『壹』 第二开采方案
第二开采方案为在第一开采方案中加上新规划的9个开采井和6个回灌井（图5-20），其中中新元古界热储层中有6个开采井（TC-04、TC-05、TC-06、TC-07、TC-08、TC-09）和5个回灌井（TG-02、TG-03、TG-04、TG-05,TG-06），奥陶系热储层中有3个开采井（TC-01、TC-02、TC-03）和1个回灌井（TG-01）。回灌方式有两种，一种是同层“一采一灌”的对井，即在一个新开采井或原有开采井的邻近施工一个回灌井，两井的井口相距数十米，但井底的距离大于500m，用开采井开采出来的热水经使用后或经热交换器后再通过回灌井回灌到原来的热储层中。HX-32和TG-02、TC-04和TG-03、HX-25和TG-04、TC-05和TG-05以及TC-06和TG-06为五对同层“一采一灌”对井，开采井开采中新元古界热储层热水，再通过回灌井回灌到相同的热储层中。另一种是异层“一采一灌”对井，用开采井开采中新元古界热储层热水，经使用后或经热交换器后，再通过邻近的回灌井回灌到奥陶系热储层中，TC-03和TG-01就是这样的对井。对这两种回灌方式，曾在TG-04和TG-01井进行过回灌试验，证实是可行的，其中TG-04井已投入使用，运行正常（李明朗等，1999）。在预测计算中，原有开采井仍按模拟计算期间的开采量开采，新的开采井的开采量，单个井为20万m3/a，“一采一灌”对井中的开采井为25万m3/a，回灌井的回灌水量为20万m3/a，其中奥陶系热储层回灌井TG-01的回灌水温为30℃，其余回灌井的回灌水温为40℃。上述开采井的开采量中80%在采暖期（11月～次年3月），20%在非采暖期（4～10月），而回灌水量则100%在采暖期。图5-21、5-22给出了观测井在未来5年内的压力和温度变化曲线。可以看出，观测井的井底压力也有轻微的下降，下降幅度5年内也不超过2个大气压。钻井的温度在逐渐下降（表5-2），5年内降低值不超过10℃，其中XQ-09、HX-09、HX-14井降低值较大，达10℃以上。
图5-18（2）第一开采方案预测钻井压力变化曲线图
横坐标为时间（1998年9月～2003年8月）；纵坐标为压力（大气压）
图5-19（1）第一开采方案预测钻井温度变化曲线图
横坐标为时间（1998年9月～2003年8月）；纵坐标为温度（℃）
图5-19（2）第一开采方案预测钻井温度变化曲线图
横坐标为时间（1998年9月～2003年8月）；纵坐标为温度（℃）
预测结果表明，按第一开采方案即现状开采方案开采5年，观测井的井底压力只有轻微下降，而观测井的井底温度总体上呈下降趋势，下降幅度稍大，一些钻井达到10℃左右。第二开采方案虽然增加了新的开采井和回灌井，但开采5年的预测结果，与第一开采方案的结果差别不大。预测结果说明了以下问题：（1）热水开采井的开采量不太大（大者4000m3/d，小者400m3/d，一般1000～1340m3/d），开采热水对热储层的压力场和温度场的影响不十分明显，但总体上使地热系统的压力和温度逐渐降低（仅个别钻井如HX-10井的温度先略有回升后又缓慢下降）；（2）利用采暖期开采5个月和非采暖期（基本）停采7个月的周期性开采方式开采基岩地下热水，有利于热水的恢复，减缓热水系统压力和温度的下降；（3）热储层的厚度大、分布范围广，也有利于减缓在目前开采条件下热水系统的压力和温度的下降。
图5-20第二开采方案规划开采井位置图
1—开采井；2—回灌井
总的来看，天津市基岩地下热水资源是丰富的，但也是有限的。目前采用的采、停交替的开采方式和采取局部回灌冷水的措施是可行的、合理的。至于回灌冷水是否会引起其它环境问题，需要实际观察。
图5-21（1）第二开采方案预测钻井压力变化曲线图
横坐标为时间（1998年9月～2003年8月）；纵坐标为压力（大气压）
图5-21（2）第二开采方案预测钻井压力变化曲线图
横坐标为时间（1998年9月～2003年8月）；纵坐标为压力（大气压）
图5-22（1）第二开采方案预测钻井温度变化曲线图
横坐标为时间（1998年9月～2003年8月）；纵坐标为温度（℃）
图5-22（2）第二开采方案预测钻井温度变化曲线图
横坐标为时间（1998年9月～2003年8月）；纵坐标为温度（℃）
『贰』 论证报告编写的主要技术内容
1.前言
主要介绍项目背景及来源,拟开凿地热井的主要利用方向、需要的资源品质。如果是进行建筑供暖,需要介绍该项目的建筑面积、高度、建筑结构维护体系,供暖系统末端配备设施(散热方式)情况。
通过现场踏勘,资料收集分析研究,结合政府管理部门规定、规划和建设方的需求,阐明地热井的地理位置、地质构造位置、论证的依据、目的和地热资源将来的利用模式等。
图4-1 地热单井系统工程主要工艺流程图
2.地质构造特征
主要分析论证区域基础地质条件,如构造单元、断裂特征;地层岩性、底板埋深、厚度、物性特征。
3.地温场特征
