水源热泵井施工中水文地质参数确定的探讨——以东煤沈阳钻探机械研制中心厂房水源热泵井施工为例

以单井抽水试验资料为基础,计算出该区的新近系砂砾岩含水层的出水量为40m^3/h。为解决水源热泵系统的热源及同层回灌问题,进行了较长时间的带有观测孔的抽水试验及回灌试验。试验表明：该区的渗透系数为32.16m/d,影响半径为166m,回灌渗透系数为14.38m/d,回灌影响半径为61m。据此计算干扰井单井抽水量为38.51m^3/h,干扰井单井回水量为11.14m^3/h,同时确定该区的抽灌井比例为1∶4。根据用水需求,该区设计抽水两口,回灌井8口,备用一口回灌井,形成该区的水源热泵系统。系统运行近两年来,单井出水量、回灌量及水位降深均符合设计要求,达到了预期效果。     

地下水源热泵抽灌井优化布置及参数灵敏度

为了确定地下水源热泵的最佳布井方式,探明含水层温度场变化特征以及水文地质参数灵敏性,以石家庄地下水源热泵适宜区肖家营—东兆通为研究区,基于热储层的地热地质条件和热物性参数,利用FEFLOW软件构建了三维水-热耦合数值模拟模型。在2 000 m³/d的抽灌量下对不同井间距、不同布井模式-含水层温度场变化进行模拟,探讨发生热突破的可能性,并探讨温度场关于热导率、渗透系数、孔隙率等参数的灵敏度。研究结果表明：1)在单抽双灌模式下,方案C(两眼回灌井连线与地下水流向垂直,一眼回灌井位于抽水井正下游,另一眼回灌井位于沿地下水流向45°方向,即两回灌井与抽水井组成等腰直角三角形,抽水井正下游的回灌井为直角顶点)的布井方案对含水层温度场影响最小,为最优方案;2)单抽双灌模式下,抽灌量为2 000 m³/d时,方案C抽灌井间距设置在40～50 m较为合理;3)抽灌过程中,温度场对于渗透系数的改变灵敏度较高,而对孔隙率以及热导率的改变灵敏度较低。     

场地地下水源热泵系统抽灌实验及数值模拟研究

基于野外实际地下水源热泵系统和长时间抽灌实验,构建场地水文地质概念模型和水热耦合模型,进行场地地下水温度场数值模拟研究。利用场地群井观测数据对所建模型进行验证,诸观测孔各时段的绝对误差均值为0.38℃,平均相对误差率为2.00%,表明模型模拟结果良好。模型经验证后,预测不同抽灌模式下温度场分布,发现季节性交替抽灌结果优于正常抽灌,但均产生热贯通现象,说明现状抽灌井距(30 m)偏小。设计不同抽灌井距情况模拟回灌井对抽水井的影响,得到研究场地合理井距为50 m。进一步研究渗透系数、热弥散度、抽灌水量和回灌水温差对合理井距的影响,发现抽灌水量和回灌水温差的影响最大。     

安阳枫林水郡小区水源热泵热源井的设计与施工

地下水源热泵系统应用中最突出的问题是回灌效率低、地下水资源浪费。分析认为造成回灌效率低的主要原因之一是热源井设计和施工工艺不合理。为此,在安阳枫林水郡小区热源井设计和施工中分别采用了增大桥式过滤管的数量、桥高、滤料粒径和填砾厚度等措施,回灌量明显增加,实现了1抽1回的目标。既解决了回灌效率低、资源浪费的问题,又大幅降低了工程投资和运行成本。     

应用水热运移数值模拟优化地下水源热泵系统抽灌井布局

合理布局抽水井和回灌井是地下水源热泵系统长期有效运行的关键因素。以郑州市郑东新区为例,利用HST3D软件建立水热运移数值模型,优化设计地下水源热泵系统抽灌水井布局,预测地下水源热泵系统长期运行后对含水层的水热影响。结果表明:介质比热容及渗透率分别对含水层温度及水位影响显著,是较敏感的参数。方案3(3个回灌井垂直天然流向分布且位于抽水井下游)为最佳布井方式。抽灌量900,1 200,1 500及2 000m3/d所对应的合理布井间距分别为50,65,70及75m。相应布井方案的水源热泵系统运行20a,对含水层温度场的影响仅限于200m×200m的范围,抽水井温度变化小于1℃。     

