摘要
地下水回灌是浅层地热能开发利用中不可缺少的环节,回灌井是实施回灌的关键设施,其施工技术是影响回灌效果的重要因素。选取郑州市东部新城区、西部新城区浅层地热能开发的回灌井为研究对象,分析不同区域地质条件的差异,通过回灌井结构分析地下水的回灌机理,论述影响回灌效果的因素。结合试验井施工情况,论述泥浆正循环钻进、泵吸反循环钻进、冲击钻进等不同钻进工艺的适用条件和施工中存在的问题,以及钢筋砼管、钢管和U-PVC管等不同成井管材对回灌效果的影响,探索提高单位回灌量的针对性措施,为今后郑州市及周边地区浅层地热能开发回灌井的施工提供参考。
地热是一种清洁、可再生资源,因其社会效益、经济效益和环保效益显著而受到国内外的高度重视。地热资源根据埋藏深度可分为浅层地热能、中深层地热能和干热岩等类
河南省中低温地热能资源分布广泛,地热资源热储面积为全省国土面积的25.2
郑州市位于华北平原的南部,黄河南岸,地貌单元属于豫西黄土丘陵向豫东平原的过渡地带,总体地势是南西较高,向北东逐渐降低。西部黄土丘陵地形变化较大,地面高程150~259 m,坡度10%~15%,中部山前倾斜平原地形相对高差约130 m,坡度2%~3%,北东部地形平坦,标高110~150 m,相对高差30~50 m。郑州市西部新城区面积263.0 k
郑州市属华北地区华北平原地层分区,因地质成因和地貌单元不同,西部新城区与东部新城区200 m深度范围内的地层结构和岩性特征有差异,地表出露地层情况见

图1 项目区地质图
Fig.1 Geology in the project area
西部新城区200 m深度内地层由第四系和新近系的地层组成,自上而下分别为:
(1)上更新统(Q
(2)中更新统(Q
(3)下更新统(Q
(4)新近系(N)。灰黄、淡棕色,岩性以细中砂、含砾细中砂及粘土为主,局部粘土较厚,揭露深度200 m。
东部新城区200 m深度范围内为第四系地层,自上而下分别为:
(1)全新统(Qh)。黄灰、灰色,岩性为黄河冲积形成的粉土、粉砂、细中砂、中粗砂等,自南向北颗粒由细变粗,厚度逐渐增大,厚度15~30 m。
(2)上更新统(Q
(3)中更新统(Q
(4)灰绿色、黄褐色,岩性以粉土、粉质粘土和砂为主。砂层粒度自西、西南向东、东北由粗变细,埋深由小到大,层厚30~80 m,揭露深度200 m。
本区200 m以内地下水类型为松散岩类孔隙潜水,主要储存于第四系及新近系地层中。含水层岩性主要为粉土、细砂、细中砂、中粗砂等。地下水位埋深由西南向东北逐渐由深变浅,西部新城区最深超过50.0 m,东部新城区最浅不到5.0 m。地下水补给主要为大气降水、灌溉回渗及侧向径流,由西、西南向东及东北径流,排泄方式为开采、径流及越流等。区内200 m以浅的地下水多为混合开采,地下水漏斗区明显,不同深度含水层之间水力联系较密切。南水北调中线实施后,区内供水水源结构发生了变化,地下水水位均有恢复上升现
回灌井的作用是将取热完成后的回水同层回灌进入地下含水层,一般情况下采取一径到底原则,即通孔同径。最初,回灌井是采用传统供水井的施工工艺和技术,成孔直径600~800 mm,下Ø273~315 mm的管材,在含水层的层位设置滤水管,滤水管外包尼龙滤网。含水层段孔壁与井管之间环状间隙回填滤料,含水层上方采用粘土球止水。郑州西部新城区、东部新城区地质条件有差异,含水层厚度不一,设置滤水管的长度也不一致。
目前,浅层地热能利用中回灌井的井管有钢管、铸铁管、钢筋混凝土管、混凝土管及U-PVC管等。钢管采用焊接方式连接,铸铁管采用管箍丝扣连接方式,滤水管均采用钢(铸铁)管打孔后缠丝管,开孔为圆形,呈梅花形均匀布置。钢筋混凝土管和混凝土管的滤水管均为同材质滤水管。U-PVC管采用管箍丝扣连接方式,滤水管采用割缝管或打孔缠丝管。
