CN104633996A - 一种水源热泵回灌技术方法 - Google Patents

Abstract

一种地源热泵回灌技术方法属于地热能源开采利用技术；本方法以地下水富集运移理论为基础，通过垂向、定向钻探、目标段压裂、局部导通的技术方案，使回灌地层在地下一定深度内连通，形成相对独立的地下水循环系统，在完成回灌任务的同时，又确保回灌质量，增大了地下水富集空间，解决了尾水增温和防止地下水资源衰竭问题，使水源热泵技术在贫水区及高寒区得到了应用和发展，适用范围广。

Description

一种水源热泵回灌技术方法

技术领域

本发明属于地热能源开采利用技术。

背景要求

水源热泵，是一种可循环使用的清洁能源，回其具有经济节能环保等优势，在我国南方广大地区已被广泛采用，特别是取用地下水作为热、冷源已广泛使用。取热、冷源后的水需重新回灌地下才能循环利用，其回灌水技术通常采用回灌井进行自然回灌，使已取热、冷源后的水重新回灌到地下含水层中。一般情况下，地下水回灌因地下水水头压力影响，其回灌较为困难，很多地区都采用一个取水井、多个开采井的办法。

由于打的回灌井数多、占地面积大、投资成本高，一定程度上限制了该技术的实施，且很多回灌井井距较近、回灌层较浅，影响了回灌水的增温还原，致使使用一段时间后水温越来越低，成本越来越高；还有的因回灌层位不对或回灌量小于取水量造成地下水资源逐年减少，甚至枯竭。

①专利申请号201220438425.7地源热泵地下水分层回水系统的专利中只考虑了分层回灌的回灌效果和少占土地，却忽视了回灌井与取水井的距离关系到回水增温还原效果和不同深度回灌会影响含水层垂向渗透和横向导通结构，使整个浅层地温场遭到破坏。同时两眼回灌井也不经济，且难以保证回灌能力和预期。

②CN201210003853.1、一种地下水回灌促渗方法，其回灌速度在于排气形成的负压，但当地下水中气体排净后，地下水回渗速度会骤减，且该技术回灌定量的地下水还可以，但持久的回灌根本做不到。

③专利申请号201410036976.4、全密封地下水原水持续抽灌系统，该专利想要封闭地下水回灌，防止地下水氧化，但地下水在提取的过程中，由于温度的变化就已经氧化，根本达不到封闭的效果；另外地下水的回灌与含水层的水头压力及含水层的渗透系数有关，与是否封闭地下水无关。因此该系统不能确保回灌量及持续回灌的能力；如作为水源热泵它还缺少回灌水增温还原措施。

④专利申请号201110415851.9、一种抽取及回灌地下水的管路系统，该系统只是利用地层的自然渗透条件来进行开采与回灌，但多数条件下很难达到预期目的。一是要求回灌地层压力小≤2mp；二是渗透率高k≥30m/d；才能保证实现。但按照该专利述求是三眼井满足两抽一灌目的，其必要条件是回灌量≥开采量，即单井回灌是开采量的2倍。这是违反地热开采回灌规律的，永远不可能实现的。

水源热泵回灌技术必须要解决的三个问题：一是解决回灌量的问题，即解决热储层渗透率；二是解决回水增温，提温后的水经过回灌循环补温后，再抽取出来水温能恢复到原始水平；三是降低投入，达到“一采一灌”，避免“一采多灌”，必然节约成本。

发明内容

本发明的目地就是针对上述现有技术存在的问题，研究设计一种水源热泵回灌技术方法，达到确保增大回灌水渗透速度和储存空间、 为回水提温提供条件、避免和防止地下水资源衰竭、且使水源热泵技术可在贫水地区及高寒地区得到应用和发展的目的。

