滨海地区水源热泵管井人工灌采地下水技术
津市金大地能源工程技术有限公司 赵树林 王安民
图1 灌采井结构简图
图2 灌采井井身结构图
图3 灌采井地面装置图
1.井管压力表 2.自动排气阀 3.井口密封盘 4.温度计 5.井口万向弯头
6.万向发兰 7.潜水泵电缆出口密封 8.井管发兰 9.井管 10.井管与测管连通管
11.泵管 12.深井测管 13.高压球阀 14.高压由任 15.水位仪 16.测水位电缆
17.测水位探头 18.测管电缆密封 19.连通管解门 20.泵管真空压力表 21.井口密封胶垫
图4 真空管密封部位连接图
0 引言
水源热泵是一种利用地下水的高效节能空调系统，通过输入少量高品位能源（如电能），实现低品位能源向高品位转移，实现冬季供暖和夏季制冷。
早在90年代初期，天津市城市节水办公室工程技术人员就会同有关单位，就管井井身结构、井口及泵管密封装置，回灌工艺方法、流程等方面进行技术公关，其中，“管井灌采储能试验研究”课题获得成果，并获得市建委科技进步二等奖。如何把原有的研究成果迅速转变成为生产力，也就是被国内外有关组织称之为经济、绿色无污染的地源热泵技术相结合，迅速促进本市及滨海地区的经济腾飞与环境的改善任务，摆在了我们面前。因此，天津市金大地能源工程技术有限公司与天津市新技术产业园区房地产有限公司联合在2001年开展了“管井灌采地下水应用于冷暖空调系统的实验研究”课题的攻关，全面解决了人工回灌核心技术。
1 灌采井工艺
天津地区为滨海冲击平原的下游，第四层由巨厚的松散的沉积物构成，含水层岩性以粉细砂为主，一般情况下，粒度自上而下由细变粗，渗透系统细数影响半径亦随深度增加而变大，地下水温度逐渐升高。
课题试验选择在天津市西南部新技术产业园华苑产业区内，解决1.2万平方米办公大楼“海泰大厦”冷暖空调问题开展的研究。根据其 “海泰大厦”1.2万平方米冷暖负荷所需水量，水温的需求，选择了330-400米承压含水层为灌采目的层。如图1所示，开凿了两眼灌采井，井通孔孔径∮600毫米；上部泵室端∮325毫米井管，长度约180米，下部井管直径∮219毫米，对井井距46米。
1.1 灌采井井身结构
如图2所示，滤水管采用笼状双层填砾过滤器（两层滤网均为约翰逊式）。内层为∮244毫米低碳钢塑料喷涂滤网，缠丝间隙1.5毫米，孔隙率34%外层滤网形式与同层滤网相同，直径∮343毫米，缠丝间隙1.0毫米，孔隙率26.6%：双层滤网之间充填2-3毫米的石英砂。滤水管与井壁之间的环状间隙充填1.5-5.0毫米的石英砂，充填高度高于顶层滤水管以上20-30米。
图1 灌采井结构简图
图2 灌采井井身结构图
为保证回灌量，滤水管长度（即采水高度）不少于35米。首先用∮430毫米鱼尾或三翼刮刀式钻头钻至设计深度，然后用用∮600毫米牙轮拼装扩孔钻头进行扩孔，扩孔中反复划孔不少于二遍，以保证孔径规格。钻井中严格控制钻压，均匀给进确保钻孔垂直度，以确保滤水管周围有厚度均匀的填砾层。成孔后利用电测方法确定采水目的层位置。对采水层采用筒状园牙钻具进行壁刮切，以保证透水层通畅。经泥浆调整后下管，下管后进行不少于24小时的充分换浆，待泥浆比重稀释至1.08g/cm3后再进行填砾。填砾沿井孔四周均匀缓慢填入，当证实填砾厚度满足要求后，先经一阶段洗井，洗井中丈量填砾高度，如有降落还须补填。然后用红粘土进行上部井孔封闭。
洗井采用先活塞后拉负压二种方法进行。二种方法均分层、逐段清洗，时间不少于72小时，至水清砂净为止。
1.2 灌采井工艺特点
