地热资源开发的科技技术具体有哪些？

  （一） 地热井

 

  地热井是开采地热资源的主要手段。因此国内外开发地热资源都十分重视地热井的成井工艺和质量，减少地热井的建井成本，提高建地热井的成井率，从而降低整个地热田的开发成本，一个好的地热井， 应满足以下基本要求。

 

  1.井深

 

  应穿越设计开采热储层的底板深度。

 

  2.井径

 

  上部应满足设计开采年限内下入与井出水量相匹配的深井水泵对井管口径的要求和下入水位监测仪器的要求，下部应满足下入井孔修理设备的要求。     3.井斜度保持垂直，在100m深度内其井斜不得大于1°。

 

  4.地层剖面

 

  通过钻井、地球物理测井，取全取准地层剖面地质资料、测温资料， 严格划分各热储层顶、底板深度。

 

  5.止水封孔

 

  对开采热储层顶板以上井段进行严格的止水封孔，防止非开采层或上层低温水的串通和污染。

 

  6.完井试验

 

  针对热水井投入生产的需要进行抽水或放喷试验、水质分析及稳态井温测量，准确取得热水的水位、水温、水位降低及相应出水量和水质等资料，对于中、高温热水井，还必须准确测定井口压力，不同压力下的汽水流量和温度，水、汽含量及其比例，分离蒸汽中的不凝气体含量等，评价热水井的生产潜力。

 

  1. 密封胶垫；2. 定位密封法兰；3. 填料函及填料；4.井口基座；5.井管（二） 井口装置

 

  1.多功能井口装置

 

  地热井口装置是地热井开发中最基本的井口设备，是维持地热井生产正常运行，进行热水动态监测，防止由于井管伸缩及地面下降而引起的事故，减少热水的腐蚀作用等所必须的。随着地热利用的逐步发展，地热井的井口装置逐步规范化，目前在中国天津地热开发中较普遍采用的多功能井口装置就是其中之一（图1）。

 

  该装置有以下功能：

 

  1）能有效地防止井管伸缩造成的泵座破坏及漏水事故。

 

  2）设有回流管，具有回流部分地热水，调节系统供水量的功能，在自流井使用中，可兼做自流供水管。

 

  3）设有专门的水位测量孔及配套仪表，使水位监测方便实用。水位监测孔设有专用盲气孔法兰，折装方便，并能有效地阻止氧气混入热水而造成系统腐蚀。

 

  4）水温、水压表由井口装置配备，解决用户基本测量仪表配备不全或不配套。

 

  5）选择具有抗腐蚀的阀门，对接触地热水的零部件采取防腐措施。

 

  6）有临时地热水排放孔，便于自流井安装水泵。

 

  2.井口隔氧装置

 

  为防止地热水在井口与空气接触，减少地热水中氧气与氯离子联合作用时对输水设备的腐蚀危害，在一些有腐蚀作用的地热井的装置中，安装隔氧设备，其中较为常用的一种方法是氮气保护法.

 

  3.井口除砂装置

 

  有的地热井，由于地质及施工方面的因素，水中的含砂量超过国家规定的工业用水含砂量标准（含砂量应低于1/200万），影响热水的正常使用。若含砂量高的地热水用于供暖，会造成管路系统堵塞，因此对于含砂量超过标准的地热井，应采取除砂措施。目前国内设计的旋流式除砂器（图3，是一种较为理想的地热利用系统中的除砂设备，该设备一般安装在热水井口的出水管上。

 

  有的地热井水在井口减压后呈汽、水两态，且含有大量的不凝气体，用于供热，会在供热管道中形成气阻，造成管道冲击现象，影响正常供热。对这类地井应采用汽、水分离的井口装置，将汽水混合物在井口分离开来，分别送给用户。这种装置包括：分离器、集水箱（或分水箱）及配管系统。

 

  （三） 地热水的直接利用

 