井周堵塞对承压含水层定流量回灌渗流场影响的半解析研究

为分析定流量条件下回灌堵塞对井周含水层渗流响应的影响,采用指数形式的渗透系数衰减方程反映堵塞作用下井周含水层渗透特性的时变效应,建立了考虑堵塞效应的定流量非完整回灌井流力学模型,采用变量代换、Laplace变换和有限余弦Fourier变换得到了井周含水层中水位抬升在Laplace空间的解,应用Stehfest数值逆变换方法获得了实时空间内的水头抬升和回灌压力。参数分析结果表明,较小的渐近渗透系数Kr,∞会增加回灌过程中水头抬升和回灌压力,并加剧含水层达到拟稳态时的渗流响应;较大的渗透系数衰减指数λ仅增加回灌过程中水头抬升和回灌压力,但不影响含水层达到拟稳态时的渗流响应;因Kr,∞和λ不同而引起的水头差在井筒处达到最大值并沿径向距离逐渐减小。研究结果可以为定流量回灌中井周含水层堵塞的识别与预测提供理论依据。     

浅层地热能开发回灌井施工技术研究——以郑州市东、西部新城区为例

地下水回灌是浅层地热能开发利用中不可缺少的环节,回灌井是实施回灌的关键设施,其施工技术是影响回灌效果的重要因素。选取郑州市东部新城区、西部新城区浅层地热能开发的回灌井为研究对象,分析不同区域地质条件的差异,通过回灌井结构分析地下水的回灌机理,论述影响回灌效果的因素。结合试验井施工情况,论述泥浆正循环钻进、泵吸反循环钻进、冲击钻进等不同钻进工艺的适用条件和施工中存在的问题,以及钢筋砼管、钢管和U-PVC管等不同成井管材对回灌效果的影响,探索提高单位回灌量的针对性措施,为今后郑州市及周边地区浅层地热能开发回灌井的施工提供参考。     

承压含水层非完整反滤回灌井的稳定流计算

反滤回灌井是地下水库中一种有效的回灌设施,它由回灌井和井口反滤层组成。非完整反滤回灌井井流运动由砂反滤层的竖向流和非完整回灌井井流组合而成。文中提出了承压含水层非完整反滤回灌井稳定流的计算方法,分析了反滤层、井损和回灌堵塞等因素对回灌量的影响,并结合实例证明了反滤回灌井回灌量大大低于普通回灌井的回灌量。     

砂岩热储回灌对储层影响评价——以鲁西北坳陷地热区为例

地热流体经供暖利用后尾水温度降低,经过滤、排气处理后的尾水中仍含有不同粒径的悬浮物、气体,因此回灌不可避免的会对储层造成负面影响,如堵塞储层导致回灌量衰减、热储温度降低甚至产生热突破等,这严重阻碍了地热回灌的长期可持续运行。评价回灌对储层的影响,对下一步全面推进、科学回灌及合理可持续开发利用、保护地热资源具有重要意义。本文以近几年鲁西北坳陷区开展的馆陶组热储回灌试验为基础,设立了一套评价指标,即用回灌前、后水质的变化率评价回灌对热储流体的影响,温度的变化率评价回灌对热储温度的影响,单位涌水量变化率、渗透系数的比值和单位回灌量比值评价回灌堵塞程度并确定了分级标准。评价结果表明,回灌不会改变储层流体的化学类型;回灌堵塞主要发生在回灌井周围,相比回灌前,回灌后回灌井的单位涌水量降低14.3%～59.0%、渗透系数为原来的41%～86%,末期单位回灌量为初期回灌量的51%～92%,回灌堵塞程度为轻度到严重。采灌井距180～500m,历经一个供暖季回灌对热储温度的影响较小,但回灌导致回灌井周边热储温度明显降低,历经一个非回灌期224d,从35. 7℃恢复到40. 53℃,恢复速率为0. 036～0. 022℃/d,还需658d才能恢复到原热储温度(55℃)。本区热储水位仍呈下降趋势,但回灌可延缓热储水位的下降速度。     