区域地温场展布趋势,与基底构造关系;盖层平均地温梯度取值;定向井则以井底所在位置确定地温梯度值。
4.热储特征
岩性特征:主要矿物成分、结构、胶结类型、韵律变化;
物性特征:孔隙度、渗透率、颗粒分析百分比、岩溶裂隙发育程度、泥质含量等;
流体特征及产能:主要阴阳离子含量,水化学类型,TDS,pH及单位涌水量等。
5.开采现状与热储动态特征
不同地热井的开采量,开采时间,回灌量及回灌温度(欲作为目的层的重点分析,为动态预测和温度场预测打基础)。近3～5年水位埋深等值线变化情况(应注明年月)。
6.目的层选择
根据前述不同热储层地热地质特征、开采现状、资源动态特征及管理部门的地热管理政策,结合委托方利用方向要求,在技术经济合理的前提下选择目的层。
7.水量、水质、水温预测
论证井水量和水质预测主要采用同构造单元、同热储层开采井水量、水质进行比拟确定。水量预测中除考虑不同井身结构外,还要考虑热储压力变化下的出水量而不是周边井成井初期的出水量。目前天津地区孔隙型储层地热井论证水量一般为下入Φ177.8mm滤水管长60～80m时的出水量;裂隙型地热井一般为祼眼井径Φ152mm、揭露储层厚度500m时的出水量(利用单位降深涌水量能较好反映储层出水能力)。井口水温预测主要通过地温梯度计算出热储层的温度,再推算出井口温度。井口温度与储层温度相差情况(经验值)见表4-1。
表4-1 地热井井口温度与储层温度差值统计表
8.回灌
以供暖利用为主的地热尾水是很好的回灌水源。政府规定供暖尾水必须进行回灌,因此,回灌是开凿地热井论证很重要的一部分。论证阶段回灌的可行性分析主要包括回灌量分析、水质影响分析、热突破预测等。
回灌井布局要垂直主构造裂隙,选择水动力场条件较好位置,比拟周围已有采灌对井运行情况。同层时,采灌对井应选择不同深度,储层深的、物性参数好的作为回灌井。
回灌量主要采用比拟法确定,也可按规划要求,反求井距确定。提出稳定回灌量的保证措施,如管理上严格按操作规程执行(井口保护、回灌操作方式、过滤、加压),必要时回扬以及定期的洗井、酸化等恢复回灌能力措施。
回灌流体对地温场的影响主要是利用概化后的地质模型和数学模型进行预测,主要参数要交代清楚。
9.风险分析
(1)工程风险
主要指地质因素引起的施工风险,包括钻遇风化壳或碳酸盐岩溶洞时突然漏浆;裂隙发育掉块卡钻;遇大段砂岩地层时,因泥浆失水造成泥皮过厚形成吸附黏钻;油气区开采,高压地层井喷、燃烧风险;裸眼过长,井塌风险;中生界、变质岩地层钻进困难,工期延长;石炭—二叠系灰岩与奥陶系灰岩鉴定失误,提前下套管风险;目的层为奥陶系或寒武系时,因岩溶裂隙发育不均而出水量减小;新勘探区因构造、地层变化、储层压力异常、经验不足等引发的工程风险。
(2)地质风险
当论证的目的层缺失、减薄或储层发育较差难以成井时,产生了地质风险。因此,可行性论证要有第二个预备方案,并在施工过程中注意上部揭露储层资料的积累。
10.结论与建议
主要包括以下内容:
1)设计井构造位置,钻遇地层,目的层的选择,对井布局,设计井深;
2)设计井井身结构选择,水温、水量、水质预测;
3)通过模型预测在区域开采条件下,设计对井运行一定年限内,温度场、压力场的变化;
4)凿井费用预算依据,总造价及每延米价格;
5)主要风险提示及预案;
6)开发利用方面的建议。
『叁』 岩溶水资源合理开发利用和保护对策
一、矿井水资源化利用及途径
1.矿井水利用现状
矿井排水来源于孔隙水、砂岩裂隙水和灰岩岩溶水，其中岩溶水占75%。岩溶水是焦作市城市供水的重要水源，合理开发利用和保护岩溶水关系到居民供水安全。在全球化水资源越来越紧张的大背景下，将矿井排水进行资源化利用是非常有必要的。焦作矿区年排放矿井水量为1.5亿m3，目前利用量约为3700万m3/a，占整个矿区排水总量的23%，其余被排入周边河流，白白流失。矿井水利用途径主要是：焦作市环境用水量为360万m3/a，煤矿生产用水量为340万m3/a左右，煤矿周边农田灌溉利用量为3000万m3/a。根据焦作市用水规划，2030年需水量为4.72亿m3，供水量仅为0.70亿m3，水资源缺口4.01亿m3。因此，对矿井排水进行资源化利用是解决焦作市不足的便利途径。
焦作矿区产生的矿井水的水质符合含一般悬浮物矿井水的特征。悬浮物SS通常小于400mg/L，COD通常小于70mg/L，毒理学和放射性指标完全符合饮用水要求。从低附加值的矿井水利用角度，矿井水经过初次沉池的沉淀，基本可满足农业灌溉用水要求；从高附加值的矿井水利用角度，矿井水经过“混凝+沉淀+过滤”，完全能够达到工业（主要是电厂）用水的要求；再经过“消毒”等深度处理，处理后的矿井水也可以达到生活饮用水的水质要求。我国矿井水处理已有成熟的技术和经验，焦作矿区排水量大，水量稳定，水质简单易于处理，矿井水的资源化利用是可行的。
2.矿井水资源化利用的途径
目前，国内矿井水资源化的方式主要有：①井下实行清水污水分流，清水经过简单处理后直接利用；②农业灌溉；③矿井水净化处理后利用；④矿井水回灌补源。其中方式①～③应用较为广泛，方式④仅限于特定条件下。