  地热水的直接利用，大多用于医疗洗浴、水产养殖和部分地热供暖。直接用于医疗、 洗浴及水产养殖的地热水，应符合相应的水质标准；直接用于地热供暖的地热水，必须是水质好、氯离子含量低，对设备、管道的腐蚀性小，否则会因地热水的腐蚀、结垢导致设备损坏、管道堵塞而造成很大损失。

 

  地热水用于直接供暖，是将地热水直接送入采暖用户终端散热器进行采暖的地热水供暖方式。供暖降温后的地热水，经综合利用后排放或回灌（图4,其优点是供暖方式简单，投资少，地热水热量利用充分。

 

  （四）地热水的间接利用

 

  主要用在地热供暖上。对水质差、具有腐蚀性和产生结垢的地热水用于供暖，往往采用间接利用方式，即采用中间换热的方式。地热水为一次水，采暖循环水为二次水（一般采用低矿化的优质水或蒸馏水）。两路水通过中间换热器换热，采暖循环水从地热水中转换出的热量送至用户采暖；地热水经换热降温后，再进行综合利用或排放或回灌。

 

  间接供暖与直接利用的区别在于有无中间换热器，与直接利用相比，其优点是：采暖系统的循环泵，输送管网和用户终端不会因地热水的进入造成腐蚀、结垢，扩大了质量差的地热水利用范围，但由于增加换热器，系统投资增加，地热水经过换热，二次循环水的供暖温度低于地热水的温度，供暖面积相应减少，降低了地热水可利用热能。

 

  采用间接供暖的关键设备是中间换热器，由于它直接与具有腐蚀性的地热水接触，其材质必须是耐腐蚀性的，据国内一些使用不同材质的换热器进行地热水间接供暖的使用效果看，以钛板换热器为最佳。如天津在利用Cl离子含量863?mg/L，SO4离子含量达1?993mg/L的地热水进行间接供暖，使用了钛板换热器，已用了9个采暖期，换热器板片未见腐蚀。钛板换热器在地热水中具有较好的耐腐蚀性，对系统的密封性要求不高，使用寿命可达20年以上，但钛材价格较贵，增加了设备的投资也是应该考虑的。

 

  目前，在一些国家（美国、新西兰、日本等），采用了地热井换热器系统（简称DHE系统），进行间接取热的方法。该系统是将换热器（由同轴管或U型管构成）置于井下，清洁的冷水在管内流动，通过井下换热器将地下的热量取出，供给用户，经用户使用后，再由水泵打入井下换热器进行封闭循环换热（图６。此方法因不直接抽出地热水，可减少因直接开采利用地热水引起的水位下降和地面沉降，以及废热水排放引起的环境污染等问题,是保护热储的有效方法。目前国内尚未采用。

 

  当pH值升高时，CO2-3浓度上升，碳酸钙垢易生成。pH值由CO2分压控制，地热水喷出地面，压力下降，导致CO2逸出，使水中pH值升高，造成碳酸钙垢的形成。判断热水中碳酸钙垢能否形成，国内外专家进行了大量研究，提出了雷兹谱指数、拉申指数等结垢趋势判别式。研究表明，对热水中氯离子含量低的可用雷兹谱指数判断；对氯离子含量超过25％毫克当量百分比的，则可采用拉申指数予以判断。

 

  雷兹谱指数表达式为：R1＝2pHs-pHa

 

  式中： pHa为地热水pH实测值; pHs为计算的pH值,高于此值，则水中有碳酸钙沉淀。可用下式计算：

 

  pHs=lg（Ca2+）-lg（ALK）＋Kc

 

  式中：Ca2+为热水中钙离子的摩尔浓度; ALK＝(HCO3) ，为流体中重碳酸根的摩尔浓度;Kc为常数，包括两个与温度有关的平衡常数和活度系数的复杂常数。根据计算的R1值，估算热水中的结垢倾向。

 

  当R1＜4.0，非常严重结垢；

 

  4.0＜R1＜5.0，严重结垢；

 