本发明的目的是这样实现的：

一种水源热泵回灌技术方法如下：

(1)水热源泵开采井群设计

①根据地质水文地质条件和总的热能需求，确定拟开采井数量按照1∶1的采灌比确定拟回灌井数量及井径、井距；

②根据场地面积大小和地质条件，确定一组采灌井的井位、井距；井距控制在150m～2500m之间；井深控制在50m～180m之间；开采井和回灌井的钻孔直径在450mm～800mm，井管直径220mm～500mm；滤水管采用打眼缠丝过滤器孔隙率大于30％；

③井距确定 

在松散和半坚硬岩层孔隙水和基岩裂隙孔隙水分布区，井间距以大于2倍最大开采量的开采井影响半径，井距Lab≥2R_Qmax，式中Lab为开采井A道回灌井B的距离，R_Qmax为估算最大开采量影响半径；

在坚硬岩层的基岩裂隙水分布区，井距的确定应以水力压裂理论影响范围最小半径的2倍或理论水力定向压裂的最短距离的2倍，即L_AB≤2R_MIN。式中LAB为开采井与回灌井的距离，R_MIN为水力压裂理论定向压裂最小压裂长度或最小压裂半径；在满足上述条件下可以实施两眼井对向压裂，拟联通的两眼井分别向彼此方向进行定向压裂，确保在最短压裂长度条件下联通；

(2)水源井群施工 

1)孔隙水分布区的松散地层

①井位确定：在资料收集、地面调查和物探测深工作基础上，根据地质条件、场地条件、含水层厚度、粒度进行布设，同时根据收集资料或经验数据，选择含水层厚度大于5米、粒径粗的砂砾石层、南方地区深埋大于10米、北方地区深埋大于30米；

②钻井技术方法：采用QDG-200型反循环钻机或类似型号钻机进行垂向开采井与回灌井施工，严格按照设计要求和施工规范实施；

③联通方式：水平定向井联通，必须在岩土层温度10℃的松散或半成岩地层内施工水平定向井，水平定向井管径Φ＝200mm～400mm，对于渗透系数K≥30m/d较大地区，采用底部联通；在开采井与回灌井两井间距离小于1000米时可以一端水平定向施工，大于1000米采用两井对向施工；

对于渗透系数K≤30m/d较小地层，可采用多层联通；开采井与回灌井联通垂向间距离30m～50m，水平井井径Φ100mm～300mm；

④钻井顺序：在井位坐标确定后，先施工开采井与回灌井，水平定向孔应确保在垂向开采井的两侧1m范围内通过，或在开采井的底部通过；先施工水平定向孔，应确保水平孔井管精确到位；垂向开采井施工要避免井斜，确保与水平定向孔端口联通；

2)基岩裂隙水分布区坚硬地层

①井位确定：通过物探手段确定风化裂隙和构造裂隙的产状和埋深，进而确定井位、井深、井径和联通方式；

②钻井方法：采用正循环钻机或正反循环钻机，先在上部松散层 下护壁管至坚硬岩石固井，然后在坚硬岩石段采用气动潜孔锤钻进，钻压控制在78N/m²～199N/m²，转速在20～50r/min，空气压力0.8～1.3Mpa，风量25～50立方米/min；终孔孔径150mm～250mm裸孔成井，下部如是半坚硬岩石可采用正循环牙轮钻头钻进飞管成井；

③联通方式：水力压裂联通，以确保联通有效影响范围在岩土层温度t岩≥10℃的地层内实施为设计水力压裂部位；

水力压裂施工利用地面高压泵组，以大幅度超过地层吸收能力的排量将压裂液注入井中，随即在井底起高压；当压力超过井壁附近地应力及岩石的抗张强度后，在井底附近地层中产生裂缝，继续将带有支撑剂的携砂液注入缝中，持续向前延伸并在地层中形成足够长且有一定宽度及高度的填砂裂缝；