华北石炭-二叠岩溶型煤田煤层底板岩溶水是矿井水的重要来源，发生岩溶水突水或从疏放钻孔、泄水巷流入矿坑的岩溶水，未在采煤巷道或采空区长距离流动并且没有与其他矿井水混合时，其水质保持天然水质，可以直接作为生产和生活用水。煤矿可将直接从含水层中流出并未受污染的地下水，与从采空区或工作面流出的被污染矿井水分开排放，将清水排至地面简单处理后加以利用。
华北石炭-二叠岩溶型煤田各煤矿涌水量都较大，水质较简单，多属于含一般悬浮物的矿井水，悬浮物浓度通常为300mg/L，这为煤矿周边农田灌溉提供了水源条件。焦作矿区在20世纪70～80年代，利用矿井水灌溉农田近10万亩，取得较好的社会效益。
从空间角度，矿井水净化处理工程主要分为两类：地面处理工程和井下处理工程。前者是井下各处产生的矿井水经巷道汇集到矿井的中央水仓，由中央泵房将混合的矿井水提升至地面，在地面建净化站处理，达标后再分别输送到各用水部门使用；后者是在矿井水进入中央水仓前，经过井下净化站处理，达标后进入中央水仓，中央泵房再将清水输送到各用水部门使用。
3.矿井水处理工艺
（1）矿井水的地面处理
目前，对于含一般悬浮物矿井水，地面处理工程的工艺相对成熟单一，基本沿用“混凝—沉淀—过滤—消毒”的流程进行，出水可达到生活饮用水水质要求。常用的构筑物有：调节池、澄清池、无阀重力双层滤池、污泥浓缩池、加氯消毒车间。该工艺关键问题是：
1）混凝药剂的选择与复配，以降低药剂费用，提高出水水质。聚合氯化铝（PAC）+聚丙烯酰胺（PAM-）是常用的药剂组合。PAC适宜处理含浊水质，PAM-分子量大，助凝性能优良，两者组合处理效果远远优于单独使用的效果。
2）集澄清和过滤作用一体的净化器。澄清池集混合絮凝沉淀于一体，减少了构筑物的数量，因而获得广泛的应用；部分厂矿开发的高效矿井水净化设备集澄清池和过滤池于一体的一体化净化器，已普遍用于中小规模矿井水处理厂。
（2）矿井水的井下处理
井下处理工程，形式多样。主要形式亦有两类：一类是在各矿井水涌出口，未经巷道就地建立简易井下处理站，处理后输送到各用水部门。另一类是矿井水在经过巷道进入中心水仓前增加净化处理站，中心水仓变成清水仓，从而解决了定期清理中心水仓的难题，中心泵房再将处理后的清水输送到各用水工作断面。如兖州东滩煤矿开发的“格栅-沉砂-混合-漩流反应及斜管沉淀-混凝-过滤吸附以及污泥压滤”工艺的井下处理工程，徐州权台煤矿则是将中心水仓改造成混凝反应的主要设备，对矿井水进行预处理后，再由中心泵房提升至地面净化站进行二级处理。
4.焦作矿区矿井水处理工艺设计
焦作矿区矿井排水量大，宜采用地面处理工程统一处理，达到相应水质标准后，再输送到各用水部门。焦作矿区矿井水除浊度、悬浮物、大肠杆菌超标外，其余指标均符合饮用水标准，处理工艺相对简单。根据焦作矿区矿井水的水质、水量和处理后的用途，处理工艺可分两段：基础处理工段和深度处理工段。经过基础处理工段的处理，矿井水应能满足工业用水要求；经深度处理工段的处理，矿井水应达到生活饮用水水质要求。
基础处理工段去除的主要污染物包括：悬浮物、有机物和油类。悬浮物主要是煤粉和岩粉，此外还有少量的煤层中的古生物残体、细菌等物。处理工艺流程见图10-13。
图10-13 矿井水基础处理工段工艺流程
深度处理工段去除的污染物主要是菌类和微量有机物，处理工艺流程见图10-14。
图10-14 矿井水深度处理工段工艺流程
根据焦作矿区矿井水的水质水量特征，PAC的工程投加量为10～15mg/L，PAM-的工程投加量为0.2～0.25mg/L。采用“微絮凝-过滤”工艺时，PAC的工程投加量改为5～7mg/L。2006年11月，取演马矿矿井水，投加工业试剂聚合氯化铝（PAC）15mg/L与聚丙烯酰胺（PAM-）0.2mg/L，采用实验室模拟工程设计工艺：“混凝-砂滤-活性炭过滤”，各工段处理效果见表10-12。
表10-12 实验室模拟工艺处理演马矿矿井水效果
二、加强煤矿水害综合防治，减少矿井水的排放
1.岩溶水突水是煤矿安全生产的隐患
焦作矿区受水威胁煤矿资源储量约60132.6万t，目前仅解放储量4685.0万t，尚有92.2%约55447.6万t的储量等待解放（表10-13）。特别是石炭系太原组一5煤（储量9462万t）和一2煤（储量27909万t），因受煤层底板高承压岩溶水的严重威胁，不能正常开采。矿井排水不仅造成大量水资源被浪费，而且企业每年要付出大量的排水费，2003年焦作煤业集团公司共有的8对生产矿井（表10-14），总排水量达282m3/min，总排水费用高达8000万元，吨煤排水电费高达20～30元。
表10-13 焦作矿区受岩溶承压水威胁的储量及被解放的储量 单位：万t
表10-14 焦作矿区2003年生产矿井排水经济技术指标统计表
2.岩溶承压水突水危险性评价
