中深层无干扰地热能供暖节能环保施工技术研究

魏永祥，胡登海，郭 武，孙崇亮

（中铁七局集团西安铁路工程有限公司，陕西 西安 710055）

地热能是一种绿色低碳、可循环利用的可再生能源。根据国家地热能开发利用“十三五”规划，目前全国各省市都出台了多项政策支持中深层地热能的开发利用。

截至目前，国内学者在中深层水热型地热、无干扰地热供热系统等地热能方面的研究方法已经有了初步认识。韩二帅[1]分析了无干扰地热和水热型供热技术两种技术的基本情况和应用效果。薛超[2]对地热井施工流程、分部分项工程划分、关键成井技术指标要求等进行了详细分析，讨论了中深层地热井施工过程中的关键质量控制点，为中深层地热井施工提供了可靠依据。李小波[3]对地热能钻井井型选择及施工参数进行优化设计。保平[4]提出了高温岩体地热深钻施工中钻井围岩稳定性控制技术。孙艳龙[5]以西安市大庆油区地热资源开发为依托，探讨了能降低成本增加效益的几种钻井技术。但是，以上研究均涉及在地热井施工过程中关键技术的研究，在对于施工过程中的环境保护技术问题的研究还不够成熟。

西咸新区是在2014 年1 月6 日，经国务院批准设立的首个以创新城市发展方式为主题的国家级新区。西咸新区从2015 年起就探索新型供热模式，破解城市清洁供热难题。基于此，本文依托西咸新区沣西新城无干扰地热能供暖项目（三期）一标段枫溪美郡区域中深层无干扰地热能供暖工程为依托，采用理论分析、工程应用等方法对中深层无干扰地热能供暖节能环保技术展开研究。

1 工程概况

如图1 所示，陕西西咸新区沣西新城枫溪美郡住宅供暖项目，总建筑用地面积8.6 万m2，设 计采用中深层地热岩供热技术为背景工程进行供暖，其中共设计6 口换热井，分别位于背景工程南北区各3 口。地热井采用ZJ30 石油钻机向地下一定深处（2 000～3 000m）高温岩层进行钻孔，井间距15m，由于中深层地热能钻井深度达2 500m，因此地层复杂多变，施工难度较大。

图1 背景工程图

2 环保施工实施原则

2.1 资源最优化原则

施工过程中要遵循可持续发展原则，尽量减少能源的消耗，提高能源的利用率。

施工以地下中深层热储层或干热岩为热源，通过专用换热设备提取地热能的技术，全过程不需要提取地下水，能够有效节约水资源。同时，施工现场可安装泥水分离机，通过实现泥水混合物的分离，达到分离水资源的重复利用。

2.2 污染最小化原则

污染最小化原则属于环保施工原则的基础性原则。在中深层无干扰地热能供暖工程中，由于钻井成井过程中会产生泥水混合物，若不对其进行处理则会造成对环境的污染。施工现场可安装泥水分离机，通过实现泥水混合物的分离，实现对废浆的无害排放，保证环境污染最小化原则。

2.3 经济最大化原则

经济最大化原则要求在环保技术制定及施工过程中要正确处理需要达到的环境目标与相应付诸的经济成本之间的相互关系。争取保证在不产生显著的负外部影响的前提下，用最小的经济投入取得较大的效益[6]。

3 环保施工技术研究

3.1 无干扰中深层地热能提取技术

3.1.1 技术原理

通过石油钻机向地下一定深处高温岩层进行钻孔，在井孔内安装石油套管及换热管，在石油套管最底部安装密闭的金属换热器，通过金属换热器的快速聚能及换热站的循环将地下深处的热能导出，并通过专用热泵系统向地面建筑物供热，此技术过程中不需要提取地下水，采取换热器间接换热，不浪费水资源，是一种新型的环保清洁能源技术。

