地热井开发与改造研究的应用实例

  工程概况

 

  东丽某开发区位于天津市东郊,东临渤海,是天津市重要的经济开发区。该开发区北区现有建筑的采暖面积为33万m2 ,由东、西区两个供热站供热。 东供热站共有2口地热井,以一口雾迷山组热储层地热井SR4(井深2410m,出水温度90℃,流量150m3 /h)为供热井,采用间接供热方式,尾水排放 温度为48℃,供热面积7.0万m2 ;以一口馆陶组热储层地热井SR3(井深971m,出水温度58℃,流量60m3/h)作为洗浴井,供生活热水。

 

  西供热站共有3口地热井,以一口雾迷山组热储层地热井SR5(井深3450m,出水温度89℃,流量120m3 /h)和一口奥陶系热储层地热井SR2(井深1488m,出水温度70℃,流量88m3 /h)为主力热源,进行间接式供热,尾水排放温度为50℃,回灌井为 一口奥陶系热储层地热井SR1(井深1380m,出水温度75℃,流量120m3 /h)。西供热站还设置2台7.0MW的锅炉作为辅助热源进行联合供热。西供热站的供热面积26万m2。 该开发区南区规划面积3km2 ,建筑物以现代化工业厂房为主,同时还有回迁住宅、超市等,一期工程供热面积22.5万m2 。开发区南区建筑规模大,原有的供热系统不能满足其采暖要求。

 

  问题分析

 

  (1)热能利用率低。原开发区5口地热井中,SR3为洗浴井,其地热水一次性利用后排放;SR4为供热井,其地热水用钛板换热器间接换热后,将48℃的尾水直接排放;SR5和SR2的地热水用钛板换热器间接换热后,将50℃的尾水回灌到SR1回灌井中。按照有关公式计算,SR4供热井的地热利用率为53.8%,SR5供热井的地热利用率为50.6%,SR2供热井的地热利用率只有34.5%。上述3口采暖地热井的尾水温度过高,平均地热利用率仅为46.3%,造成较大的地热能浪费和环境污染。

 

  (2)地热井布局不合理,供热能力有限。原开发区5口地热井分东、西两个供热站,两站距离远,造成东供热站SR4地热水不能回灌。按照目前尾水温度计算,并考虑换热器的热效率,东供热站SR4的实际供热能力为6.6MW;西供热站SR5和SR2的供热能力为7.1MW,西供热站2台7.0MW锅炉的供热能力为11.3MW,西供热站总供热能力为18.4MW。但是,目前东供热站供热面积为7万m2 ,热负荷为5MW;西供热站供热面积26万m2 ,热负荷为17MW。按照目前系统运行模式,东供热站和西供热站的剩余供热能力已经非常有限。

 

  (3)热污染、空气污染和化学污染。由于地热井尾水排放温度较高(48～50℃),使得排放地区的地下水体温度、地面温度甚至局部空气温度产生不同程度的升高,长此以往,则会改变当地的生态平衡,影响环境。热气体冷凝成雾后,还会影响人体健康和交通运输。地热水一次性利用后排放,热流体中所含的各种气体和悬浮物将排入大气中,对大气环境造成影响,其中浓度较高、对人体危害较大的有 H2S和CO2等不凝气体。地热水的盐类含量一般超过排放标准,地热水的直接排放会造成土壤的盐渍 化和板结。

 

  (4)地面沉降。从地下热储层中长期抽取地热水而不及时回灌,会导致地下压力和地下水位下降,岩土失水固结,从而引起地面沉降和水平位移。虽然一般地热田的地面沉降是缓慢的,但是,一旦由量变发展到质变,将会造成严重后果。

 

  2.3 工程地质

 

  东丽区位于海河断裂带,其北部为幺六桥凸起,南部是白糖口凹陷。根据已有地热井资料分析,该场区有两条NE向断裂层,将开发区分为东、西两个断块,两断块的地质结构略有不同。西断块奥陶系地层较厚,为518m,上部马家沟组灰岩岩溶发育。东断块奥陶系地层较薄,马家沟组被剥蚀,下奥陶组岩溶发育较弱。雾迷山组在西部埋藏深,裂隙岩溶发育弱,在东部埋藏较浅,裂隙岩溶较发育。

