決用戶基本測量儀表配備不全或不配套。

 

  5）選擇具有抗腐蝕的閥門，對接觸地熱水的零部件采取防腐措施。

 

  6）有臨時地熱水排放孔，便于自流井安裝水泵。

 

  2.井口隔氧裝置

 

  為防止地熱水在井口與空氣接觸，減少地熱水中氧氣與氯離子聯合作用時對輸水設備的腐蝕危害，在一些有腐蝕作用的地熱井的裝置中，安裝隔氧設備，其中較為常用的一種方法是氮氣保護法.

 

  3.井口除砂裝置

 

  有的地熱井，由于地質及施工方面的因素，水中的含砂量超過國家規定的工業用水含砂量標準（含砂量應低于1/200萬），影響熱水的正常使用。若含砂量高的地熱水用于供暖，會造成管路系統堵塞，因此對于含砂量超過標準的地熱井，應采取除砂措施。目前國內設計的旋流式除砂器（圖3，是一種較為理想的地熱利用系統中的除砂設備，該設備一般安裝在熱水井口的出水管上。

 

  有的地熱井水在井口減壓后呈汽、水兩態，且含有大量的不凝氣體，用于供熱，會在供熱管道中形成氣阻，造成管道沖擊現象，影響正常供熱。對這類地井應采用汽、水分離的井口裝置，將汽水混合物在井口分離開來，分別送給用戶。這種裝置包括：分離器、集水箱（或分水箱）及配管系統。

 

  （三） 地熱水的直接利用

 

  地熱水的直接利用，大多用于醫療洗浴、水產養殖和部分地熱供暖。直接用于醫療、 洗浴及水產養殖的地熱水，應符合相應的水質標準；直接用于地熱供暖的地熱水，必須是水質好、氯離子含量低，對設備、管道的腐蝕性小，否則會因地熱水的腐蝕、結垢導致設備損壞、管道堵塞而造成很大損失。

 

  地熱水用于直接供暖，是將地熱水直接送入采暖用戶終端散熱器進行采暖的地熱水供暖方式。供暖降溫后的地熱水，經綜合利用后排放或回灌（圖4,其優點是供暖方式簡單，投資少，地熱水熱量利用充分。

 

  （四）地熱水的間接利用

 

  主要用在地熱供暖上。對水質差、具有腐蝕性和產生結垢的地熱水用于供暖，往往采用間接利用方式，即采用中間換熱的方式。地熱水為一次水，采暖循環水為二次水（一般采用低礦化的優質水或蒸餾水）。兩路水通過中間換熱器換熱，采暖循環水從地熱水中轉換出的熱量送至用戶采暖；地熱水經換熱降溫后，再進行綜合利用或排放或回灌。

 

  間接供暖與直接利用的區別在于有無中間換熱器，與直接利用相比，其優點是：采暖系統的循環泵，輸送管網和用戶終端不會因地熱水的進入造成腐蝕、結垢，擴大了質量差的地熱水利用范圍，但由于增加換熱器，系統投資增加，地熱水經過換熱，二次循環水的供暖溫度低于地熱水的溫度，供暖面積相應減少，降低了地熱水可利用熱能。

 

  采用間接供暖的關鍵設備是中間換熱器，由于它直接與具有腐蝕性的地熱水接觸，其材質必須是耐腐蝕性的，據國內一些使用不同材質的換熱器進行地熱水間接供暖的使用效果看，以鈦板換熱器為最佳。如天津在利用Cl離子含量863?mg/L，SO4離子含量達1?993mg/L的地熱水進行間接供暖，使用了鈦板換熱器，已用了9個采暖期，換熱器板片未見腐蝕。鈦板換熱器在地熱水中具有較好的耐腐蝕性，對系統的密封性要求不高，使用壽命可達20年以上，但鈦材價格較貴，增加了設備的投資也是應該考慮的。

 

  目前，在一些國家（美國、新西蘭、日本等），采用了地熱井換熱器系統（簡稱DHE系統），進行間接取熱的方法。該系統是將換熱器（由同軸管或U型管構成）置于井下，清潔的冷水在管內流動，通過井下換熱器將地下的熱量取出，供給用戶，經用戶使用后，再由水泵打入井下換熱器進行封閉循環換熱（圖６。此方法因不直接抽出地熱水，可減少因直接開采利用地熱水引起的水位下降和地面沉降，以及廢熱水排放引起的環境污染等問題,是保護熱儲的有效方法。目前國內尚未采用。

 