  5.0＜R1＜6.0，中等结垢；

 

  6.0＜R1＜7.0，轻微结垢；

 

  R1＞7.0，不结垢。

 

  拉申指数的表达式为：L1＝Cl＋SO4/ALK

 

  式中：Cl为氯化物或卤化物浓度；SO4为硫酸盐浓度；ALK为总碱度。

 

  此三项均以等当量的CaCO3（mg/L）表示当 L1＞0.5，不结垢；L1＜0.5，可能结垢。

 

  （2）硫酸钙垢

 

  在低温地热水中，主要为二水硫酸钙（石膏CaSO4·2H2O）的沉淀，当地热水中钙离子的浓度与硫酸根离子浓度积超过二水硫酸钙的溶解度时就产生，地热水中硫酸钙生成的趋势，可由石膏的相对饱和度（R.S）估算：

 

  当R.S＜1.0 时，无CaSO4·2 H2O垢生成；

 

  R.S＞1.0 可能生成CaSO4·2H2O垢。

 

  （3）硅酸盐垢

 

  硅酸盐垢的结垢比较复杂，结垢趋势可由无定形的SiO2的相对饱和度（R.S）的大小来判断：

 

  当R.S＜1.0时，无SiO2垢生成；

 

  R.S＞1.0，可能生成SiO2垢。

 

  中国地热水开发利用最普遍存在的结垢问题是碳酸钙垢，对其防止，一是除垢，即让碳酸钙垢自然形成，然后定期、不定期的加以清除；二是防垢，即采取预防措施，防止或控制垢的发生。

 

  除垢的方法是：

 

  1) 机械除垢，一般采用轻型钻机，配备专用钻头，定期清垢；也可用软管钻机通井；2) 用高压水泵进行水压破碎；

 

  3) 用HCl和HF等溶解水垢。

 

  防垢的方法有：

 

  (1) 化学方法即在地热水中投放酸性溶液，降低热水的pH值，使碳酸钙不致沉淀。

 

  (2) 增压法即采用深井泵或潜水泵输送井中地热水，使其在系统中保持足够压力而不发生气化，以防止CaCO3沉淀；垢减轻成疏散状，便于清洗。      (3) 磁法即在地热水输水管线上安装磁法防除垢装置，对地热水进行磁化处理，使垢减轻并成松散状，便于清洗。

 

  (4) 防垢涂层法即选用合适的涂料涂衬在管壁内，防止管壁结垢。

 

  （六）地热资源开发中的节水、节能技术

 

  中国地热资源的开发利用，已逐步由粗放型向集约型转变，在一些开发利用比较早的地区，运用集中供热、梯级开发、降低地热水排放温度、地热水回灌、自动控制等技术，有效地利用了当地的地热资源，减少了地热资源的损失，提高了地热资源利用的社会经济效益。

 

  1.集中供热技术

 

  运用集中供热技术开发地热资源在福州地热田应用比较早、效果比较好。依据地热田的富水地段集中、有利于集中开采的特点，1991年福州市成立了福州市温泉供应公司，在热田南、北两处富水地段集中打井开采地热水，建立南、北两个地热水水厂。取代了部分分散开采的地热水井。该公司两水厂年供地热水127万m3，开采量仅占全热田开采量35.7％，但用户却占全热田用热单位的72％左右，覆盖面积达15km2, 是热田可采面积的3倍，年洗浴总人次占全热田利用地热水洗浴总人次的45.32％，取得了显著的社会经济效益。

 

  2.地热梯级开发技术

 