 

  热源组合优化设计

 

  为解决原地热井供热能力有限、布局不合理的问题,根据目前招商定标情况,在开发区南区开凿一对地热井,将7口地热井(其中包括原有的5口地热井SR1、SR2、SR3、SR4、SR5和新开凿的一对地热井SR6-1、SR6-2)以及原有的2台锅炉重新优化组合,利用集约化技术,提高地热资源利用率,形成两个相对独立的热源系统(即两个供热站),分别称为西部热源组合系统和东部热源组合系统,以满足新形势下的工程要求。

 

  东部热源组合系统

 

  东部热源组合系统的优化原则是新井开发与老井改造并举,优化布局,提高资源利用率。 东部热源组合系统由4口地热井组成。其中,新建地热井SR6-1、SR6-2和原有的地热井SR4组成两采一灌的热源组合系统,采用梯级开发循环利用集约化技术和工艺,在原来地热水间接换热的基础上,增加热泵系统,并将新建工程的末端设备设计为风机盘管空调系统和地板辐射采暖系统,使原来的一级供热系统改造为三级供热系统。另一口馆陶组热储层地热井SR3仍为洗浴井,提供生活热水。新地热井SR6-1流量为100m3 /h,出水温度为90℃,按18℃排放,新井供热能力为7.5MW,原有地热井SR4改造后的供热能力为11.3MW,改造后的东部热源组合系统供热能力为18.8MW,这样就能完全满足东部供热站新老建筑物总热负荷8MW的供热要求。

 

  西部热源组合系统 西部热源组合系统的优化原则是采用地热资源梯级开发循环利用集约化技术,提高资源利用率,扩大地热资源供热能力,减少煤炭能源的消耗。西部热源组合系统由原有的3口地热井(SR5 和SR2为开采井,SR1为回灌井)和原有的1台7.0MW的锅炉组成(取消1台7.0MW锅炉)。以地热作为主要热源承担采暖期的基本热负荷,锅炉用于采暖期尖峰热负荷的调峰。在原来地热水间接换热的基础上,增加热泵系统,将原来的二级供热系统改造为三级供热系统。

 

  按地热水排放温度th=18℃计算,西供热站原有地热井SR5和SR2改造后的供热能力为13.6MW,1台7.0MW锅炉的供热能力为6.3MW,改造后的西部热源组合系统供热能力为19.9MW,满足供热要求(热负荷为17MW)。其中,调峰锅炉热负荷占总供热量20%左右,地热累计热负荷占总供热量80%左右。

 

  地热井设计 采用地热对井,以达到采灌平衡。根据用户需要和地质结构条件,将对井(SR6-1和SR6-2)位置选择在东断块,井位在SR4以南1500m的地段,采用东西向造斜。向东造斜的井穿过断层,进入SR4成井的块段上。SR6-1为回灌井,SR6-2为开采井。

 

  设计对井井口地面相距5m,先钻SR6-1井,垂直钻进至400m后开始造斜,方位角SW270°,打至雾迷山组目的层时,向西位移400m。SR6-2井也是垂直钻进至400m后开始造斜,方位角NE90°,钻至雾迷山组目的层时,向东位移400m,实现井底相距800m,见图1所示。

 

  效益评价 东部热源改造后,地热资源利用率由原来的53.8%提高到92.2%,地热尾水由原来直接排放到污水河改变为原水回灌,地热流体回灌率达到100%,实现了地热资源采灌平衡。西部热源改造后,地热资源平均利用率由原来的42.6%提高到91%,供热能力增加了1.9倍,在供热面积不变的情况下,减少1台7.0MW锅炉的使用。

 

  通过开发与改造,本工程项目减少了废气废物的排放,节约了城市污染的治理费用,有效地保护了生态环境.