  當pH值升高時，CO2-3濃度上升，碳酸鈣垢易生成。pH值由CO2分壓控制，地熱水噴出地面，壓力下降，導致CO2逸出，使水中pH值升高，造成碳酸鈣垢的形成。判斷熱水中碳酸鈣垢能否形成，國內外專家進行了大量研究，提出了雷茲譜指數、拉申指數等結垢趨勢判別式。研究表明，對熱水中氯離子含量低的可用雷茲譜指數判斷；對氯離子含量超過25％毫克當量百分比的，則可采用拉申指數予以判斷。

 

  雷茲譜指數表達式為：R1＝2pHs-pHa

 

  式中： pHa為地熱水pH實測值; pHs為計算的pH值,高于此值，則水中有碳酸鈣沉淀。可用下式計算：

 

  pHs=lg（Ca2+）-lg（ALK）＋Kc

 

  式中：Ca2+為熱水中鈣離子的摩爾濃度; ALK＝(HCO3) ，為流體中重碳酸根的摩爾濃度;Kc為常數，包括兩個與溫度有關的平衡常數和活度系數的復雜常數。根據計算的R1值，估算熱水中的結垢傾向。

 

  當R1＜4.0，非常嚴重結垢；

 

  4.0＜R1＜5.0，嚴重結垢；

 

  5.0＜R1＜6.0，中等結垢；

 

  6.0＜R1＜7.0，輕微結垢；

 

  R1＞7.0，不結垢。

 

  拉申指數的表達式為：L1＝Cl＋SO4/ALK

 

  式中：Cl為氯化物或鹵化物濃度；SO4為硫酸鹽濃度；ALK為總堿度。

 

  此三項均以等當量的CaCO3（mg/L）表示當 L1＞0.5，不結垢；L1＜0.5，可能結垢。

 

  （2）硫酸鈣垢

 

  在低溫地熱水中，主要為二水硫酸鈣（石膏CaSO4·2H2O）的沉淀，當地熱水中鈣離子的濃度與硫酸根離子濃度積超過二水硫酸鈣的溶解度時就產生，地熱水中硫酸鈣生成的趨勢，可由石膏的相對飽和度（R.S）估算：

 

  當R.S＜1.0 時，無CaSO4·2 H2O垢生成；

 

  R.S＞1.0 可能生成CaSO4·2H2O垢。

 

  （3）硅酸鹽垢

 

  硅酸鹽垢的結垢比較復雜，結垢趨勢可由無定形的SiO2的相對飽和度（R.S）的大小來判斷：

 

  當R.S＜1.0時，無SiO2垢生成；

 

  R.S＞1.0，可能生成SiO2垢。

 

  中國地熱水開發利用最普遍存在的結垢問題是碳酸鈣垢，對其防止，一是除垢，即讓碳酸鈣垢自然形成，然后定期、不定期的加以清除；二是防垢，即采取預防措施，防止或控制垢的發生。

 

  除垢的方法是：

 

  1) 機械除垢，一般采用輕型鉆機，配備專用鉆頭，定期清垢；也可用軟管鉆機通井；2) 用高壓水泵進行水壓破碎；

 

  3) 用HCl和HF等溶解水垢。

 

  防垢的方法有：

 

  (1) 化學方法即在地熱水中投放酸性溶液，降低熱水的pH值，使碳酸鈣不致沉淀。

 

  (2) 增壓法即采用深井泵或潛水泵輸送井中地熱水，使其在系統中保持足夠壓力而不發生氣化，以防止CaCO3沉淀；垢減輕成疏散狀，便于清洗。      (3) 磁法即在地熱水輸水管線上安裝磁法防除垢裝置，對地熱水進行磁化處理，使垢減輕并成松散狀，便于清洗。

 

  (4) 防垢涂層法即選用合適的涂料涂襯在管壁內，防止管壁結垢。

 

  （六）地熱資源開發中的節水、節能技術

 

  中國地熱資源的開發利用，已逐步由粗放型向集約型轉變，在一些開發利用比較早的地區，運用集中供熱、梯級開發、降低地熱水排放溫度、地熱水回灌、自動控制等技術，有效地利用了當地的地熱資源，減少了地熱資源的損失，提高了地熱資源利用的社會經濟效益。

 

  1.集中供熱技術

 

  運用集中供熱技術開發地熱資源在福州地熱田應用比較早、效果比較好。依據地熱田的富水地段集中、有利于集中開采的特點，1991年福州市成立了福州市溫泉供應公司，在熱田南、北兩處富水地段集中打井開采地熱水，建立南、北兩個地熱水水廠。取代了部分分散開采的地熱水井。該公司兩水廠年供地熱水127萬m3，開采量僅占全熱田開采量35.7％，但用戶卻占全熱田用熱單位的72％左右，覆蓋面積達15km2, 是熱田可采面積的3倍，年洗浴總人次占全熱田利用地熱水洗浴總人次的45.32％，取得了顯著的社會經濟效益。