苏州市深层水回灌堵塞原因及对策

苏州市深层地下水资源严重超采,漏斗中心区域水位突破－６０ｍ,人工回灌贮能工程不理想,选择的回灌井大部分堵塞报废,设备闲置,经济受损。回灌井所处水文地质条件差和管井工艺不符合要求导致了回灌井堵塞。须按水文地质条件调整、建设回灌井网,同时改进回灌井建井工艺。     

细颗粒沉积物分布区地下水源热泵抽灌井施工工艺探讨

郑州市广泛分布着第四系松散堆积物,其特点是颗粒细,厚度大,含水介质主要为细颗粒的砂层。由于地下水富水性好,目前郑州市浅层地温能开发利用主要以地下水地源热泵工程为主。传统正循环泥浆钻探工艺施工的地温空调井,普遍存在洗井困难、涌水量和回灌量偏小的问题,在很大程度上限制了地下水地源热泵工程的推广使用。针对这一问题,本次采用泵吸反循环工艺施工地温空调井。施工过程及试验数据对比分析表明,在细颗粒松散沉积物分布区,采用泵吸反循环钻探工艺施工地温空调井,对提高施工进度、增大出水量和回灌量等方面具有显著优势,可以为类似地区地温空调井的施工提供借鉴。     

地热采灌对井回灌温度场的模拟研究

利用地下水流数值模拟软件Feflow求解地热采灌对井系统水热耦合模型,进行温度场模拟研究。结果表明：在现状回灌温度为39.6℃时,5年后该系统回灌温度场影响半径为64 m,当回灌温度降低到13.5℃时,回灌温度场影响半径为68 m。该系统回灌温度场随采暖周期呈周期性变化,停灌后温度有所回升,说明该系统回灌尾水温度(39.6℃)偏高,且采灌井距(850 m)偏大,不利于热储水位流场的恢复。在进行地热对井回灌时,应根据热储层特征和布井场地条件,选择合适的采灌井距和回灌温度。     

反滤回灌井的结构设计理论和方法

反滤回灌井是地下水库中一种有效的回灌设施,它由回灌井和回灌池组成,回灌池位于井口、具有反滤功能。介绍了反滤回灌井单井回灌量的计算方法,提出反滤回灌井结构设计的原则和方法。回灌池反滤结构应有两层,上部反滤层应能过滤回灌水中的杂质,选择较细的砂粒;下部反滤层应能防止上层反滤料通过井盖的孔口落入井内,选择较粗的砾类。从过流能力和水流流态的角度。对回灌池的外型进行了优化,探讨了回灌池池口和池底横截面面积的比例,提出应选择抛物线型竖向剖面,同时介绍了回灌池防淤和抗冲设计的方法。     

地热回灌防腐过滤器及配套技术试验

利用专题立项开凿的地热生产井和地热回灌井,对第三纪孔隙型热储层进行了加压条件下的对井同层回灌试验。通过研发地热回灌防腐过滤器及配套技术,解决了先前在回灌过程中由各种物理、化学和生物因素引起的堵塞,导致回灌量减小、回灌井早期丧失回灌能力这一技术难题。     

地下水同井抽回井施工技术与应用研究

地下水同井抽回井主要应用于浅层地热能开发。细颗粒地层中地下水抽回井的比例模式多数为1∶3～1∶6,不仅增加建设成本,而且造成占地面积大、管理不便和回灌困难等问题。针对该问题,通过分析和研究,利用钻探理论和水文地质条件设计了＂同井抽回两用系统＂,实现了在同一口井内抽水和回灌之目的,并在实际工程中取得了较好的效果。就钻井设备选择、成井工艺及应用效果进行了详细阐述。     

区域流场作用下地下水地源热泵系统抽灌模式对地温场的影响

通过建立三维水热耦合数值模型,对区域流场作用下,地下水地源热泵系统运行一个采暖、制冷周期后,不同的抽灌井布局以及交替方式下,地下水地源热泵系统地温场的演变趋势进行模拟分析。结果表明,地下水的天然流速越大,越有利于热量的运移,有助于抽灌井连线垂直于地下水流方向的垂直布局以及地下水流向由抽水井指向回灌井的平行布局下的地温场演化,但不利于地下水流向由回灌井指向抽水井的平行布局下的地温场演化和温度恢复。一般的天然地下水流速条件下,由于含水层储能效应,进行抽灌井季节性交替模式的系统运行效率较高。     

