摘要
地热能开发利用对实现节能减排、绿色低碳发展具有重要意义。针对山西浅层高温地热田无干扰供热技术无应用先例、技术体系不完善等问题，通过研究试验区地质特征，集成钻探工艺、井下换热、供热控制等关键技术，提出了山西浅层高温地热田开发利用无干扰供热先导试验技术思路。试验表明：钻探试验井井深295.72 m，井底温度经测109.9 ℃，采用无干扰井下换热供热技术，系统循环流量16.90
我国地热资源的蕴藏量巨大，全国陆域资源量为856万亿t标准煤，根据国际标准，以其2%作为可采资源，可采资源量达17万亿t标准
山西浅层高温地热田开发利用无干扰供热先导试验区位于华北北缘板内活动带和林格尔丰镇板隆天镇-阳高块凸，阳高-天镇盆地最早于上新世中晚期开始发育，盆地内沉积物直接覆盖在下伏的变质基底之上。在水桶寺、马圈庠形成两处太古界变质岩地垒隆起区，并伴随基底有多起燕山期花岗岩、辉绿岩脉侵入。盆地区域性深大断裂构造延伸下切，沿深大断裂浅部发现有火成岩体侵入，深大断裂是沟通浅深部热源的有利通道，将地下深处高温流体通过大型构造断裂传导上来，圈闭形成地热异常区。试验区地层为第四系冲洪积物覆盖，下伏新近系保德组，基底为太古代葛胡窑片麻岩，该区地热储层特点是埋藏浅，温度高，深部岩体温度为150~300 ℃。
华北北缘板内活动带中段天镇弧山庙-阳高块凸，是山西省有名的地热异常区。自1970年代以来，在区内及其周边相继发现并打出了热水井。浅层高温地热田无干扰供热先导试验项目区位于天镇盆地云门山山前大断裂洪积倾斜平原地带，试验井所揭露的热储层为天镇地热异常区上部第二热储层，即为松散岩类热储层。热储层上部地层为第四系更新统，下部为第三系保德组地层。热储层含水层富水性及厚度上部优于下部，热储层厚度200~300 m，地热流体涌水量20~60
无干扰供热WSY-1先导试验井钻探施工采用车载SPC-1000型钻机，钻井液正循环、机械回转工艺，Ø311.1 mm PDC钻头钻进成井。
钻遇地层岩性为土质、砂质含少量砾石，未胶结，地层结构较为松散、破碎。钻进施工过程中采用低固相钻井液护壁，有效防止井内不稳定地层坍塌、掉块。
试验井完井深度295.72 m，完井口径Ø311.1 mm，最大井斜角0.96°，满足成井规范要求。采用Ø177.8 mm×8.05 mm钢级为J55的石油套管完井，套管底部安装同径聚能装置，下深295.42 m，井身结构见
| 施工口径/mm | 井深/m | 套管规格/mm | 下管深度/m | 止水位置/m |
|---|---|---|---|---|
| 311.1 | 0~295.72 | Ø177.8×8.05石油套管 | 0~295.42 | 50~295.42 |
在套管外填入规格为4.0~6.0 mm，直径均匀、磨圆度较高的砾料，砾料深度50.0~295.42 m，填入量12.6
试验井完井后，进行井温（TEP）测试工作。
测试结果显示：井深295.72 m，井底最高温度109.9 ℃，地温曲线呈直线型，符合传导聚热特征，平均地热增温率37.2 ℃/100 m，为水热型地热资源，满足无干扰供热先导试验需求，见
图1 WSY-1先导试验井温度曲线（TEP）
Fig.1 Temperature curve (TEP) of WSY-1 pilot test well
在WSY-1先导试验井套管内下入同轴无干扰供热试验管柱，管内同轴下入Ø110 mm×10.0 mm材质为耐高温聚丙烯中心管，上部连接Ø114.3 mm×6.35 mm钢级为J55高应力管（具有隔热涂层）至井口，地面安装采灌复合标准化井口装置完井。为增加热交换能力，提高井下换热效率，底部安装聚能装置。聚能装置为金属换热器，外管采用耐压的特制钢管，导热系数>90 W/（m·k），抗拉伸强度>1500 kN，承压系数>16 MPa，内管采用高热阻管材，通过管内介质进行取热。见
| 口径/mm | 井深/m | 套管直径/mm | 套管深度/m | 中心管直径/mm | 高应力管直径/mm |
|---|---|---|---|---|---|
| 311.1 | 295.72 | 177.8 | 295.42 | 110 | 114.3 |
图2 地层柱状图及管柱结构
Fig.2 Stratigraphic collum and string structure
浅层无干扰供热先导试验，是一种闭式循环的井下换热系统。在高温地热井中通过同轴试验管柱进行单井内部流体循环，基于热传导的方式与地层换热，从而以“取热不取水”形式开发地热
图3 无干扰地热“取热不取水”原理
Fig.3 Principle diagram of non‑interfering geothermal “taking heat rather than water”
无干扰供热先导试验地面工艺流程分为3部分，即无干扰热源井区、能源站区、用户端采暖区，工艺流程见
图4 无干扰供热先导试验工艺流程
Fig.4 Process flow diagram of pilot test for non‑interfering heating
将经过软化水装置软化后的低温水注入WSY-1无干扰热源井，通过井下聚能装置将地层中的热能导出，使低温水加热为高温水，在能源站区将高温水泵送至基地用户端采暖区供暖，见
图5 无干扰供热试验井区
Fig.5 Well area of non‑interfering heating test
图6 换热站区
Fig.6 Heat exchange station area
在无干扰地热供热WSY-1井进水管上设置一个电磁冷热流量计、电磁流量计，在进水管和出水管各设一个温度传感器，精度为0.2%，进出口温度、压力同时设置机械表监测。试验用管道离心泵型号为ZQLR80-250B，电机功率15 kW，扬程60 m，额定流量43.3