3)基岩裂隙孔隙水分布区半坚硬地层

①井位确定：以物探资料和地面踏勘综合分析，以开采裂隙孔隙承压水为主，井孔布设在承压水分布区域及构造裂隙发育地带；

②钻井方法：采用正反循环钻机潜孔锤钻进技术；

③联通方式：水平定向孔联通及水平分段压裂；第一步，先施工水平定向联通孔，在水平孔内每30m～100m间距内进行一段压裂，直至全孔段压裂完成；

第二步，施工垂向开采井与回灌井，确保与水平定向井有效联通；在开采井与回灌井中地温≥15℃，选择砂岩、砂砾岩孔隙裂隙段岩体为压裂对象，视其分布位置由上向下每间隔30m～50m进行一次水力压裂，直到井底部完成垂向采灌井压裂施工；

水平分段压裂技术，根据地质和水文地质条件及施工具体情况酌情选择，包括裸眼封隔器完井压裂技术、泵送可钻式桥塞分段压裂技术、管内封隔器分段压裂技术和双封单压分段压裂技术。

本发明以地下水富集运移理论为基础，通过垂向、水平定向和钻探、目标段压裂技术实现含水层地下局部导通，使回灌目标地层在地下一定深度内联通，形成相对独立的地下水循环系统。同时在适宜的层段进行分段压裂，增大地下水富集空间。既完成回灌任务确保回灌质量，又圆满的解决了尾水增温和防止地下水资源衰竭问题。

在充分研究地质水文地质资料基础上，先打两眼或两眼以上的开采与回灌井，根据所需热量和地下水储量决定井的眼数，井与井间的距离控制在1500米以内，然后采用水平定向钻孔技术、压裂技术、压裂技术与定向钻孔技术联合使用等方法，使两井或井群在地下深部相联通形成大规模的蓄水导水网络。为增大含水层的蓄水量，对采水井、回灌井及水平定向井分段进行压裂，使该区域的裂隙空间增大，富水性增加。地下水、回灌水通过岩层的大面积接触而增温。蓄积在地下的水吸收了岩土层的热能后，再用水泵提上地面满足水源热泵使用。为保证做为地热传送导体的地下水资源不浪费、不枯竭，开采井可以作为回灌井使用。采用一采一灌或一采多灌或多采多灌、采灌交替轮换办法，实现采灌比1∶1的回灌目标，且使采到地面上的水释放热能后再回灌到地下，继续吸收岩土层的热能后再重复使用。本发明不仅在有地下水的地区适用，而且在贫地下水的地区仍然可以使用。通过在10度以上的地层压裂联通可以实现局部地下水循环系统， 使水源热泵技术在贫水区及高寒区得到应用和发展。

附图说明

图1是在中粗粒砂砾中K＞30m/d采灌井联通方式示意图；

图2是在中细砂层分布区K＜30m/d采灌井联通方式示意图；

图3是采灌井与水平定向井联结方式示意图；

图4是半坚硬岩石回灌联通方式示意图；

图5是半坚硬岩石水平分段压裂示意图；

图6是基岩山区坚硬岩石压裂回灌联通方式示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明实施方案进行详细描述。

1、水源热泵开采井群设计

①根据地质水文地质条件和总的热能需求，确定拟开采井数量，按照1∶1的采灌比确定拟回灌井数量及井径、井距。

②根据场地面积大小，先估算确定一组采灌井的井位、井距。根据地质条件，井距一般控制在150m～2500m之间；井深控制在50m～180m之间；设计开采井(回灌井)钻孔直径在450mm～800mm；井管直径220mm～500mm。滤水管采用打眼缠丝过滤器孔隙率大于30％。

③井距确定原则：

在松散和半坚硬岩层即孔隙水和基岩裂隙孔隙水分布区。井间距尽可能的以大于2倍最大开采量的开采井影响半径为宜。即井距Lab≥2R_Qmax。Lab为开采井A到回灌井B的距离。R_Qmax为估算 最大开采量影响半径。

