淺層地?zé)崮芩淳こ虇?wèn)題與技術(shù)研究

摘要：淺層地?zé)崮芫哂袃?chǔ)量大、分布廣、埋深淺、易開(kāi)發(fā)等特點(diǎn)，是可再生新能源。在傳統(tǒng)能源資源緊張和環(huán)境惡化形勢(shì)下，大力開(kāi)發(fā)利用淺層地?zé)崮軐?duì)低碳經(jīng)濟(jì)和節(jié)能減排具有重要的意義。水源熱泵以能量利用率高、成本低、維修方便優(yōu)勢(shì)占據(jù)著重要地位，其中水源井是其關(guān)鍵，水源井的工程質(zhì)量將直接影響著系統(tǒng)運(yùn)行、回灌和使用壽命。通過(guò)大量的調(diào)查，分析研究了目前水源井工程存在的突出問(wèn)題，并在試驗(yàn)和實(shí)際經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上提出了合理的水源井工程技術(shù)。
關(guān)鍵詞：淺層地?zé)崮?；水源井；?wèn)題；技術(shù)研究

       淺層地?zé)崮芫哂匈Y源豐富、分布廣泛、開(kāi)發(fā)便利等特點(diǎn)，是可再生綠色新能源。在傳統(tǒng)化石類能源資源日趨緊張和生態(tài)環(huán)境惡化的嚴(yán)峻形勢(shì)下，大力開(kāi)發(fā)利用淺層地?zé)崮?，?shí)現(xiàn)建筑物供暖制冷，對(duì)的低碳經(jīng)濟(jì)和節(jié)能減排具有重大的意義和廣闊的應(yīng)用前景。自1995年以來(lái)各國(guó)重視淺層地?zé)崮荛_(kāi)發(fā)，并以每年20%的遞增速度發(fā)展，我國(guó)自2000年開(kāi)始以每年50%的遞增速度發(fā)展，目前在該領(lǐng)域位居*三[1]。
       淺層地?zé)崮荛_(kāi)發(fā)主要是通過(guò)熱泵把地下200m以淺巖體和水體中的低品位熱能（10～25℃）提升為高品位熱能，來(lái)實(shí)現(xiàn)供暖；夏季則把地面建筑物內(nèi)高溫排到地下進(jìn)行能量交換，從而達(dá)到制冷目的。整個(gè)系統(tǒng)主要由地下能源采集系統(tǒng)、能量提升（交換）系統(tǒng)和能量釋放系統(tǒng)三部分組成，其中地下能源采集系統(tǒng)是技術(shù)核心和關(guān)鍵部分。特別是水源井的施工工藝和成井管材將直接影響整個(gè)系統(tǒng)是否能夠正常運(yùn)行、回灌和區(qū)域地質(zhì)環(huán)境[2]。目前在地下能源采集系統(tǒng)主要有地埋管（土壤源熱泵）和水源井（水源熱泵）兩種方式。由于水源熱泵與土壤源熱泵相比具有初投資小、能量利用率高、維修方便等優(yōu)勢(shì)，所以，目前國(guó)內(nèi)多數(shù)地區(qū)在開(kāi)發(fā)淺層地?zé)崮軙r(shí)，主要以水源熱泵為主。如：北京和河南利用水源熱泵開(kāi)發(fā)淺層地?zé)崮芊謩e為80%和98%，而地埋管土壤源熱泵僅占20%和2%。當(dāng)?shù)叵滤Y源缺乏的情況下，才適用于地埋管的方式。
1 水源井施工現(xiàn)狀及問(wèn)題分析
1.1 水源井施工現(xiàn)狀