焦作矿区石炭二叠系共含煤11～14层，总厚9～14m，其中可采煤层三层，包括二叠系山西组二1煤（大煤）、石炭系太原组一5煤（二煤）和石炭系太原组一2煤（三煤）。二1煤为稳定煤层，全区可采，一般厚6m，是各矿主采煤层。一5煤距二1煤6～80m，一般厚1～1.5m，矿区西部普遍可采，东部夹1～2层矸，部分可采。一2煤距二1煤85～105m，一般厚度1.5～2.0m，普遍可采。石炭系太原组一5煤和一2煤统称下组煤，煤层底板距二灰和奥灰强含水层近，开采下组煤受煤层底板岩溶承压水的突水威胁，矿区内仅马村矿、中马村矿和朱村矿开采一5煤，而一2煤没有开采。
“特殊水量脆弱性”的矿坑突水在九里山泉域表现得非常突出，其原因主要有以下几点：
1）最下层煤（三煤）距奥陶系岩溶含水层的厚度薄，一般为10～20m（图10-15）。
2）煤系地层中发育数层碳酸盐岩夹层，且直接分布在每层顶板，特别以“二灰”和“八灰”最为典型（图10-15），这些夹层式碳酸盐岩含水层水不仅是矿坑突水的补给源，而且由于其发育稳定、分布广，往往又成为沟通下伏奥陶系含水层的导水层。
3）矿区位于太行山前且由东线向北东的转折部位，东西及北东向构造断裂交错发育，特别是一些大型断裂构造成为岩溶地下水径流的良好通道，同时巨大的断距使得下伏岩溶含水层与煤层及其煤系地层中碳酸盐岩夹层对接，为岩溶水向矿井涌水提供了条件。
4）煤层总体由北向南东倾斜，多位于区域岩溶水位以下，南部地区煤层的岩溶水带压水头在数百米以上，高压状态下的底鼓突水成为巨大隐患。
煤层底板承压水突水危险评价方法有：斯列萨列夫公式法、突水系数法、多源地学信息复合叠加法、脆弱性指数法、五图双系数法等。突水系数法因公式简单，便于应用，自20世纪60年代提出以来，至今一直是煤矿评价和预测底板突水的重要方法。突水系数是指煤层底板单位厚度隔水层所能够承受的静水压力，表达式为
中国北方岩溶地下水环境问题与保护
图10-15 焦作矿区地层柱状图
式中：T为突水系数（MPa/m）；P为底板隔水层承受的水压（MPa）；M为底板隔水层厚度（m）。
一般来说，突水系数越大，底板突水危险性越高。临界突水系数是指单位隔水层厚度所能承受的最大水压或极限水压。当突水系数超过临界突水系数时，底板具有突水危险；当突水系数小于临界突水系数时，底板基本无突水危险。临界突水系数受矿区水文地质条件、矿井充水条件、开采条件和开采方法等因素的影响，不同矿区或同一矿区的不同矿井往往有不同的临界突水系数值。因此，很多矿区或矿井通过对历史实际突水资料的总结，建立了适用于本矿区的临界突水系数值（表10-15）。就全国实际资料看，受构造破坏块段临界突水系数为0.06MPa/m，正常构造块段临界突水系数为0.1MPa/m。
表10-15 我国一些矿区临界突水系数值
焦作矿区主要生产矿井当前采掘深度二1煤底板八灰岩溶水突水系数值见表10-16，各矿突水系数均超过临界突水系数，各矿在带压开采二1煤时，八灰水突水危险很大。
表10-16 焦作矿区二1煤底板八灰突水系数
一5煤底板直接充水含水层是二灰（L2），一5煤和二灰间的隔水层厚度20m，一2煤底板直接充水含水层为奥灰，隔水层厚度10～20m。二灰和奥灰水力联系密切，二者水位相同，可以视为一个含水层组。奥灰水位按当前75m、一5煤隔水层厚度按20m、一2煤隔水层厚度按10m，根据各井田煤层赋存最大标高，求得一5煤和一2煤的最小突水系数，如表10-17所示。由此可见，开采一5煤和一2煤，底板二灰和奥水突水危险很大。
表10-17 焦作矿区各井田太原组最低突水系数
下面将采用突水系数对矿区“二煤（一5煤）”岩溶突水的风险性进行初步评价。评价中按照突水系数大小分为以下Ⅳ级：
Ⅰ级，无岩溶水突水危害区，“二煤（一5煤）”处于岩溶地下水位以上，不存在下伏岩溶含水层突水的风险。
Ⅱ级，岩溶水轻度突水危害区，下组煤处于岩溶地下水位以下，突水系数介于0～0.06MPa/m之间的地区。
Ⅲ级，岩溶水中等突水危害区，突水系数介于0.06～0.1MPa/m之间的地区，这类区的突水系数已接近煤炭部制定的《矿井水文地质规程》中的突水危险区的临界值0.6。
Ⅳ级，岩溶水严重突水危害区，值突水系数＞0.1MPa/m地区。
根据以上计算标准，得到泉域下组煤岩溶突水的风险性评价结果见图10-16。
从图10-16中可以看出，从北西向南东煤矿岩溶水突水的风险性增加，与地层埋深、岩溶地下水流向相一致。Ⅰ级、Ⅱ级区主要分布在系统西北部山区和朱村断层及凤凰山底层以北地区；Ⅲ级区呈条带平行分布在李庄断层与九里山断层的煤系地层翘起段；Ⅳ级区分布在岩溶水系统的东南部。
系统内各区的分布面积分别为：
无岩溶水突水危害区（Ⅰ级）面积90km2。
岩溶水轻度突水危害区（Ⅱ级）面积23km2。
岩溶水中等突水危害区（Ⅲ级）面积18km2。
岩溶水严重突水危害区（Ⅳ级）面积326km2。
3.矿区水害防治的建议
1）Ⅱ级、Ⅲ级、Ⅳ级区不宜开采“三煤”。