在坚硬的岩层即基岩裂隙水分布区，井距的确定应以水力压裂理论影响范围最小半径的2倍或理论水力定向压裂的最短距离的2倍为宜。即LAB≤2RMIN。LAB为开采井与会灌井的距离，RMIN为水力压裂理论定向压裂最小压裂长度或最小压裂半径。满足上述条件可以实施两眼井对向压裂。即拟联通的两眼井分别向彼此方向进行定向压裂。确保在最短压裂长度条件下联通。

2、水源井群施工

1)松散地层(孔隙水分布区)

一般指第四系地层或成岩不好的第三系沉积岩地层。

①井位确定：进行前期的资料收集、地面调查和物探测深工作。并根据地质条件、场地条件、含水层厚度、粒度(渗透系数K值)进行布设。同时根据收集资料或经验数据，选择含水层厚度(大于5米)，粒径粗(砂砾石层)、埋深大(南方地区大于10米，北方地区大于30米)，施工方便为宜。

②钻井技术方法：可采用QDG-200型反循环钻机或类似型号钻机进行垂向开采与回灌井施工。严格按照设计要求和施工规范实施。

③联通方式：水平定向井联通，要求必须在岩土层温度t岩≥10℃的松散或半成岩地层内施工水平定向井。水平定向井管径 对于渗透系数较大地区K≥30m/d，可采用底部联通即可。省时省力降低成本。两井间距离小于1000米可以一端水平定向施工。大于1000米可考虑两井对向施工。见图2。

对于渗透系数较小地层K≤30m/d，可采用多层联通。联通垂向间隔距离30m～50m为宜，水平井井径见图3.

④钻进顺序，水平定向钻进和垂向钻井施工有先后之分。在井位坐标确定后如先施工开采井与回灌井，水平定向孔应确保在垂向开采井的两侧1m范围内通过；或在开采井的底部通过。如先施工水平定向孔，要确保水平孔井管精确到位。垂向开采井施工要避免井斜确保与水平定向孔端口联通。见图4。

2)坚硬地层(基岩裂隙水分布区)

一般指坚硬半坚硬的沉积岩或火山岩、侵入岩地层。其主要特点是具有三元结构的地层即上部松散第四系，下部为坚硬半坚硬老地层岩石或侵入岩。是典型的基岩山区地层。

①井位确定：通过物探手段确定风化裂隙和构造裂隙的产状和埋深。进而确定井位、井深、井径和联通方式。

②钻井方法：一般采用正循环钻机如SPJ水文300型钻机或正反循环钻机。先在上部松散层下护壁管至坚硬岩石固井，然后在坚硬岩石段采用气动潜孔锤钻进技术。钻压控制在78N/m²～199N/m²；转速20～50r/min；空气压力0.8～1.3Mpa；风量25～50立方米/min。终孔孔径150mm～250mm裸孔成井。下部如是半坚硬岩石可采用正循环牙轮钻头钻进飞管成井。

③联通方式：水力压裂联通，以确保联通有效影响范围在岩土层温度t岩≥10℃的地层内实施为原则设计水力压裂部位。见图5

水力压裂施工利用地面高压泵组，以大大超过地层吸收能力的排 量将压裂液注入井中，随即在井底起高压；当压力超过井壁附近地应力及岩石的抗张强度即地层的破裂压力后，在井底附近地层中产生裂缝。继续将带有支撑剂的携砂液注入缝中，持续向前延伸并在地层中形成足够长的、有一定宽度及高度的填砂裂缝。人为增大了地下水渗透面积，扩大了地下水储存空间。

3)半坚硬地层(基岩裂隙孔隙水分布区)

一般指第三系、白垩系、侏罗系沉积岩和变质岩地层。

①井位确定：以物探资料和地面踏勘综合分析，以开采裂隙孔隙承压水为主。井孔布设在承压水分布区域及构造裂隙发育地带。

②钻井方法：一般采用正反循环钻机如SPJ水文300型钻机潜孔锤钻进技术。

③联通方式：水平定向孔联通及水平分段压裂。第一步即先施工水平定向联通孔，在水平孔内每30m～100m间距(视岩层的压裂效果确定)进行一段压裂，直至全孔段压裂完成。增大水平孔的渗流面积及赋水空间。