       國(guó)內(nèi)目前在淺層地?zé)崮荛_(kāi)發(fā)領(lǐng)域除北京、天津、沈陽(yáng)等地比較規(guī)范外，其它多數(shù)地區(qū)和城市在管理、監(jiān)管和市場(chǎng)引導(dǎo)方面幾乎缺失，許多城市和地區(qū)的淺層地?zé)崮荛_(kāi)發(fā)以機(jī)電安裝資質(zhì)和空調(diào)廠家、中介公司為主體。這些單位在機(jī)電安裝方面具有一定的優(yōu)勢(shì)，但是由于缺乏必要的鉆探、水文地質(zhì)技術(shù)人員，從而在水源井設(shè)計(jì)和施工方面，靠經(jīng)驗(yàn)以低廉的價(jià)格分包給個(gè)體鉆機(jī)。據(jù)調(diào)查：目前國(guó)內(nèi)在淺層地?zé)崮芩淳┕ぜ夹g(shù)來(lái)看，井深一般在50～200m之間；采用的管材主要有水泥管和螺旋鋼管兩種；鉆井方法多數(shù)為正循環(huán)泥漿鉆進(jìn)和沖擊鉆進(jìn)；不進(jìn)行專門洗井，而在下完井管后直接下入潛水泵抽水；濾料多數(shù)采用人工碎石，而不是天然石英砂；為了增加單井出水量全孔投碎石而不止水，特別是河南省近1000個(gè)水源熱泵系統(tǒng)項(xiàng)目幾乎都是上述情況。盡管上述技術(shù)和工藝可以大大節(jié)約鉆井費(fèi)用，但是，帶來(lái)的一系列地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題（水位下降、地面不均勻沉降、地下水熱污染）和運(yùn)行不正常等，從而嚴(yán)重影響了淺層地?zé)崮艿拈_(kāi)發(fā)利用。
1.2 主要問(wèn)題
       從上述的施工現(xiàn)狀和實(shí)際工程中表現(xiàn)出的現(xiàn)象，其突出問(wèn)題主要反映在以下幾方面：
       （1）成井管材質(zhì)量差，使用壽命短。由于工程承包價(jià)格低廉，施工方不得不選擇價(jià)格低廉的水泥管和螺旋鋼管。水泥管盡管耐腐蝕，但是，抗沖擊、抗彎曲、抗拉強(qiáng)度極小。再加之其過(guò)濾管部分為圓孔包棕方法極易在下管過(guò)程中與井壁摩擦損壞。所以，當(dāng)水源井使用過(guò)程中容易造成水泥管破裂和大量出砂，嚴(yán)重時(shí)報(bào)廢。如：河南省商檢局12口水泥管水源井在使用不足2年時(shí)就全部報(bào)廢；鄭州市某洗浴中心2口水泥管水源井1年內(nèi)坍塌報(bào)廢。螺旋鋼管強(qiáng)度較高，但是其腐蝕結(jié)垢速度較快，特別是在鍍鋅橋式過(guò)濾管和普通鋼管組成的管井時(shí)，其二者電極電位相差450mV，從而形成了較大的腐蝕電流和電偶腐蝕。圖1是鍍鋅橋式過(guò)濾管和普通鋼管試片90d時(shí)的腐蝕結(jié)垢情況，從圖中可以看出：90d時(shí)鍍鋅橋式過(guò)濾管腐蝕結(jié)垢嚴(yán)重，并發(fā)生堵塞縫隙現(xiàn)象；試驗(yàn)容器內(nèi)水渾濁嚴(yán)重，說(shuō)明電偶腐蝕速度較快[3]。一般情況下這種管材的選擇和組合，使用2～3年后就需要重新維修或報(bào)廢。特別是地下水Cl-、Fe2+和溶解性總固體、硬度等含量較高時(shí)，其腐蝕速度更快，120～180d時(shí)就會(huì)在井內(nèi)產(chǎn)生幾十米的沉淀物（腐蝕產(chǎn)物）。  

      圖1  電偶腐蝕試驗(yàn)