2）沿区域性断层留一定厚度的保安煤柱，厚度不小于300m。这些断层包括凤凰山断层、九里山断层、方庄断层、马坊断层、峪河断层等，沿一般断层保安煤柱厚度不小于50m。
3）在Ⅲ级、Ⅳ级区采煤，对开采过程中可能出现的未探明断层、岩溶陷落柱等应引起足够重视，执行“有疑必探、先探后掘”的原则，防止突水事故的发生。
4）在Ⅲ级、Ⅳ级区采煤，在充分查明矿区水文地质条件基础上，针对下伏岩溶水突水问题，可因地制宜地采用煤矿石炭系灰岩隐伏露头注浆截流工程，对突水点的地面钻孔注浆封堵突水点工程，矿井分翼（区）隔离技术和强排技术应用、疏水降压工程与煤层底板含水层注浆改造，工作面煤层底板注浆加固和含水层改造技术等。
三、减少固体废弃物堆存与利用
煤矸石的利用途径主要有三种。一是用煤矸石生产无煤烧结砖。具体做法是，采用成熟的制砖技术，将煤矸石粉碎后添加20%的粉煤灰，利用原煤矸石中的黏土矿物和残余的发热量，烧结成煤矸石砖。焦作现已建成5座煤矸石砖厂，有14条隧道窑生产线。2005年生产煤矸砖1.2亿块，实现了销售收入1437万元，年消耗煤矸石30万t。二是用煤矸石发电。现已建成四座煤矸石发电厂，综合利用电站锅炉8台，总装机容量194MW。2005年矸石发电12.5亿kW·h，实现销售收入2.5亿元，年消耗煤炭洗选加工所产生的煤矸石70余万t。三是用煤矸石充填塌陷区，每年消耗煤矸石1万t以上。煤矸石堆放场
图10-16 九里山泉域下组煤煤矿岩溶水系突水风险性评价分区图
四周应修建集水沟和沉淀池，用于收集矸石山坡面的雨水，沉淀后的雨水用于运矸道路和矸石山的洒水降尘，改善矿区地面环境。对煤矸石堆要采取覆土防渗处理，并种植树木或花草。
『肆』 地热回灌技术的发展和现状
1.国外地热回灌技术发展概况
有关地热回灌的研究及实际生产始于20世纪60年代末。在地热资源丰富的日本,开采技术较成熟,通过回灌主要是解决弃水中有害物质含量过高等问题;而新西兰的布兰德兰兹地热田“对井加压封闭式回灌”则较好地解决了地热发电后弃水所含的有害物质及余热造成环境污染问题。
高温地热回灌最有代表性的实例是美国加州北部的Geysers地热田。该地热田有500多眼地热井,建有世界上最大的地热发电厂,总装机容量超过2000MW。为了增加地热蒸汽产量,从20世纪末开始架设用于回灌的输水管线,将周围几个地区的弃水输送至Geysers地热田进行加压回灌,在处理城镇废水的同时总计增产了100MW发电装机容量。另外美国在利用地热发电的地热田(带),采用多种方法回灌,保证发电厂正常运转方面成绩也较突出,如加利福尼亚州的一个地热发电厂从80km外山区,落差700m引入中水回灌,保证了充足的地下高温蒸汽发电。
法国则是低温地热回灌效果最显著的国家。巴黎附近的Melunl’Almont早在1969年就建立了世界上第一个对井系统,将地下2000m深的、含盐量较高的热储流体开采利用后通过另一眼同层深井回灌到热储中,1995年又开始尝试二采一灌系统,至今已有70多对采灌井运行,并建立了相应的回灌数学模型,模拟回灌过程中温度场的变化,具有一套完整的采-灌系统工艺和先进的回灌技术。
冰岛Laugaland地热田则在示踪回灌技术方面经验丰富。利用示踪试验方法定量研究采、灌井之间的水力联系;对不同采、灌量条件所引起的开采井温度变化进行定量模拟;结合热流体化学成分、性质等动态特征长期跟踪监测资料,进行水化学质量平衡模拟计算,判断开采井中回灌流体的回采率等。
据2008年度亚洲地热资源直接利用国际研讨会有关资料,目前德国在回灌工作中进行了以下方面广泛的研究和试验:①对含水层宏观(断裂影响、分布、垂向结构变化)、微观(孔隙度、孔径、颗粒排列)等特征进行研究,如确定砂岩回灌储层应具备有效孔隙度大于20%、渗透率大于0.5μm2、砂层厚度大于20m、0.063mm以下粒径(泥砂和粉砂)的比率不能超过10%～12%、平均胶合率不超过8%～10%等特点;②对流体的化学组成(流体自身的性质、流体-流体的混合作用、流体-岩石的反应)、悬浮物、流体中所含气体、井口流体的温度、回灌温度等进行测试,在详细了解一系列参数后开始对回灌作出可靠的预测和试验。德国回灌效果较好的代表性项目有 Waren,Neuruppin,Klaipeda,Neubrandenburg等,回灌量多在50m3/h左右,最大的可达到150m3/h。
从各国不同目的、不同方式的回灌实践来看,地热回灌到现阶段已发展成一项较为成熟的实用技术。但是世界各地的回灌工作主要是在高温裂隙型地热田中进行,中低温孔隙型热储中则普遍存在回灌量衰减等问题。
2.国内地热回灌技术的发展和现状