第二步施工垂向开采井与回灌井，确保与水平定向井有效联通。在开采井与回灌井中以地温≥15℃为原则，选择砂岩、砂砾岩孔隙裂隙段岩体为压裂对象，视其分布位置由上向下每间隔30m～50m进行一次水力压裂，直到井底部完成垂向采灌井压裂施工。

水平分段压裂技术主要有以下几种方式，根据地质和水文地质条件及施工具体情况酌情选择。

一是裸眼封隔器完井压裂技术，目前国内有近百口油气井所用的 技术是裸眼封隔器完井技术，可见此项技术在国内是极其重要的，也是水平井分段压裂技术的核心技术。裸眼封隔器完井压裂技术的工艺原理是根据不同地质的要求，将水平裸眼段分为若干段，然后在相应位置下入水力座封式封隔器，在需要改造的对应位置放入滑套，封隔器与滑套连接成管柱串，下完井管柱到设计位置，座封封隔器，施工时投球依次打开滑套，从而实现分段压裂或酸化的目的。但它也有一定的局限性，就是裂缝起裂位置无法控制；封隔器膨胀时间为7-10天，比较长；封隔器无法解封。

二是泵送可钻式桥塞分段压裂技术，此项技术可同时射孔并且座封压裂桥塞，所以节省钻时。并且它可进行大排量施工，分压段数不受限制，压裂后可快速钻掉，易排除(＜10min钻掉，常规铸铁＞4h)。但此项技术也有一定的局限性，即对套管和套管头抗压要求高，对电引爆座封等配套技术要求高。

三是管内封隔器分段压裂技术，此技术的工艺原理为从环空注入反洗井，提供干净的井筒；然后投小球、座封、打掉球座，压裂下端；然后投中球、开滑套甲、密封下端、压中段；继续投大球、开滑套乙、密封中部、压上段；最后开井排液，进入生产。管内封隔器分段压裂技术的技术特点是采用不动管柱，投球打开滑套分压各段，导致滚珠引鞋与旋转扶正器确保起下顺利与居中，并且它的施工快捷。

四是双封单压分段压裂技术，此项技术的工艺原理较为简单，即一次性射开所有待改造层段，压裂时利用导压喷砂分隔器的节流压差压压裂管柱，采用上提的方式，使用一趟管柱完成隔层隔断的压裂。 它的技术特点是由于喷砂口胶筒距离小，可预防沉砂；工具串留有标准内通道，便于后续打捞；设计有液压安全接头，可投球打压丢手。局限性便是拖动管柱，导致施工周期长，并且此技术不适合气井。

Claims (1)

1.一种水源热泵回灌技术方法，其特征在于：所述的方法如下：

(1)水热源泵开采井群设计

①根据地质水文地质条件和总的热能需求，确定拟开采井数量按照1∶1的采灌比确定拟回灌井数量及井径、井距；

②根据场地面积大小和地质条件，确定一组采灌井的井位、井距；井距控制在150m～2500m之间；井深控制在50m～180m之间；开采井和回灌井的钻孔直径在450mm～800mm，井管直径220mm～500mm；滤水管采用打眼缠丝过滤器孔隙率大于30％；

③井距确定

在松散和半坚硬岩层孔隙水和基岩裂隙孔隙水分布区，井间距以大于2倍最大开采量的开采井影响半径，井距Lab≥2RQmax，式中Lab为开采井A道回灌井B的距离，RQmax为估算最大开采量影响半径；