（1）井孔孔径大于600毫米，配合使用双滤网过滤器使过水断面增大，利于增加井的采、灌量。由于滤网内的砾料相对固定，不因采、灌时的双向流水冲击作用改变原有的排列顺序，故而能保持 管井长期的灌采运行。
（2）双层滤网内的预填2-3毫米砾料和管外间隙充填的1.5-5.0毫米砾料形成梯级填砾反滤层，不仅可以阻挡采水和回扬水时细颗粒进入井内，而且保证了25%的孔隙率。
（3）填砾高度高于顶部滤水管20-30m,可以防止因长期抽灌亏砂，粘土下滑阻塞含水层。
（4）洗井采用正压活塞洗井和负压的复合式洗井方法，洗井较为彻底，达到了基本清除泥皮、水清砂净，增加单位出水量的效果。
（5）在井管一定深度安装水位测管，可以在运行中随时进行水位观测，掌握井的运行状况。
经过稳定8小时以上连续抽水试验，其成井结果如下：
东井：出水量93t/h
静水位：91m
动水位：109m
单位出水量：5.1t/(h•m)
含砂量：﹤1/20000
井口水温:23.8℃(连续抽水24小时后测)
西井：出水量：95t/h
静水位：90.4m
动水位：111.0m
单位出水量：4.61t/(h•m)
经过测试证实，二井为同灌采井，由于采用了适合滨海地区粉细砂含水层灌采需要，采用了全新的成井结构及施工工艺，成井质量较好，为后来灌采试验运行打下了重要基础。
2 灌采井地面装置及回灌工艺流程
2.1 灌采井地面装置
地面装置是指采、灌管井的配套设施，安装在机房内，地表上和管井相连接的管路部分。管路系统是压力回灌试验工程的主要设施之一，由输水管线、回灌管段、排水回扬管段，共用关断、井口及泵管密封装置和测水位管等部分构成，他们各具功能，阀门调控，形成一个完整的管路体系，如图3所示。
图3 灌采井地面装置图
现就上述管路系统的各部分，作如下说明：
（1）输水管段是连接其送水管段至旋液除砂过滤器的管段，其作用是向热泵机组输送地下水。
（2）泵管回灌管段是通过BH连接泵管与机组排水管的管段，其作用是将机组排水通过水泵管回灌至地下。
（3）回扬管段是连接在输水管线上通过XP（西井）、DP(东井)进行排污扬水的管段。其作用是将开泵初始时的污水及扬水拉真空时废水的排放。
（4）回灌管段是JH1(西井)、JH2(东井)连接井管与机组排水管的管段，其作用是将机组尾水通过井管回灌至地下。
（5）密封装置是封闭井口的专用设施。由井口法兰，胶垫、密封盘、出水弯头、潜水泵动电缆密封口、自动排气阀、压力表、温度表等组成。安装于井口其下部连接潜水泵管，上部连接输水管线的口.其作用除输水与泵管回灌的通道外，主要是封闭井口，防止压力回灌时造成回灌水外溢，并且在泵管真空回灌时不发生泄漏，维持泵管及管道内的真空度。
（6）测水位管下口在井管140米处焊接￠62毫米无缝钢管至地面以上，以便在井口密封的情况下能测量水位。密封是真空回灌的一个关键问题。密封不好在真空回灌时就不可能形成真空，就无法利用虹吸原理产生水头差进行回灌，或者会使空气吸入含水层中造成气相赌赛现象，影响回灌的者正常进行。
真空回灌需要密封的部位主要有泵管接头、井口法兰、闸阀、泵管上安装的压力表、温度计等联接组成，如图4所示。
1.井管压力表 2.自动排气阀 3.井口密封盘 4.温度计 5.井口万向弯头
6.万向发兰 7.潜水泵电缆出口密封 8.井管发兰 9.井管 10.井管与测管连通管
11.泵管 12.深井测管 13.高压球阀 14.高压由任 15.水位仪 16.测水位电缆
17.测水位探头 18.测管电缆密封 19.连通管解门 20.泵管真空压力表 21.井口密封胶垫
图4 真空管密封部位连接图