地热回灌于20世纪70年代开始。伴随着地热资源规模化、商业化的开发利用,热储压力下降过快和日益严重的环境热污染问题突出表现出来。为此,逐步开始了深部对井和多井原水加压、自然采灌或集中回灌,通过多年实践,逐渐掌握了回灌工艺和回灌关键技术,并取得了较好的效果。1979年江西宜春温汤热田用河水在震旦系变质砂岩断层交叉带进行人工回灌,以抬高生产井的水位、增大水量、增高温度。1986～1987年华北石油管理局水电厂在河北省任丘市新近系馆陶组孔隙热储进行了单井回灌试验,主要研究吸水指数变化规律及注水温度对吸水指数的影响和解堵措施。北京地区为解决长期开采地热流体引起的水位下降,于1980～1981年在东南城区地热田26号基岩井用冷水进行了单井回灌试验,研究回灌对抬高地热田区域水位的作用,探索了不同回灌量对热储层的温度效应。2001年在小汤山地热田开始进行地热回灌,2004年回灌井数增加到6个,回灌量达到102.7×104m3/a,占当年热田开采量的36.5%,2006年回灌量达到132.27×104m3/a,占当年热田开采量的56.6%。目前北京市地热回灌总量超过150×104m3/a,通过控制开采量,增大回灌量,主要开采层雾迷山组热储层水位下降幅度近年逐渐减小,甚至在2005年还出现热储压力回升现象,地热回灌效果明显。其他城市如杭州、西安、德州、福州、南昌等也陆续开展了相关回灌技术的开发和试验研究工作。
天津地区对地热资源回灌研究最早开始于20世纪80年代,经历了以下几个阶段:①1982年天津地矿局为维持新近系明化镇组热储水头压力就开始对井回灌、多井回灌数值模拟及回灌理论研究;②1990年天津地热院、大港石油管理局和南开大学数学系在大港油田水电厂对新近系馆陶组热储进行回灌试验,通过试验证明在中低温孔隙型热储中进行回灌是可行的;③1995年以后开始基岩热储回灌研究,开展了示踪试验,成立了专门回灌研究部门,总结出了同层对井采灌、同层二采一灌、异层对井采灌、定向对井采灌等模式的实践经验,在回灌规划布局、回灌井钻井技术和成井工艺、回灌方式、地面防阻防堵配套工艺及处理设备、回灌系统地面工程建设、日常回灌运行规范性操作以及采灌前后水动力场、水化学场、温度场跟踪监测、示踪试验、数值模拟等方面,进行了深入研究,具有了成熟的回灌技术和理论成果。目前天津地热回灌已经具有一定规模,回灌率以5～7个百分点逐年递增,2008年度回灌量达到586×104m3,占当年地热资源总开采量的22.5%。尤其是基岩热储层回灌效果较好,其中主要开采层雾迷山组2008年地热回灌率为33.4%,而奥陶系热储层由于有异层采灌致使年度回灌量大于开采量, 2006年至2008年的回灌率分别为122.5%,147.9%,138.8%,在回灌井附近热储层水位埋深明显高于其他区域,且水位年降幅呈逐年减小之势。天津在改进和完善新技术回灌,新方法的开发运用方面成果非常突出,建立了一大批梯级利用,在保护中开发地热资源的示范工程。
虽然全国各地均进行了大量的回灌探索和研究,地热回灌的作用和意义也已得到了各界的认同和广泛关注,但总的来说,地热回灌在全国推广程度还比较低,没有从根本上解决孔隙型热储可持续回灌问题以及基岩热储回灌量不稳定、井管腐蚀等问题。尤其是孔隙型热储层,开展回灌研究最早,回灌试验最多,地面净化系统精度最高,但目前对回灌流体运移机理、灌量衰减处理措施仍然没有明确的认识和解决办法,未能实现持续的、生产性回灌。
根据天津、北京、陕西等城市地热田开发经验,回灌工作应该在地热田大规模开采出现问题之前开展。从未来的发展趋势看,回灌无论是保护环境,还是保持热储压力,保证地热资源可持续开发都将起到重要作用。
『伍』 传统水文地质勘察在水源热泵市场上的应用——以北京人民警察学院水源热泵工程为例
王立发 江剑
（北京市地质工程勘察院）
摘要：水文地质勘察技术是地下水地源热泵技术的核心，也是地下水地源热泵项目能否成功运用于实践的关键。本文通过介绍北京人民警察学院水源热泵项目实例，对此做了论述。
引言
水源热泵技术由成熟的暖通空调技术、热泵机组技术和地质勘察技术组成。在我国，暖通空调技术和热泵机组技术已经得到了长时间、广泛的应用，已非常成熟。因此，水源热泵技术能否成功应用的关键是地质勘察技术能否解决能源的提取与水资源的保护的问题。在推广水源热泵技术实践过程中，由于各地区地质和水文地质条件的复杂性和多变性，岩（土）层的导热性和水文地质参数差异巨大，在一个地区能成功应用的地下换热系统，在另一地区往往并不适用。目前，由于一些水源热泵工程承包方（主要为热泵机组厂家、系统集成商和暖通空调安装公司）不了解各地区地质、水文地质条件和回灌工艺，盲目承包水源热泵系统工程，导致出现了许多不该出现的问题，如抽取的地下水回灌不下去或回灌量不足，不仅浪费了宝贵的地下水资源，还造成不良的生态、环境和经济后果。本文以北京人民警察学院水源热泵项目为例，详细介绍了传统水文地质勘察技术在水源热泵市场上的应用。
1 项目简介
北京人民警察学院位于昌平区南口镇辛庄村北，太平庄西侧。工程总建筑面积约18万m2。
校区共有20余栋多层建筑。行政教研楼5层，地下1层；礼堂3层，地下1层；其余为2～4层建筑。外墙材料为300mm厚加气混凝土砌块，传热系数为0.82W/（m2·K）。屋面保温材料为60mm厚的聚苯板或金属保温板，传热系数为0.6～0.78W/（m2·K）。外窗铝合金双玻璃窗，传热系数为3.5W/（m2·K）。