 

  2.地熱梯級開發技術

 

  地熱水資源是具有多種用途的自然資源，既可應用其蘊藏的能源，又可利用其水資源，因此開發地熱資源都十分重視實行梯級開發，綜合利用。天津在地熱開發利用中，堅持對地熱溫度的梯級利用，對溫度60℃以上的地熱水，先行供暖，并嚴格控制排放水溫度；溫度40～50℃的地熱水，則以理療、浴療為主；溫度25～40℃的地熱水，按健身項目進行開發。湖北英山地熱田在開發中，從地熱水礦化度低、水質好、適合多種用途的實際情況出發，根據不同用途，建立干燥（孵化）-洗浴-養魚-灌溉的梯級利用模式，保證了地熱溫度的有效利用。北京小湯山對水溫44℃的地熱水采用下述模式行開發，即地熱水抽出后，經除砂進入熱交換器，首先采暖，采暖回水經管道泵循環進熱交換器循環使用，地熱水失熱后，部分分配給養魚池、花房等進行二次供暖；部分經處理后送至生活區供應各生活用熱水點，使低溫熱水資源得了充分的利用。

 

  3.降低地熱水利用后的排放溫度

 

  這是減少熱資源浪費的重要途徑，天津地區采用二級供暖方式，即回水重復利用或二次加熱供暖的方式，有效地降低了地熱水供暖的排水溫度，一般可將排水溫度降至38～40℃，提高了地熱水資源的利用率。

 

  4.地熱水回灌

 

  地熱水回灌是減少熱水資源消耗，控制熱儲層壓力下降，提高地熱資源利用率，保護環境的重要手段。國內外在地熱資源開發中均十分重視這一技術的運用。目前的作法有三：一是對井回灌，即一個熱水生產井、一個回灌井組成地熱供暖系統，生產井提供地熱水供暖、采暖后的回水壓入回灌井回收，以減少熱水資源的損失。法國巴黎盆地利用地熱供暖基本上采用這一模式，中國目前也在開始應用這一技術；二是同井分層抽灌，即從地熱井某一儲層中抽取地熱水，提供利用后，再將回水回灌到同一地熱井中的另一儲層中（圖８）技術在匈牙利得到了應用，收到了比較好的效果，建井費用可比對井回灌減少50%～70％； 三是單井回灌，即在地熱資源開發區，選擇適宜地段和熱儲層位建立單獨的地熱回灌井，回收利用后的地熱棄水。中國已先后在北京、天津大港、福州等地熱田開展了這方面的研究， 積累了一些經驗。

 

  5.建立地熱利用自動化監控管理系統

 

  對地熱資源開發利用系統實行自動化監控管理，以提高地熱資源的開發利用水平，是當前地熱開發中國內外都十分關注的問題。中國不少地熱田的開發管理都在進行這方面的探索，并取得了一些成功的經驗，如天津塘沽地熱試驗研究中心，在國外SCADA系統（監控數據采集系統）的基礎上，開發了與國外設計的控制系統功能相仿的自動控制系統，裝備塘沽TR-24地熱井，做到了全自動控制供熱、供水系統的安全運行。北京小湯山空軍接待站地熱井采用山東煙臺黃金設計研究院科技公司設計的自控系統，對地熱水源、潛水泵變頻調速和采暖回水恒溫排放等實行自動監控，改變了傳統的手工操作，取得了顯著的社會經濟效益。采暖排水溫度由40℃降至28℃，減少了熱量損失，確保設備穩定運行，減少了事故及維修費用，經現場測算驗證，采暖期（5.5月），可節電32％，節水30％，節電、節水費用約 5.64萬元。對地熱資源開發利用系統實行自動化監控管理，以提高地熱資源的開發利用水平，是當前地熱開發中國內外都十分關注的問題。中國不少地熱田的開發管理都在進行這方面的探索，并取得了一些成功的經驗，如天津塘沽地熱試驗研究中心，在國外SCADA系統（監控數據采集系統）的基礎上，開發了與國外設計的控制系統功能相仿的自動控制系統，裝備塘沽TR-24地熱井，做到了全自動控制供熱、供水系統的安全運行。北京小湯山空軍接待站地熱井采用山東煙臺黃金設計研究院科技公司設計的自控系統，對地熱水源、潛水泵變頻調速和采暖回水恒溫排放等實行自動監控，改變了傳統的手工操作，取得了顯著的社會經濟效益。采暖排水溫度由40℃降至28℃，減少了熱量損失，確保設備穩定運行，減少了事故及維修費用，經現場測算驗證，采暖期（5.5月），可節電32％，節水30％，節電、節水費用約 5.64萬元。