本地面管道装置是我们通过多年来在实践经验中积累的条件下，经多种对比后的设计成果。其特点是是结构简单、控制有效，操作方便。通过对外地泵房设施的考查，反映出天津市泵房地面装置是最为简单合理的。
2.2 灌采工艺流程
2.2.1 真空回灌
真空回灌是指在泵管内形成一0.1Mpa压力的条件下，由泵管将回灌水灌入井下含水层的一种方法，在真空回灌过程中，最忌讳空气进入井内。但是，绝对密封是难以达到的，回灌是或多或少会有点漏气。应该用真空表测定管道内真空度大小。一般认为：真空度为-0.06-0.07Mpa时，密封效果好；当真空度小于-0.05Mpa时，密封程度差，应立即维修，补漏。当回扬后停泵、关闭制阀门,则真空表显示负压，如小于-0，06Mpa这时并不能认为密封效果已经很好，需在8小时后基本保持不变或末下降至0，05Mpa以下，才可以进行真空回灌。
除上述外，真空回灌还应注意以下事项：
（1）必须定期回扬，回扬时间很据回灌井畅通情况而定，一般一天回扬一次。每次20-40分钟，至水清砂净。
（2）回灌井初期使用时回灌量应由小到大逐渐增加，以免因反向水流作用过大，冲击过滤层造成通水不畅。
（3）注意停灌期的保养管理工作，至少每15天回扬一次，以保证水流畅通，防止井内水质变更和滤网被堵。
灌采互用井应每年洗井一次，以防止滤水层累计淤塞，影响井的使用寿命。
2.2.2 压力回灌
压力回灌的操作方法与真空回灌大致相同。但其有井管回灌的特点，当井管内存有大量空气时，必须排净。否则空气会进入井内，造成气相阻塞。
因为加压回灌必须采用加压设备、消耗能源。一般情况下在负压可以回灌的情况下，不宜采用。故此，对本方法不再细述。
3 同层灌采对井井距
为完成回灌技术实验，并将其应用到地源热泵设备进行采暖和制冷。我们在天津新技术产业园区“海泰大厦”项目上进行了实验。“海泰大厦”为六层框架建筑，总建筑面积1.2万平方米，建筑高度23.7米。于2001年11月12日正式为大厦供热。2002年3月15日结束，2002年6月3日-8月9日进行夏季制冷试验。使用开凿的两眼400米左右的东井和西井进行灌采使用。两眼井井距46米，白天工作11小时，大厦内部的末端系统采用风机盘管，经过一个冬季92天和夏季49天的运行，其效果非常理想，超过了预计的效果。
3.1 冬季运行情况，因为灌采井初投入使用，为将井内残留的泥浆排除，保证新凿井的寿命，对定位当季回灌井制定三个不同的运行阶段：
（1）自2001年11月12日至12月17日的32天为洗井排水期，达到了清洗井的效果，将井内残留泥浆排除井外，达到出水清澈。此期间总采水量16200立方米，采水温度23.9℃。
（2）自12月18日至2002年2月4日为试灌期，运行时间31天。由6立方/时回灌开始逐步增加46.7立方米/时，达到了灌采平衡，总采水量为16462立方米，总回灌量8797立方米。平均采水温度23.6℃。
（3）自2月5日起至3月15日为灌采平衡期，运行时间29天，实现了地下水全部回灌至地下的目标。在此期间总灌采量为14451立方米，平均灌采量45.3立方米/时，平均采水温度23.1℃，最后10天运行期采水量温度降至23℃。
3.2 夏季运行情况
为合理使用管井，在夏季运行中将东井（冬季的回灌井）作为采水井，而西井（冬季的采水井）作为回灌井。在夏季的运行中，只经过二天的调试期，自6月5日起进入正常运行至统计截止期8月9日，全部实现灌采平衡。总采、灌量为28842立方米平均灌量55.79立方米/时。
为总结经验，本文在2002年夏季进行了为期五天的水文观测。其结果如下表：