2 热泵技术方案选择
工程设计方在综合比较了各种传统的供暖、制冷方案后，决定采取经济、环保、节能的热泵中央空调技术实现冬季供暖、夏季制冷和常年生活热水。经设计方计算，采暖热负荷为15153kW，空调冷负荷为16081kW。
北京市地质工程勘察院受北京人民警察学院筹备处委托，承担了热泵技术方案的地下换热系统的勘察设计与施工。依据当地水文地质条件，拟采用地下水地源热泵技术。
接受任务后，我院立即组织了地质及水文地质专家对现场进行了初步踏勘，并结合分析、整理前人工作的成果资料，初步查明：
（1）场区位于虎峪冲洪扇顶部，第四系地层以砂卵砾石层夹粉土、粘土层为主，埋深在40～90m之间，下伏蓟县系县雾迷山组灰岩，场区地层岩性见表1。
表1 场区地层岩性表
（2）场区第四系含水层以砂卵砾石层为主，富水性不均一，单井出水量一般小于150m3/d。由于场区位于冲洪积扇顶部，地下水埋藏较深，场区内原有农业井地下水位埋深达到77.20m，砂卵砾石层大多处于疏干状态。
（3）场区第四系地下水补给来源主要有：雨季洪水形成地表径流入渗、大气降水入渗和山区基岩地下水侧向径流。场区地下水消耗主要为侧向径流和人工开采。
（4）场区地下水动态明显具有冲洪积扇顶部潜水动态特征，雨季来临前地下水处于最低水位，雨季水位迅速回升，水位变幅10～20m。
上述水文地质条件分析得出，在场区采用地埋管地源热泵技术存在两个主要问题：①初步测算，为了满足系统最大负荷运行，按每孔深度100m，下入单U，PE管计算，需凿孔4000个左右，由于场区地层主要为砂卵砾石层，施工小口径孔（＜150mm）难度巨大，几乎不可能完成，如果加大成孔口径则成本大幅度上升；②如果按正方形布置4000个孔，需占地超过10万m2，场区无法满足这个条件。由此得出：地埋管地源热泵技术在场区存在两个无法解决的技术障碍，不能采用。
3 水源热泵地下水换热系统勘察
通过初步的水文地质勘察论证，场区唯一能采用的热泵技术方案只有地下水地源热泵方案。经设计部门计算，系统按最大负荷运行时，总计需水量1170m3/h。
场区第四系含水层富水性不均一，受季节性影响较大，旱季时含水层已部分被疏干，不具有稳定的供水意义。至此，一般非地质勘察专业的水源热泵工程承包方将放弃该项目，或盲目在第四系地层中凿井取水，导致在旱季出现主机、外管线、室内中央空调系统已安装就绪的情况下却无水可取的局面，带来巨大的经济损失。因此，通过地质勘察技术能否找到足够的地下水资源已成为北京人民警察学院水源热泵供暖、制冷工程能否上马的关键。
我院地质勘察专家在初勘时已发现场区下伏基岩为蓟县系雾迷山组白云岩、白云质灰岩。该地层为北京地区三大基岩岩溶地下水供水岩层之一（奥陶系灰岩、寒武系灰岩和蓟县系白云岩），也是北京地区地热资源主要开采目的层。因此确定勘察场区下伏蓟县系雾迷山组白云岩、白云质灰岩含水层为本次勘察工作的重点。
3.1 勘察工作任务、方法
勘察工作任务是：评估拟建场区基岩（蓟县系雾迷山组）含水层小时取水量1170m3的可行性；如果取水可行，进一步评估所取水量全部回灌的可行性；然后设计抽、灌井数量、分布、结构等。
我院在拟建场区地质及水文地质研究程度较高，本次勘察工作以搜集、整理和分析前人研究成果为主，并适当补充地下水位动态观测。
3.2 勘察工作分级及工作区范围
经设计部门计算，系统最大负荷运行时，需水量为1170m3/h，也就是高峰日需水量已达28080m3。按GB50027⁃2001《供水水文地质勘察规范》要求，符合中型水源地标准（1万m3/d≤需水量＜5万m3/d）。
场区附近地质构造复杂，断裂发育，主要为北东向和北西向断裂构造，在场区西南2.5～3km处分布有南口-孙河断裂，场区西北2.5km处分布有南口山前断裂及阳坊-西沙屯断裂。场区下伏蓟县系雾迷山组含水层位于岩溶地下水补给区，埋藏较深，富水性不均一，属水文地质条件中等的地区。
我院在该区已进行了一定的水文地质勘察工作，已有多份其它勘查目的的勘察成果报告供参考，据此，将场区勘察阶段定为勘探。
3.3 勘察工作成果
通过一个月左右勘察，查明了场区下伏蓟县系雾迷山组含水层的岩性、埋藏分布特征、富水性等，成果简述如下。
（1）勘察工作目的层岩性特征。蓟县系雾迷山组白云岩、白云质灰岩，主要分布于太平庄山前至平原地带，隐伏于山前第四系冲洪积物之下，在场区呈NE—SW条带状分布。岩性主要为灰白色白云岩、白云质灰岩、燧石团块白云质灰岩及结晶白云岩。
（2）勘察工作目的层水文地质特征。场区下伏蓟县系雾迷山组岩石风化破碎严重，岩溶裂隙发育，特别是在断裂构造带附近岩溶裂隙尤其发育，表明该含水层富水性好、储存量大、渗透性强、回灌能力强，是理想的供水水源目的层。据前人抽水试验资料，该含水层涌水量可达150m3/h。近年来，由于地下水位持续下降，出水量应该有所降低。