       （2）回灌困難問(wèn)題日益突出。因?yàn)槟酀{污染堵塞含水層、鉆井速度低、洗井方法不合理以及金屬井管腐蝕結(jié)垢等諸多因素，使含水層原有滲透性降低，導(dǎo)致抽水井水量偏小、降深大，回灌井回灌困難或*灌不下去。如：河南松散細(xì)顆粒地層采用抽回1:3～1:6比例（1口抽水井，3～6口回灌井）回灌率僅在30%～50%；有的新建井當(dāng)年基本回灌較為順暢，第二年就回灌不下去。一些施工單位或個(gè)人為了應(yīng)付業(yè)主，私自把回灌井與市政排水管網(wǎng)連通進(jìn)行分流，而造成區(qū)域地下水下降、地面不均勻沉降等地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題。這些現(xiàn)象和問(wèn)題在鄭州表現(xiàn)的尤為突出，為此，鄭州市節(jié)水辦不再審批淺層地?zé)崮荛_(kāi)發(fā)項(xiàng)目?；毓嗬щy問(wèn)題在全國(guó)普遍存在，尤其是細(xì)砂、粉砂等孔隙地下水類型地區(qū)更為嚴(yán)重。由此，許多地區(qū)為了避免引發(fā)的系列問(wèn)題，即便是在地下水資源豐富的區(qū)域不得不改為地埋管方式來(lái)開(kāi)發(fā)淺層地?zé)崮堋?br />       （3）熱貫通問(wèn)題嚴(yán)重，設(shè)備無(wú)法正常運(yùn)行。水源熱泵是利用地下水相對(duì)恒定的溫度作為熱源，通過(guò)抽水和回灌實(shí)現(xiàn)夏季抽冷水灌熱水，冬季抽熱水灌冷水的運(yùn)行過(guò)程，地下水的熱量或冷量被提取、蓄存和轉(zhuǎn)移。由于回灌水與原始含水層溫度存在的差異，在導(dǎo)熱和對(duì)流等作用下，回灌水會(huì)導(dǎo)致抽水井溫度有不同程度的升高或降低，這種現(xiàn)象稱為“熱貫通”。抽水井和回灌井間距大，回水在地下流動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)，能量交換*，熱貫通程度則低。一般在粗顆粒地層（卵礫石、砂礫）抽水井和回灌井間距在100m左右，細(xì)顆粒地層（細(xì)砂、粉砂）井間距不低于50m[4]。而實(shí)際中有些單位因?yàn)閳?chǎng)地狹小，抽水井與回灌井距離在5～20m之間，由此會(huì)造成熱貫通和地下水熱污染，輕者增加運(yùn)行費(fèi)用，重者使機(jī)組自動(dòng)停機(jī)而不能正常運(yùn)行。
       （4）設(shè)備管網(wǎng)堵塞嚴(yán)重，維修頻繁。引起設(shè)備和管網(wǎng)堵塞的原因主要有水源井含砂量高、金屬井管腐蝕結(jié)垢、水源井未止水等。含砂量過(guò)高主要是因?yàn)槌删|(zhì)量（濾料級(jí)配不合理、洗井不*降深大、水泥過(guò)濾管包棕?fù)p壞等）造成；金屬井管腐蝕則主要是由于地下土壤中存在著大量的微生物，這些微生物在20～30℃環(huán)境下大量滋生和泛濫，并產(chǎn)生生物（細(xì)菌）腐蝕，其腐蝕產(chǎn)物將產(chǎn)生微生物粘泥和沉淀物。硫酸鹽還原菌和鐵細(xì)菌好氧菌是常見(jiàn)的細(xì)菌，它們與金屬井管相遇會(huì)在井內(nèi)產(chǎn)生大量的硫化亞鐵（黑色沉積物）和黃色的粘泥（FeOOH 或Fe2O3•H2O）[5]，圖2是河南省黃河迎賓館從井底排出黑色腐蝕產(chǎn)物，圖3是金屬掛片腐蝕試驗(yàn)90d時(shí)在容器內(nèi)沉淀的粘泥。當(dāng)水源井未進(jìn)行止水，整個(gè)井上下連通時(shí)，地面或淺部污染物很容易快速直接污染下部水源，從而造成水質(zhì)惡化，在管道或設(shè)備中也容易產(chǎn)生微生物粘泥。這些腐蝕產(chǎn)物不但造成設(shè)備、管網(wǎng)堵塞、水量減小、回灌困難而且還會(huì)造成地下水污染，危害極大。

2 水源井工程技術(shù)研究