热屏障井对地下水源热泵换热影响模拟

对于场地受限的地下水源热泵项目,随着系统运行时间的增加易引发热贯通现象进而降低机组运行效率。地下水源热泵设计中,在抽灌水井连线间布设热屏障井可改变地下水流场,降低热量在抽灌井间的运移速度,有利于延长热贯通发生时间并缓解热贯通程度。通过构建地下水换热模型,模拟计算夏季制冷工况条件下36组热泵运行场景,分析了热屏障井的位置,过滤管长度及回灌量对热贯通和含水层温度场的影响规律。结果表明:热屏障井回灌量的增加有利于提升热屏障效果,但提升幅度随回灌量的增加逐渐减弱;最大水位降深值随着热屏障井回灌量的增加呈线性增长;增加热屏障井滤管长度可提升热屏障效果,提升效果随屏障井回灌量的增加逐渐增强。通过模型多周期、长时间模拟计算发现,热屏障井的运行可促使回灌的冷热量集中在回灌井一侧,对于采用冬夏季抽灌井交换运行模式的热泵系统,可充分利用含水层储能,提升机组运行效率。     

关中盆地沣西地区地热对井采灌开发模式的数值模拟

热储回灌是地热资源可持续利用、避免环境污染的有效措施。在进行地热开发之前科学合理的规划采灌井井位布局,有利于延长地热井的使用年限。关中盆地是新生代拉张性断陷盆地,地热资源开采利用历史悠久。沣西地区位于关中盆地腹地,地下5000m深度范围内有5个含水热储层,自上而下分别为第四系下更新统三门组(600~960m)、新近系上新统张家坡组(960~1920m)、新近系上新统蓝田-灞河组(1920~2900m)、新近系中新统高陵群(2900~3800m)和古近系渐新统白鹿塬组(3800~5000m)。本文依据水文地质、地球物理等资料,建立了研究区三维地质模型,采用有限元模拟软件FEFLOW对目前开采最多的蓝田-灞河组热储层在不同对井采灌开发模式下同层采灌时渗流场及温度场的变化进行了模拟计算。结果表明:1)以30年为系统设计寿命,为确保抽水井和回灌井有水力联系又不发生明显的热突破,抽、灌井井间距以500~600m为宜;2)采灌对井的布置以抽水井位于天然径流流场的上游方向、回灌井位于天然径流流场的下游方向为佳;3)如果设计合理,采灌过程中回灌尾水温度对抽水井出水温度的影响可以得到有效控制;4)恰当实施地热尾水回灌,同时按照实际需求调节抽水井与回灌井的采灌量,可实现地热资源的可持续开采利用。上述结果为合理开发利用研究区地热资源提供了依据。     

北京市深井人工回灌现状调查与前景分析

北京市地下水人工回灌研究始于1965年。1981年开始生产性深井人工回灌。由于种种原因，至1999年底实际回灌单位由64个缩减至13个。其间累计回灌量为10734.37×104t。据调查，停灌原因主要有回灌单位停产、转产、回灌井被占，回灌井阻塞，泵改调频，单位搬迁和改换制冷设备等。本文通过对北京市三十几年来地下水人工回灌工作的总结，分析了人工回灌在近年来发展停滞的原因，并对其在城市可持续发展建设中的节水潜力和今后的发展前景作出了论述。     

地下水源热泵系统中回灌能力分析

近年,地下水源热泵技术在我国被广泛应用,并在节能、环保等方面取得了一定效益。但是,回灌问题仍是困扰我国地下水源热泵发展的瓶颈。以唐山市丰润区乡居假日住宅区A4区地下水源热泵系统的应用为例,从区域水文地质条件方面,对水源热泵系统中地下水回灌能力进行了分析,指出开展地下水源热泵项目时,掌握热源井所在区域水文地质条件的重要性。探讨了影响地下水回灌能力的关键因素,其中包括区域水文地质条件、热源井成井工艺、回灌井阻塞以及地下水回灌方式。