（3）勘察工作目的含水层补、径、排条件。场区下伏蓟县系雾迷山组含水层补给来源除少量大气降水通过入渗补给第四系，再进一步渗透补给本层外，主要为北部裸露基岩山区接受大气降水入渗补给后侧向径流补给。人工开采和向南侧向径流出本区是含水层主要排泄渠道。
（4）勘察工作目的层水化学特征、水温。据前人资料，场区下伏蓟县系雾迷山组含水层地下水水化学类型单一，属
（5）勘察工作目的层地下水动态特征。场区下伏蓟县系雾迷山组含水层地下水位埋深在80m左右，每年6、7月份水位最低，8、9月份水位最高，年均变幅在5m左右。
3.4 勘察成果综合评估
蓟县系雾迷山组含水层岩溶裂隙发育，富水性好，渗透性强，单井涌水量可达150m3/h，并且其储存量大，水质良好，施工8眼水井即可满足水源热泵项目的用水需求。
蓟县系雾迷山组含水层补给区位于北部山区，补给面积大，加之所取水量在提取能量后还要全部回灌入地下，因此取水量是完全有保证的。蓟县系雾迷山组含水层水质、水温均符合水源热泵项目要求，但由于水位埋深大，需多耗电能从井中抽水。
为尽量将抽取的地下水回灌入同一含水层中，还需施工8眼与抽水井完全相同结构的回灌井。因单井回灌量小于取水量，还需施工4座沉砂回灌辐射井，其原因是减少造价昂贵的基岩井数目，从水文地质角度讲由于场区第四系地下水渗透补给蓟县系雾迷山组含水层地下水，因此地下水回灌入第四系地层中后，实际上也能渗透补给基岩水。
因此，只要抽、灌井分布、设计合理，场区隐伏蓟县系雾迷山组含水层完全可以满足水源热泵工程需水量的要求。
4 抽、灌井分布、设计、施工
4.1 抽、灌井分布
水源热泵空调系统夏季制冷和冬季供暖运行时，必然会改变区域地下水原始流场。在抽水井周围地下水等水位线呈“锥”状，相反在回灌井周围地下水等水位线呈“漏斗”状。地下水温度场也会随着地下水流场的改变而改变。具体地说，随着回灌水在含水层中的缓慢流动，回灌水的温度会逐步与地下水常温趋于一致，也就是回灌水在地下含水层中会有一个“温度影响半径”，其大小受到回灌量、回灌温度与地下常温的差值大小、含水层的渗透性和热传导率等因素控制。如果抽、灌井之间的距离小于“温度影响半径”，将发生“热突破”现象，导致在夏季制冷期，抽水井处的温度将升高，而在冬季供暖期，抽水井处的地下水温度降低。结果导致水源热泵空调系统的运行效率降低。因此，合理的抽、灌井间距是水源热泵空调系统高效运行的重要因素。
开采井、回灌井的布设原则应是在充分了解当地水文地质条件的基础上结合以下因素共同确定：①工程的开采（回灌）水量；②地下水开采时温度和回灌温度（能量提取大小）；③地下含水层的渗透性和空隙率；④地下含水层厚度、地下静、动水位及地下水流场；⑤应尽量避免对地下水的自然状态产生影响，不能产生相关的环境地质问题。
在综合考虑了上述因素及地下水流向（由东北流向西南）后，8个供水井沿校区西、南边界布置，井间距200～300m。8个回灌井布置在校区中部较大范围内，使回水回灌至上游，以保证水源的充足、稳定。
4.2 抽、灌井设计
抽、灌井设计严格按GB50296—99《供水管井技术规范》要求进行。泵室段深度需综合考虑抽水试验成果资料、地下水位年变幅和近年来由于连续干旱造成的地下水位持续下降的情况确定。
4.3 抽、灌井施工
抽、灌井施工严格按GB50296—99《供水管井技术规范》要求进行。2003年8月，我院施工完成了所有抽、灌井及沉砂辐射井。
5 项目运行情况
全部水源热泵系统于2003年10月建成，同年底在冬季供暖中投入使用，到目前已正常运行了三个供暖/制冷季（含生活热水）。监测表明：抽水井出水量、水位、水温、水质等参数保持稳定，所有抽取的地下水全部回灌入地层中，区域地下水位未有明显变化，也未产生任何相关的环境地质问题。
由于整个系统还采用变频调速控制技术，根据热泵机组流量、压力的要求，潜水泵变频运行，最大限度地实现了节水节电，因此整个系统经济效益十分显著，同时也带来巨大的社会效益和环境效益，参观团络绎不绝，建设单位十分满意。
6 结语
水文地质勘察技术是地下水地源热泵技术的核心，也是地下水地源热泵项目能否成功运用于实践的关键，北京人民警察学院项目就是一个很好的实例。通过水文地质勘察工作，逐步否决采用①地埋管地源热泵技术；②第四系地下水地源热泵技术，同时创新性的提出采用基岩岩溶地下水作为冷热源，是本项目能够成功的基础。
严格按照供水水文地质勘察规范要求，进行水源热泵项目地下水换热系统的勘察工作也是水源热泵项目能否成功运用的重要因素。在本项目勘察过程中，从勘察的分级、范围、阶段到抽、灌井的设计和施工，我们均严格执行规范要求，所有抽、灌井成井质量都达到优级，这也是保证项目能够成功的重要组成部分。
2006年1月1日实施的GB50366—2005《地源热泵系统工程技术规范》，已将地下水换热系统水文地质勘察列为强制性条款，这足以说明水文地质勘察在水源热泵项目中的重要性，同时也证明传统水文地质勘察在水源热泵项目中是大有作为的。
参考文献
［1］徐伟，郎四维.地源热泵工程技术指南.北京：中国建筑工业出版社，2001
［2］罗英.北京警察学院集中空调水源热泵系统设