       淺層地?zé)崮荛_(kāi)發(fā)系統(tǒng)能否正常運(yùn)行，抽水和回灌能否可持續(xù)，地質(zhì)環(huán)境能否較好保護(hù)，這些問(wèn)題都與水源井的管材選擇、鉆井工藝有著密切，所以，水源井是地下能源采集系統(tǒng)中核心和關(guān)鍵。淺層地?zé)崮芩淳c普通的供水井有相似之處，但是水源井成井質(zhì)量和技術(shù)要求應(yīng)該更高。
2.1 水源井成井材料選擇
       從上述的施工現(xiàn)狀和存在問(wèn)題可知：水泥管和金屬管材存在著自身問(wèn)題和引發(fā)的系列問(wèn)題較多。特別是成井過(guò)濾管的材質(zhì)和型式尤為重要，由于鍍鋅橋式過(guò)濾管相對(duì)不銹鋼過(guò)濾管和梯形絲碳鋼過(guò)濾管價(jià)格低廉，并已大面積推廣應(yīng)用，所以，眾多的水源井中均采用鍍鋅橋式過(guò)濾管。
為了直觀了解和觀察不同過(guò)濾管材的腐蝕與結(jié)垢情況，我們把國(guó)內(nèi)常用鍍鋅橋式過(guò)濾管、梯形絲碳鋼過(guò)濾管、PVC-U銑縫式過(guò)濾管和不銹鋼梯形絲過(guò)濾管在實(shí)驗(yàn)室同一水環(huán)境和溫度下進(jìn)行腐蝕與結(jié)垢試驗(yàn)，如圖4和圖5。試驗(yàn)分2組進(jìn)行，即：第1組試驗(yàn)是選擇上述4種不同材質(zhì)和不同類型的過(guò)濾器，在同一種類型的地下水中進(jìn)行對(duì)比性試驗(yàn)；第2組試驗(yàn)是選擇同種材料的PVC-U塑料過(guò)濾器在不同水質(zhì)的地下水中進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。

       通過(guò)試驗(yàn)可知：鍍鋅橋式過(guò)濾管，在第7d時(shí)開(kāi)始腐蝕與結(jié)垢，普通T型絲過(guò)濾器在第15d時(shí)開(kāi)始腐蝕結(jié)垢，但是其腐蝕結(jié)垢程度遠(yuǎn)小于鍍鋅橋式過(guò)濾器。PVC-U塑料和不銹鋼過(guò)濾管則無(wú)變化，只是不銹鋼容器內(nèi)水質(zhì)稍微渾濁，而塑料管容器內(nèi)水質(zhì)依舊清澈透明。圖6是試驗(yàn)進(jìn)行到30d時(shí)鍍鋅橋式過(guò)濾管腐蝕情況，圖中可以看出管內(nèi)外均腐蝕嚴(yán)重，且過(guò)濾縫隙處已出現(xiàn)結(jié)垢和堵塞情況[6]。                 

       圖7是PVC-U塑料過(guò)濾管在4種不同水質(zhì)中120d的對(duì)比性試驗(yàn)。試驗(yàn)證明：PVC-U塑料材料在不同水質(zhì)中沒(méi)有發(fā)生任何腐蝕與結(jié)垢現(xiàn)象。把試驗(yàn)后的水樣與試驗(yàn)前水樣進(jìn)行測(cè)試分析對(duì)比后水質(zhì)沒(méi)有發(fā)生變化，見(jiàn)表1。說(shuō)明PVC-U塑料材料在水中沒(méi)有發(fā)生析出和溶解現(xiàn)象，同時(shí)也說(shuō)明了PVC材料不會(huì)對(duì)地下水造成污染。

圖7  PVC-U塑料管管腐蝕結(jié)垢與溶解性試驗(yàn)
表1   試驗(yàn)浸泡前水樣與浸泡后水質(zhì)測(cè)試結(jié)果
                 砷        鎘        鉛        汞        酚類     銻 