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7:00静水位
|
16：00动水位（m）
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|||||||||
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日期
|
8-5
|
8-6
|
8-7
|
8-8
|
8-9
|
8-5
|
8-6
|
8-7
|
8-8
|
8-9
|
|
东井（开采井）
|
91.4
|
91.7
|
91
|
91.5
|
91.2
|
101.9`
|
100.1
|
99
|
99.1
|
97.7
|
|
西井（回灌井）
|
89.9
|
90.4
|
90.5
|
90.4
|
91.3
|
69.3
|
73.2
|
75.4
|
75.3
|
78.1
|
|
灌采量m3/h
|
67.1
|
54.2
|
51.0
|
50.3
|
41.8
|
|||||
依据以上测试结果计算，单位灌采量为：
|
日期
|
东井（开采井）
|
西井（回灌井）
|
灌采比%
|
||
|
水位降深（m）
|
单位出水量
（m3/(h•m)） |
水位上升（m）
|
单位回灌量
（m3/(h•m)） |
||
|
8-5
|
10.5
|
6.39
|
20.6
|
3.25
|
50.9
|
|
8-6
|
8.4
|
6.45
|
17.2
|
3.15
|
48.8
|
|
8-7
|
8.0
|
6.37
|
15.1
|
3.38
|
53.1
|
|
8-8
|
7.6
|
6.62
|
15.1
|
3.33
|
50.3
|
|
8-9
|
6.5
|
6.43
|
13.2
|
3.16
|
49.2
|
|
平均值
|
6.45
|
3.25
|
50.4
|
||
经过测试证实灌采比例为0.504：1，单位回灌量略大于单位采水量1/2。本成果在国内粉细砂含水地层回灌已经达到领先水平。
本文采用的真空回灌方法是借助于大气压力，抬高井内水头，与周围的地下水位产生水头差，使回灌水能克服阻力向含水层里渗透。因此，真空回灌井回灌量的大小主要取决于周围地下水位的高低和含水层的渗透性。
本井的地下水位较低（静水位91m）,是增大回灌量有利的客观条件。而在松散地层中，由于含水曾颗粒大小的不同，其回灌量也有很大的差异。据有关资料介绍，在细颗粒含水层中，单位回灌量是单位出水量的1/3-1/2。而真空回灌的回灌量是与地下水位呈反比的关系。即区域地下水位越低，回灌量越大，反之则越小。
因冬季2/3以上的时间在排水期及试灌期内，故以此夏季运行结果为例：
西井为回灌井，该井单位出水量4.61m3/(h•m)。在夏季回灌试验中：
平均静水位：90.5m
平均回灌水位:74.26m
平均水上升： 16.24m
平均回灌量： 55.78 m3/h
单位回灌量： 3.43 m3/(h•m)
