地热能开发中滤水管的选择与应用

刘玉祥

(河南省地质矿产勘查开发局第一水文地质工程地质队,河南 新乡 453002)

近年来,随着《可再生能源法》的实施,地热资源作为可再生能源得到广泛关注。

地热能是来自地球深处的可再生热能,它起源于地球的熔融岩浆和放射性物质的衰变。利用地热能可以发电、取暖、建造农作物温室以及烘干谷物等。温泉可以用于沐浴、医疗、水产养殖等。

开采地热能,首先要凿取地热井。近年来,随着我国经济迅速发展,地热井工程的施工量愈来愈大,作为开采地热井的主要器材——滤水管的需求量也日趋增加,且对于技术性能亦不断提高。因此,正确选择和设计滤水管,是地热井工程中提高成井效率和保证成井质量的关键。

滤水管是地热井的关键部件,安装在井管的下部含水层处,主要起护壁及滤水挡砂作用。地热井能否正常工作及地热开采量的多少均与滤水管的结构有关。选用适宜的滤水管,不但能防止涌砂,而且能得到最大的地热开采量,并延长地热井的使用寿命,获得最佳的经济效益。

1 滤水管的类型及特点

滤水管的类型很多,常用的有贴砾滤水管、桥式滤水管、梯形丝滤水管。

1.1 贴砾滤水管

在花管(井管壁上钻有透水孔的无缝管)上用专用模具粘贴相应规格的砾石,形成一个人工砾石层,即为贴砾滤水管。该滤水管防砂效果好,价格低,较适用于细沙、粉细沙地层的水井。缺点是粘贴的砾石易掉块,且在生产过程中因使用固化剂、胶粘剂等化学物质,容易对井水造成污染。

1.2 桥式滤水管

钢板冲压、卷制、焊接而成的缝隙式滤水管。该滤水管因构造简单、价格低、重量轻得到广泛应用。但孔隙率低、易腐蚀的缺点也是显而易见的。

1.3 梯形丝滤水管

经过轧制的截面呈 V型或 T型的钢丝连续缠绕焊接在相同(或圆形)截面的筋条上,形成一个笼状的具有连续缝隙的滤水管,因其钢丝截面呈上大下小、缝隙截面呈外小内大的梯形,故称为梯形丝滤水管。该滤水管的优点是缝隙精确、孔隙率高、结构特殊、不易堵塞、阻砂效果好、使用寿命长,性价比高、综合成本低。缺点是工艺复杂、价格较高。

2 滤水管的有关参数确定

2.1 管径选择

为了便于地热开采,所以滤水管内径应按以下公式考虑。D=d+(150～200)

式中:D为滤水管内径,mm;d为耐热潜水泵的直径,mm。

2.2 滤水管的间隙

应根据含水层的类型及颗粒的大小而定,可按下式计算。M=β◦d50式中:M为滤水管间隙,mm;β为经验系数,中沙以下的沙层选 3,中沙以上的沙层选 4.5;d50为在含水层颗粒分析时,按筛上沙、砾质量的 50%计算得出的平均粒径,mm。

2.3 滤水管长度的确定

应根据含水层的厚度、颗粒组成、出水量的大小及滤水管的直径来确定滤水管的长度。也可用下式计算。

L=Q◦α/d

式中:L为滤水管长度,m;Q为地热井设计的最大出水量m3/d;α为经验系数,当含水层的渗透系数 K=2～5m/昼夜时,α=90;当 K=5～15m/昼夜时,α=60;当 K=15～30m/昼夜时,α=50;当 K=30～70 m/昼夜时,α=30;d为滤水管的直径,m。

2.4 滤水管孔隙率的确定

为保证地热井的开采能力,必须保证滤水管有一定的孔隙率。在保证滤水管强度的基础上应适当增大孔隙率,增加有效进水断面及减少进水阻力,提高地热井的开采效率。滤水管孔隙率可按下式计算。

ρ=Q/(πd LV)

式中:ρ为孔隙率,(%);Q为地热井的出水量,(m3/s);V为地下水进入滤水管的流速,(m/s);d为滤水管直径,(m);L为滤水管长度,(m)。

2.5 滤水管材料的选择

水井一般选择低碳钢滤水管,地热井一般温度和水质矿化度较高,推荐选用 304或 316L材质的不锈钢,可有效延长地热井使用寿命,降低地热井的维护运行费用。

2.6 连接方式的选择

安放滤水管是一道非常重要的工序,所以应根据不同地热井的要求,选用螺纹连接方式或焊接方式。

采用螺纹连接方式可节约作业时间,采用焊接方式可节约滤水管的加工费用。

3 选择滤水管的注意事项

(1)选用滤水管成井前,应对含水层粒度进行仔细分析,以便选用合适的滤水管间隙,并计算孔隙率,以保证滤水管起到良好的防砂滤水作用。

(2)钻孔本身应具有较直的轴线,并进行探孔。同时,滤水管应顺直,无弯曲、无断裂现象,内壁光滑圆整,连接后无弯曲,以利于安装潜水泵等设备。

(3)钻孔直径大于滤水管外径 200mm以上。

(4)在滤水管的适当位置安装扶正器,并计算滤水管是否有足够的强度,以能够承受井内压力和自重压力。

(5)装卸和搬运过程中应避免摔碰,防止滤水管变形而影响成井质量。

4 结论与建议

根据我队近些年的地热井开采施工经验,优先选用了梯形丝滤水管,采用该管在冀鲁豫三省施工的多眼地热井全部达到了设计要求,尤其在新乡医学院施工的一眼地热井水温高达 73℃,成为河南省内的地热井施工的一个成功范例。