浸泡后  0.001   ＜0.005   ＜0.005   ＜0.0001   ＜0.002   0.002
浸泡前  0.001   ＜0.005   ＜0.01    ＜0.0001   ＜0.002   0.002
               錫        鋁        鉻        氯仿     四氯化碳
浸泡后  ＜0.001    0.03    ＜0.001     ＜0.01    ＜0.001
浸泡前  ＜0.001    0.07    ＜0.001     ＜0.01    ＜0.001
注：分析委托河南省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)院實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行
        通過(guò)試驗(yàn)和實(shí)際情況證明：PVC-U塑料管具有不腐蝕結(jié)垢、不不污染地下水、管壁光滑、阻力小、塑性好等特點(diǎn)。所以，在目前技術(shù)經(jīng)濟(jì)條件下，PVC-U塑料管作為抽水井和回灌井是優(yōu)選擇。
2.2 鉆井工藝
       水源井鉆井工藝包括主要鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、鉆井方法、填礫與止水、洗井與抽水試驗(yàn)。
2.2.1 鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
       淺層地?zé)崮芩淳煌谝话愎┧?，水源井由抽水群井和回群灌井組成，數(shù)量較多，且每年有近1/3時(shí)間不工作。所以，在成井結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上有所不同。一般供水井過(guò)濾層厚度大于70mm即能滿足要求?？紫缎偷叵滤淳@井口徑與管徑之間間隙應(yīng)大于100mm。對(duì)于130m以淺的水源井采用一徑到底。對(duì)于大于130m以深的水源井可采用二開(kāi)方式，其變徑位置據(jù)當(dāng)?shù)厮牡刭|(zhì)條件和下泵深度確定。一般情況下上部鉆井直徑在450～600mm,管徑245～350mm；下部鉆井直徑在360～450mm,管徑160～250mm。井深度易控制在300m以淺。對(duì)于巖溶裂隙型地下水水源井因?yàn)椴煌兜[，所以，需要下管時(shí)其口徑與管徑間隙控制在10～30mm即可；基巖穩(wěn)定不需下管時(shí)可根據(jù)水泵尺寸確定鉆井口徑，一般在上部鉆井口徑230～300mm；下部鉆井口徑150～216mm。
2.2.2 鉆井方法
       對(duì)于孔隙型地下水鉆井采用泵吸反循環(huán)、氣舉反循環(huán)等“負(fù)壓欠平衡鉆井法”，該方法不僅效率高、水量大、成井速度快，而且可以減少泥漿污染和堵塞地層，同時(shí)可省去洗井工序。據(jù)鄭州市沿黃水源地改造工程試驗(yàn)和生產(chǎn)結(jié)果證明：采用泵吸反循環(huán)方法鉆井，其鉆井效率比正循環(huán)提高3～5倍，單井出水量提高30%左右。但是，當(dāng)井深超過(guò)140m時(shí)泵吸反循環(huán)效率將會(huì)降低，另外，泵吸反循環(huán)主要適應(yīng)地層為松散卵礫石地層和砂土地層，當(dāng)?shù)貙虞^硬且粘性較強(qiáng)時(shí)不宜采用該方法。氣舉反循環(huán)適應(yīng)范圍較廣，只要有足夠的沉沒(méi)比則可在任何地層中鉆進(jìn)。
