封闭式中深层地热井下换热系统供暖技术在咸阳文彩舫小区的应用宋全

封闭式中深层地热井下换热系统供暖技术在咸阳文彩舫小区的应用宋全
发布时间：2021-09-14T05:20:34.190Z 来源：《中国科技人才》2021年第18期作者：宋全[导读] 地热资源的开发利用正在受到广泛的关注并成为热点，严峻的环境污染现实需求、国家和各级地方政府的重视、相关核心技术的进步和突破等，地热清洁能源勘查开发已经迎来黄金发展期，也是新时代地质工作转型发展的重要机遇。

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摘要：地热资源的开发利用正在受到广泛的关注并成为热点，严峻的环境污染现实需求、国家和各级地方政府的重视、相关核心技术的进步和突破等，地热清洁能源勘查开发已经迎来黄金发展期，也是新时代地质工作转型发展的重要机遇。

封闭式中深层地热井下换热技术以“取热不取水”的形式开发深部地热资源，具有受地质条件影响小、不存在回灌难题、对地质环境干扰小等优势，是地热供暖未来的主要发展方向。

该技术目前已经在咸阳文彩舫小区得以应用，并取得了良好的经济效益和社会效益。

关键词：地热资源；封闭式；井下换热；取热不取水
在中深层地热供暖方面，国内目前主要是利用的是水热型地热资源，采取对地热水循环取热后进行回灌，但是存在受地热地质条件制约、回灌困难、引起区域地质环境变化、冷热失衡等一系列问题，长期以来难以克服。

目前中深层地热供暖出现了一种新的技术，即封闭式中深层地热井下换热技术，其核心技术原理是在地热井中通过同轴套管换热器进行单井内部流体循环，基于热传导的方式与地层换热，以“取热不取水”的形式开发深部地热资源。

目前该技术已经在陕西、天津、河北等地进行了一定规模的应用，应用效果较好。

1 国内研究概况、水平和发展趋势
李四光在20世纪70年代就提到：“我们将来要想一种办法光取热不取水，保护地质环境。

”井下换热技术就是在取热不取水的情况下实现热能的可持续利用，近年来越发受到关注。

所谓封闭式井下换热技术是指不直接开采地下热水，而是通过封闭系统内的工质在井下与地热流体或高温岩石进行热交换，并把从地下获取的热量传输到地表以供利用的技术。

封闭式井下换热技术已经在浅层地源热泵中得到广泛应用，但在中深层地热能源开发中的应用还处于初级阶段。

2 技术原理
封闭式中深层地热井下换热系统主要由地下换热系统、水循环换热系统、热泵机组和用户末端系统四部分组成。

核心技术原理是在深井中通过同轴套管进行单井内部流体循环，基于热传导的方式与地层换热，以“取热不取水”形式开发深部地热能。

流体从套管之间进入井下与地层发生热交换后，从内管中取出，在热泵换热后重新注入井下循环换热。

影响换热效果的核心取决于岩土体以及井筒的导热性能，另外包括双层套管内管的隔热保温性、井深、流量、地温等因素。

在内管隔热效果理想，井深和地温一定的条件下，换热器周边岩土中的水流速度会提高换热效率，而增大井深和过分提高循环流量对整个系统的换热影响较小。

3 项目概况
3.1关中盆地地热背景研究
地热能主要来自于上地幔传导热与地壳岩石中放射性元素衰变产生的大量热能。

上地幔传导热主要受上地幔顶部位置的影响，即莫霍面的深浅程度。

根据前期的调查研究，关中盆地莫霍面在西安——咸阳一带呈隆起状，埋深小于33km，上地幔在该区域内提供的传导热流较盆地其他地区要大的多（见图1），这也是西、咸地区地热资源丰富的根本原因。

图2 封闭式中深层地热井下换热系统换热器示意图
②石油套管选用N80钢级的石油套管，底部设置管鞋，采用闭式成井技术，保证管内换热介质与地下围岩及含水层不发生串通。

③中心管采用特殊材质的保温管材，表面涂层处理，具有低导热系数、低摩擦系数、高耐温、高强度的特性。

采用内管限位技术、强化连接技术、导向技术、抗伸缩技术等先进下管工艺下入地热井内的指定位置。

3.3 系统运行分析
对于系统运行分析，采用了中科院汪集暘院士团队最近开发完成的“地热计算器”软件中深井换热计算模块，对该换热系统在不同供热负荷、不同循环流速情况下连续运行20年后的井底温度变化进行了数值模拟。

通过模拟发现，当供热负荷在175W/m、循环流速在30m3/h 时，该换热系统的井底温度变化小，井口出水温度逐年变化幅度小，可常年稳定在42℃以上。

根据模拟结果，对系统的运行工况和运行策略进行了优化调整，保证该系统的连续稳定高效运行。

4 总结
咸阳文彩舫小区封闭式中深层地热井下换热系统供热项目于2019年下半年完成系统调试，经过现场测试，住户室内温度达到22-26℃，取得了圆满成功，同年通过了陕西省发改委的省级工业节能专项资金项目评选，获得专项资金奖励。

封闭式井下换热技术在中深层地热能源开发中的应用还处于初级阶段，研究开发“只取热不取水”的封闭式高效井下换热技术，具有重要的现实意义，可以进一步推广中深层地热资源开发利用，抢占在该技术领域的高地，实现弯道超车。

通过理论与技术研究以及工程实践相结合的方式，推动封闭式中深层地热井下换热系统供暖技术研究，提高封闭式中深层地热井下换热系统的设计能力，为未来地热供暖项目的勘查、设计、施工、运营一体化经营做铺垫。

作者简介：宋全，1986年出生，男，山东莱州人，水工环地质工程师，主要从事地热地质以及地热资源开发利用工作。