图7 电磁冷热流量计、电磁流量传感器
Fig.7 Electromagnetic cold and hot flow meter and electromagnetic flow sensor
无干扰供热先导试验的供热对象是山西高温地热资源开发利用科研示范基地内部临时建筑物，用户端供暖面积2500
建筑物冬季供暖负荷的具体计算方法参照《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》（GB 50736—2012）第4章、第5章的规定。按建筑物的暖通建设与气象资料及建筑墙体计算，山西高温地热资源开发利用科研示范基地临时建筑热负荷80 W/
山西高温地热资源开发利用科研示范基地无干扰供热先导试验采用直接供暖、模拟降温两种供热方式分别进行试验与实践。
供热系统循环水通过WSY-1试验井井下换热，经过能源站直供系统泵送至用户端采暖，采用单井直供循环，通过调整变频泵频率，控制系统循环水流速及系统压力。
流量是决定无干扰井下换热产能的重要因素。试验通过调节管道泵频率，分别设置16.90
图8 流量-换热强度相关关系
Fig.8 Correlation diagram between flow rate and heat transfer intensity
随着流量的增加，换热强度起初明显增加，但继续增加后，降低幅度较大。控制系统循环水流速为30.0
调节循环流量进行产热量对比分析，最终得出流量-产热量相关关系图，见
图9 流量-产热量相关关系
Fig.9 Flow rate heat production correlation diagram
随着流量的增加，产热量起初增加幅度较大，但继续增加后，基本平稳甚至降低，表明产热量已经达到最大值，最大产热量200.0 kW/h。
调节循环流量进行进出口温差对比分析，最终得出流量-温差相关关系图，见
图10 流量-进出口温差相关关系
Fig.10 Correlation diagram of flow rate and inlet/outlet temperature difference
随着流量的增加，进出口温差逐渐减少，间接表明流速增加，过流速度增大导致井内换热下降，热散失减少。
综合以上直供方式试验结果分析，得出试验数据见
| 变频泵频率/Hz | 循环流量/（ | 换热强度/MW | 产热量/（kW· | 进出口温差/℃ |
|---|---|---|---|---|
| 20 | 16.90 | 0.0592 | 160.1 | 3.7 |
| 30 | 25.62 | 0.0897 | 185.0 | 3.0 |
| 40 | 34.59 | 0.0807 | 200.0 | 1.3 |
| 46 | 39.50 | 0.0461 | 197.0 | 1.0 |
通过无干扰供热直供方式试验，供暖面积2500
因基地建筑物面积及总热负荷有限，采用人为降低入水温度的方式进行模拟无干扰地热供热试验。
采用基地原有晾水池作为蓄水池（蓄水池尺寸：25 m×50 m×1.7 m），人为调节蓄水池内总水量、水温，控制进水温度。下入大扬程潜水泵，抽取晾水池内不同温度的水源，并通过调整变频泵，控制水流速及系统压力，达到模拟不同入水温度、不同流速条件下的无干扰供热先导试验的目的，结果见
| 试验方式 | 循环流量/（ | 进水温度/℃ | 出水温度/℃ | 进出口温差/℃ | 换热强度/MW | 产热量/（kW· |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 低流速/低流量无干扰供热 | 20 | 6.0 | 15.0 | 9.0 | 0.2100 | 209.3 |
| 21 | 18.0 | 26.5 | 8.5 | 0.2083 | 207.6 | |
| 19 | 22.0 | 30.5 | 8.5 | 0.1884 | 187.8 | |
| 19 | 30.0 | 38.0 | 8.0 | 0.1773 | 176.8 | |
| 19 | 44.0 | 48.0 | 4.0 | 0.0887 | 88.4 | |
| 高流速/高流量无干扰供热 | 34 | 5.0 | 11.0 | 6.0 | 0.2380 | 237.5 |
| 35 | 16.0 | 21.5 | 5.5 | 0.2246 | 223.9 | |
| 34 | 24.5 | 30.2 | 5.7 | 0.2261 | 225.4 | |
| 32 | 34.0 | 39.5 | 5.5 | 0.2053 | 223.3 | |
| 32 | 42.0 | 47.0 | 5.0 | 0.1867 | 186.1 | |
| 33 | 46.0 | 51.0 | 5.0 | 0.1925 | 191.9 |
低流速、高流速两种无干扰供热试验中，进水温度越低，进出口温差越大，换热强度越高，产热量越大。循环水流量34.0
山西高温地热资源开发利用科研示范基地已实现无干扰供热。基地供热面积2500
按照与试验井情况相同条件下，为常规（住宅）居民建筑标准（地暖管采暖），国家强制节能系数要求40 W/
| 类 别 | 热负荷/（W· | 供热能力/ |
|---|---|---|
|
临建单位建筑面积热负荷指标（W/ | 40 | 5937.5 |
（1）山西地热能开发利用无干扰供热技术在山西高温地热资源开发利用科研示范基地成功试验与实践。供暖面积2500
（2）在天镇县与试验井情况相同条件下，按照常规（住宅）居民建筑标准，国家强制节能系数要求40 W/
（3）无干扰供热先导试验对山西浅层高温地热田的成功开发利用，为今后同类型清洁能源供热工作提供了宝贵经验和技术支撑。
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