在坚硬岩层的基岩裂隙水分布区，井距的确定应以水力压裂理论影响范围最小半径的2倍或理论水力定向压裂的最短距离的2倍，即L_AB≤2R_MIN。式中LAB为开采井与回灌井的距离，R_MIN为水力压裂理论定向压裂最小压裂长度或最小压裂半径；在满足上述条件下可以实施两眼井对向压裂，拟联通的两眼井分别向彼此方向进行定向压裂，确保在最短压裂长度条件下联通；

(2)水源井群施工

1)孔隙水分布区的松散地层

①井位确定：在资料收集、地面调查和物探测深工作基础上，根据地质条件、场地条件、含水层厚度、粒度进行布设，同时根据收集资料或经验数据，选择含水层厚度大于5米、粒径粗的砂砾石层、南方地区深埋大于10米、北方地区深埋大于30米；

②钻井技术方法：采用QDG-200型反循环钻机或类似型号钻机进行垂向开采井与回灌井施工，严格按照设计要求和施工规范实施；

③联通方式：水平定向井联通，必须在岩土层温度t岩≥10℃的松散或半成岩地层内施工水平定向井，水平定向井管径Φ＝200mm～400mm，对于渗透系数K≥30m/d较大地区，采用底部联通；在开采井与回灌井两井间距离小于1000米时可以一端水平定向施工，大于1000米采用两井对向施工；

对于渗透系数K≤30m/d较小地层，可采用多层联通；开采井与回灌井联通垂向间距离30m～50m，水平井井径Φ100mm～300mm；

④钻井顺序：在井位坐标确定后，先施工开采井与回灌井，水平定向孔应确保在垂向开采井的两侧1m范围内通过，或在开采井的底部通过；先施工水平定向孔，应确保水平孔井管精确到位；垂向开采井施工要避免井斜，确保与水平定向孔端口联通；

2)基岩裂隙水分布区坚硬地层

①井位确定：通过物探手段确定风化裂隙和构造裂隙的产状和埋深，进而确定井位、井深、井径和联通方式；

②钻井方法：采用正循环钻机或正反循环钻机，先在上部松散层下护壁管至坚硬岩石固井，然后在坚硬岩石段采用气动潜孔锤钻进，钻压控制在78N/m²～199N/m²，转速在20～50r/min，空气压力0.8～1.3Mpa，风量25～50立方米/min；终孔孔径150mm～250mm裸孔成井，下部如是半坚硬岩石可采用正循环牙轮钻头钻进飞管成井；

③联通方式：水力压裂联通，以确保联通有效影响范围在岩土层温度t岩≥10℃的地层内实施为设计水力压裂部位；

水力压裂施工利用地面高压泵组，以大幅度超过地层吸收能力的排量将压裂液注入井中，随即在井底起高压；当压力超过井壁附近地应力及岩石的抗张强度后，在井底附近地层中产生裂缝，继续将带有支撑剂的携砂液注入缝中，持续向前延伸并在地层中形成足够长且有一定宽度及高度的填砂裂缝；

3)基岩裂隙孔隙水分布区半坚硬地层

①井位确定：以物探资料和地面踏勘综合分析，以开采裂隙孔隙承压水为主，井孔布设在承压水分布区域及构造裂隙发育地带；

②钻井方法：采用正反循环钻机潜孔锤钻进技术；

③联通方式：水平定向孔联通及水平分段压裂；第一步，先施工水平定向联通孔，在水平孔内每30m～100m间距内进行一段压裂，直至全孔段压裂完成；

第二步，施工垂向开采井与回灌井，确保与水平定向井有效联通；在开采井与回灌井中地温≥15℃，选择砂岩、砂砾岩孔隙裂隙段岩体为压裂对象，视其分布位置由上向下每间隔30m～50m进行一次水力压裂，直到井底部完成垂向采灌井压裂施工；

水平分段压裂技术，根据地质和水文地质条件及施工具体情况酌情选择，包括裸眼封隔器完井压裂技术、泵送可钻式桥塞分段压裂技术、管内封隔器分段压裂技术和双封单压分段压裂技术。