证实单位回灌量已经达原井单位出水量的74%。取得如此好的回灌效果,经过对具体情况的具体分析，认为制定了合理的井间距也是影响回灌量的重要因素。以回灌井的动力弥散来讲，回灌井的流场为发散流场，在发散作用的控制下，回灌水自井壁向四周推挤，使回灌水带逐渐扩大，形成以回灌井为中心的近似同心圆的回灌水弥散带。在已运行的二个季节中：冬季为西井采水，东井回灌；夏季为东井采水，西井回灌。东西二井间距为46m。在以前的储能回灌试验中，冬灌夏采或夏灌东采是在同一井内进行的，回灌中并未受到地下水运动的影响，在地下水处于自然状态下向井内灌水是受到地下水的压力、渗透能力等各方面条件抑制的。所以在细颗粒含水层中单位回灌量与单位采水量之比小于1/3是正常的。而在同层灌采对井中，当采水井运行时，回灌井处于采水井的影响半径之内，即在采水井周围形成的下降漏斗区内。当地源热泵运行时灌采是同时进行的。采水时会造成水位下降，这样在影响范围内也会引起的回灌井的水位下降。（如做入座水位观测时，西井采水，西井由90.4m静水位经2小时抽水后，下降至101.4m,降价11m，而东井在未使用的情况下，其水位由91m下降至95.2m,降深4.2m）这样当回灌水进入含水层后，由于受到采水井的作用，会加强对含水层的渗透、补给，并向采水井方向转移。所以在一定程度上控制了回灌井内的水位水位上升，增大了回灌量。
本课题专家鉴定意见附下：
由天津市金大地能源工程技术有限公司与天津新技术产业园区房地产开发有限公司承担的“管井灌采地下水应用于冷暖空调的试验研究”课题，经市科委鉴定s（2002）1-104号文授权天津市水利局组织本课题鉴定。鉴定会于2002年9月18日举行，由市水利局组织，经鉴定委员会评审提出如下鉴定意见：
（1）该项目以可以持续发展的能源战略为研究指导思想，具有节约能源、保护资源、消除环境污染等技术特点，符合当前国家后续能源研究开发的总体思路，立项目标明确，意义重大。
（2）课题组对该项目设计的内容作了广泛的调研，分析了应用中存在的问题，并进入了有目地的研究改进。提供的鉴定材料内容详实，文件齐全，数据可信，符合鉴定要求。
（3）该课题针对国内地热源中存在的问题，研究开凿了适合第四系细砂含水层的具有笼状双层过滤器的灌采两用井。由于采用两用井冬夏互为灌采并达到灌采平衡的技术，使所采地下水全部回灌至同一水层中，保证了含水层水量不至减少，并能疏通各种形式赌塞，还防止了涌砂现象，井的使用寿命大大延长。
（4）研制并规范了井口及泵管密封系统，采用负压回灌工艺有效地控制了回灌井水位上升，提高了回灌量，使平均灌采量分别达到45.3m3/h(冬季)55.28 m3/h（夏季），最大量灌采量达到67.1 m3/h尚有灌采量增加余地。当达到灌采平衡时，单位回灌量与单位出水量之比达到0.504：1，单位井自身灌采达到0.74：1，比静止使用的回灌井的灌采比提高两倍以上。上述两项指标在国内数领先水平。
（5）课题研究找出了单位建筑面积（万平方米）与冷热负荷一定时应用温差与采水量的关系，为发展的地源热泵技术对设备型号及选择凿井数量，起到规范作用。
（6）该课题与其它形式的冷暖空调系统相比，有明显的经济效益与环境效益，且不排放任何污染物，有利于控制地面沉降，因而有广阔的应用前景。
（7）该课题从管井灌采地下水存在的实际问题出发，通过改进管井滤水器结构及地面井口灌采系统的密封装置，应用负压回灌工艺等技术，在保证冬夏两季室内温度标准的情况下，全面解决了在同一含水层的对井灌采系统的关键问题，并建立了具有工程规模且效益显著的示范基地，为在滨海地区第四系粉细砂含水层灌采地下水应用于地源热泵采暖、空调系统提供了全面的技术与经验。其成果总体已达国内领先水平，鉴定委员会同意通过鉴定评审。
4 结语
通过实验验证了回灌井的经济和环境效益，目前天津市应用以上成果已应用近40户100万m2, 建筑面积冷暖空调工程，取得了较大的经济和环境效益。作为管井人工回灌工程技术作者，我们将再接再厉不断开拓管井人工回灌新技术，特别是该成果对地面沉降及对水质的影响等方面进一步探讨，积极稳妥推广此项技术，造福社会。