  地热水资源是具有多种用途的自然资源，既可应用其蕴藏的能源，又可利用其水资源，因此开发地热资源都十分重视实行梯级开发，综合利用。天津在地热开发利用中，坚持对地热温度的梯级利用，对温度60℃以上的地热水，先行供暖，并严格控制排放水温度；温度40～50℃的地热水，则以理疗、浴疗为主；温度25～40℃的地热水，按健身项目进行开发。湖北英山地热田在开发中，从地热水矿化度低、水质好、适合多种用途的实际情况出发，根据不同用途，建立干燥（孵化）-洗浴-养鱼-灌溉的梯级利用模式，保证了地热温度的有效利用。北京小汤山对水温44℃的地热水采用下述模式行开发，即地热水抽出后，经除砂进入热交换器，首先采暖，采暖回水经管道泵循环进热交换器循环使用，地热水失热后，部分分配给养鱼池、花房等进行二次供暖；部分经处理后送至生活区供应各生活用热水点，使低温热水资源得了充分的利用。

 

  3.降低地热水利用后的排放温度

 

  这是减少热资源浪费的重要途径，天津地区采用二级供暖方式，即回水重复利用或二次加热供暖的方式，有效地降低了地热水供暖的排水温度，一般可将排水温度降至38～40℃，提高了地热水资源的利用率。

 

  4.地热水回灌

 

  地热水回灌是减少热水资源消耗，控制热储层压力下降，提高地热资源利用率，保护环境的重要手段。国内外在地热资源开发中均十分重视这一技术的运用。目前的作法有三：一是对井回灌，即一个热水生产井、一个回灌井组成地热供暖系统，生产井提供地热水供暖、采暖后的回水压入回灌井回收，以减少热水资源的损失。法国巴黎盆地利用地热供暖基本上采用这一模式，中国目前也在开始应用这一技术；二是同井分层抽灌，即从地热井某一储层中抽取地热水，提供利用后，再将回水回灌到同一地热井中的另一储层中（图８）技术在匈牙利得到了应用，收到了比较好的效果，建井费用可比对井回灌减少50%～70％； 三是单井回灌，即在地热资源开发区，选择适宜地段和热储层位建立单独的地热回灌井，回收利用后的地热弃水。中国已先后在北京、天津大港、福州等地热田开展了这方面的研究， 积累了一些经验。

 

  5.建立地热利用自动化监控管理系统

 

  对地热资源开发利用系统实行自动化监控管理，以提高地热资源的开发利用水平，是当前地热开发中国内外都十分关注的问题。中国不少地热田的开发管理都在进行这方面的探索，并取得了一些成功的经验，如天津塘沽地热试验研究中心，在国外SCADA系统（监控数据采集系统）的基础上，开发了与国外设计的控制系统功能相仿的自动控制系统，装备塘沽TR-24地热井，做到了全自动控制供热、供水系统的安全运行。北京小汤山空军接待站地热井采用山东烟台黄金设计研究院科技公司设计的自控系统，对地热水源、潜水泵变频调速和采暖回水恒温排放等实行自动监控，改变了传统的手工操作，取得了显著的社会经济效益。采暖排水温度由40℃降至28℃，减少了热量损失，确保设备稳定运行，减少了事故及维修费用，经现场测算验证，采暖期（5.5月），可节电32％，节水30％，节电、节水费用约 5.64万元。对地热资源开发利用系统实行自动化监控管理，以提高地热资源的开发利用水平，是当前地热开发中国内外都十分关注的问题。中国不少地热田的开发管理都在进行这方面的探索，并取得了一些成功的经验，如天津塘沽地热试验研究中心，在国外SCADA系统（监控数据采集系统）的基础上，开发了与国外设计的控制系统功能相仿的自动控制系统，装备塘沽TR-24地热井，做到了全自动控制供热、供水系统的安全运行。北京小汤山空军接待站地热井采用山东烟台黄金设计研究院科技公司设计的自控系统，对地热水源、潜水泵变频调速和采暖回水恒温排放等实行自动监控，改变了传统的手工操作，取得了显著的社会经济效益。采暖排水温度由40℃降至28℃，减少了热量损失，确保设备稳定运行，减少了事故及维修费用，经现场测算验证，采暖期（5.5月），可节电32％，节水30％，节电、节水费用约 5.64万元。