3.1.2 工艺流程

步骤一：钻井

1）一开钻进使用347.6mm 钻头，从地表钻至约501m 完钻，起出钻具后下入∅273mm 表层套管约500m。

2）使用插入法，对一开500m表套进行固井。

3）二开钻进使用241.3mm 钻 头，在∅273mm 表层套管内下钻，从约500m 钻至2 500m 完钻。

4）起出钻具后进行全井通井作业，并重新调配泥浆性能，为固井及下套管作业做准备。

5）将固井钻具下至1 557m 处，注入固井水泥压浆料11.651m3，随后起固井钻具。

6）进行下177.8mm 技术套管作业。当套管下至井底2 500m 处时，1 557m 处的11.651m3固井水泥压浆料的液面在环空内随之上涨，最终充满最上部500m 的环形空间，达到固井目的。

步骤二：设备安装

1）钻井液循环净化系统安装主要包括泥浆泵、地面管汇、水龙带、水龙头、泥浆罐、泥浆池、泥浆槽、振动筛、除砂（泥）器。

2）动力系统安装为绞车、转盘、钻井泵提供动力，钻井泵的作用是为钻井液的循环提供必要的能量。以一定的压力和流量将钻井液输进钻具，完成整个循环过程。

3）换热装置安装在井孔内安装石油套管及换热管，深层干热岩、中深层地热源聚能换热装置包括取热装置和滑套，滑套安装于取热装置的下方，取热装置包括外层取热套管、中心套管和保温管，保温管设置于中心套管的上方，保温管的侧壁设置有空心夹层。

步骤三：地热能提取

通过金属换热器的快速聚能及换热站的循环将地下深处的热能提取，并通过专用热泵系统向地面建筑物进行供热，如图2 所示。

图2 地热能提取示意图

3.2 泥水分离技术

3.2.1 技术原理

该技术通过使用泥水分离机实现泥水混合物的分离。泥水分离机构造如图3 所示。其工作原理为：通过液压缸活塞推动头板，使滤板压紧相邻的滤板形成滤室；由泥浆泵将泥浆送入滤室，水透过滤布经排液口排出，固体泥浆在滤室形成滤饼。当泥浆充满滤室后，用高压泵继续对泥浆进行加压过滤，使固液在滤室内分离，最终实现对废浆的无害排放，减少了对环境的污染。

图3 泥水分离机构造

3.2.2 工艺流程

泥水分离机具体工艺流程包括以下4个步骤。

1）压紧滤板压紧滤板，操作压力一般为0.3～0.6MPa。使尾板向头板方向移动，把在头板和尾板之间的全部滤板压紧。由此，在相邻的滤板间构成了中空的密封滤室。

2）压滤过程泥浆通过给料泵输送到滤室里，当滤室充满泥浆后，则开始进行压滤，将泥浆压成泥浆饼，泥浆借助给料泵的压力实现固液分离，压滤机结构及附属设备的布置方式如图4所示。在压滤初期，泥浆饼厚度较小，此时用低扬程、大流量的泵。随着泥浆饼厚度增加，此时选用高扬程小流量的泵。当达到规定压滤时间，停止给料，压滤过程完成。

3）松开滤板操纵液压系统，将头板退回到原来位置。

4）滤板卸料传动及拉开装置上的传动链，相继将滤板拉开，泥浆饼借助自重脱落，由下部运输机运走。

4 应用效果

通过对背景工程实施中深层无干扰中深层地热能提取技术，发现节能减排效果明显。如果在一个采暖季（4 个月），每100 万m2建筑，与燃煤锅炉相比，干热岩供热可替代标煤1.6 万t，减少CO2排放量4.3 万t，减少SO2排放量136t。同时，投资小、运行成本低，背景工程10 万m2的小区每年节约24 万元。

同时，通过对背景工程泥水混合物实施泥水分离技术，最终实现了对废浆的无害排放，排出的水可直接进行重复利用，减少了对环境的污染的同时节约了水资源。

5 结语

通过对中深层无干扰地热能供暖节能环保技术的工程应用研究，得出市政供暖技术施工中可选用无干扰中深层地热能提取技术与泥浆分离技术。其中，中深层地热能提取技术不需要提取地热水直接采取换热器间接换热，能够有效节约水资源。泥水分离技术可使固液在滤室内分离，实现对废浆的无害排放，减少了对环境的污染。从长远来看，中深层无干扰地热能供暖节能环保技术的研究能够节约能源，同时减少废浆的排放。具有显著的经济性和社会效益。