對(duì)于巖溶裂隙型地下水鉆井，由于巖石堅(jiān)硬，一般的鉆井方法效率極低。所以，選擇空氣潛孔錘或井底螺桿馬達(dá)鉆進(jìn)方法同樣具有效率高、單井水量大等優(yōu)點(diǎn)。據(jù)云南和河南山區(qū)抗旱打井實(shí)際效果來(lái)看：空氣潛孔錘鉆井效率比正循環(huán)泥漿鉆進(jìn)效率提高10～20倍，單井水量提高30%～40%。通過(guò)廣東珠江三角洲地?zé)豳Y源鉆探工程實(shí)例來(lái)看，在石英砂巖、花崗巖地層中采用正循環(huán)泥漿鉆井效率是0.15～0.2m/h，而采用井底螺桿馬達(dá)鉆井效率為2～3m/h，平均效率提高14倍。
2.2.3 填礫與止水
       選擇礦物較為穩(wěn)定的天然石英砂作為回填濾料，禁止使用礦物成分復(fù)雜且不穩(wěn)定的人工碎石。主要目的是為了防止過(guò)濾層膠結(jié)，導(dǎo)致透水性降低。填礫時(shí)緩慢投放，避免“架橋”，并且盡可能保證填礫厚度上下均勻一致。對(duì)于回灌井濾料直徑可以比抽水井大一級(jí)或二級(jí)，以便形成良好的透水空間，減小阻力，保持回灌水順利進(jìn)入地層。
       所有的水源井都必須根據(jù)當(dāng)?shù)厮牡刭|(zhì)條件和地層情況進(jìn)行止水，杜絕全孔上下連通，預(yù)防下部地下水快速污染。止水方式可采用粘土球或水泥固井等。
2.2.4 洗井與抽水試驗(yàn)
       泵吸反循環(huán)、氣舉反循環(huán)、空氣潛孔錘等鉆井及成井后不需要專門洗井，可以直接下泵進(jìn)行簡(jiǎn)單洗井后抽水。正循環(huán)泥漿鉆井由于在鉆進(jìn)過(guò)程中的泥漿污染和堵塞，所以，必須進(jìn)行必要的洗井工序，以達(dá)到*疏通含水層之目的。對(duì)于松散地層成井可選擇潛水泵—空壓機(jī)、空壓機(jī)—活塞、焦磷酸鈉（鹽酸）—二氧化碳、二氧化碳—空壓機(jī)等聯(lián)合洗井方法。對(duì)于基巖裂隙巖溶型地?zé)峋吮?mdash;空壓機(jī)、壓裂—焦磷酸鈉（鹽酸）—空壓機(jī)等聯(lián)合洗井方法。爆破和壓裂時(shí)宜參照相關(guān)安全規(guī)定和工藝，并由專業(yè)施工隊(duì)伍組織實(shí)施。
       抽水必須按照相關(guān)規(guī)范和合同要求執(zhí)行，并取樣化驗(yàn)。在取得水文地質(zhì)參數(shù)和水質(zhì)檢測(cè)結(jié)果后，評(píng)價(jià)抽水和回灌能力和腐蝕性等，為今后科學(xué)合理開(kāi)發(fā)利用提供依據(jù)。
       綜上所述，水源熱泵開(kāi)發(fā)淺層地?zé)崮艿年P(guān)鍵是水源井的工程質(zhì)量。目前存在的回灌困難、地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題等都與水源井密不可分。所以，在新能源開(kāi)發(fā)利用過(guò)程中，優(yōu)化工程設(shè)計(jì)，注重成井材料、鉆井工藝選擇具有重要的意義。同時(shí)，針對(duì)現(xiàn)狀和問(wèn)題，結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際，加大自主創(chuàng)新，為淺層地?zé)崮芎侠黹_(kāi)發(fā)利用提供技術(shù)支撐。

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