地下水回灌是将取热能完成的回水通过水泵疏排到回灌井内,在井内产生一定的水头高度,与地下水水位之间造成水压差Δh,见

图2 地下水回灌机理示意
Fig.2 Groundwater recharge mechanism
井水在水压差作用下通过滤水管和滤网进入井管四周的滤料层,再通过滤料层向四周砂层、粉土等含水层中渗透,进而逐步向远处扩散。水流在井四周形成既有径向流、又有竖向流的三维水流,经过一定长度的过渡,逐渐转化为以径向流为主的二维水平
郑州市200 m深度范围内地层为第四系和新近系地层,岩性包括粉土、粉质粘土、粉细砂、细中砂等,局部钙质结核富集,甚至胶结成层。目前,回灌井成孔常采用的钻进工艺有:泥浆护壁正循环、泵吸反循环、冲击钻进等3种方式,需要根据场地地质条件、回灌井的工程特点等因素确定科学、合理、适用的钻进工艺。
泥浆护壁正循环是最常采用的钻进工艺,对地层的适应性比较强。针对200 m深度的钻孔,一般采用SPJ-300型钻机配套BW-280/30型泥浆泵,钻具组合为:Ø311 mm三牙轮钻头+Ø114 mm钻铤+Ø89 mm钻
泵吸反循环是松散层施工水井常用的钻进工艺,工作原理是利用砂石泵(离心泵)在钻杆内腔造成负压产生抽吸作用,使钻杆内腔液体进行反循环的钻进工艺。设备选取GF-200型钻机或ZJ-80型钻机,钻具组合为:刮刀钻头+Ø168 mm钻杆,一径成孔。由于这种钻进工艺是靠离心泵的作用排渣,井径太大或井深较大时排渣困难,成孔直径、钻进深度都受到一定程度的制约。这种钻进工艺的优点是:清水钻进,成井效率高,钻进速度可达到10 m/h。钻进时钻头压入土体并回转,地层一经搅动,钻渣就很快被循环介质携带出孔外,因此井壁几乎没有泥皮,便于洗井。缺点是钻进深度受限制,而且不适用在坚硬的地层中施工。
回灌井成井工艺是钻进成孔之后的主要工艺,包括扫孔(扫去井壁泥皮)、冲孔(冲净井内泥砂岩屑)、换浆(把井内浓泥浆稀释)、下管、填砾、止水、洗井等工序。除止水外,这些工序对回灌井的回灌效果均会造成不同程度的影响,不同成孔钻进工艺对后续成井工艺的要求也有差别。成井管材可采用钢管、铸铁管、钢筋混凝土管、混凝土管、U-PVC塑料管等几种,滤水管也是相应的材质。受管材材料强度的限制,滤水管的开孔率各不相
管材类型 | 钢管 | 铸铁管 | 钢筋混凝土管 | 混凝 土管 | 塑料管 |
---|---|---|---|---|---|
开孔率/% | 25~30 | 20~25 | 5~15 | 5~10 | 5~10 |
通过以上对比可以看出,钢管开孔率最大,滤水管相同长度的情况下过水效果最好。混凝土管、塑料管的开孔率最小,单位长度过水效果也最差。在抗腐蚀性能方面,钢管的抗腐蚀性最差,铸铁管是弱抗腐蚀性,钢筋混凝土管、混凝土管的抗腐蚀性强,地下水对塑料管则基本没有腐蚀性。对于200 m深度的回灌井,铸铁管质量大,不利于施工,很少被采用。普通混凝土管的强度满足不了100 m管自身重力的要求,深度>100 m时需要用钢筋混凝土管,管节之间采用焊接方式连接。U-PVC塑料管抗腐蚀性强,据调查其最大成井深度可达400 m,只是滤水管的开孔率偏小,下管时还需要采取有效抗浮措施。
泥浆护壁正循环是利用钻头转动破碎岩土体,通过泥浆循环将破碎物排出井外,钻进深度可以通过调整钻机、泥浆泵的功率完成,井深基本不受限制。井径800 mm、深度200 m的回灌井在任何地层条件下都可以顺利完成。由于在钻进过程中为保持孔壁稳定需要泥浆护壁,一般泥浆密度≮1.25 g/L,成孔后需要进行换浆,将稠泥浆置换成稀泥浆,泥浆密度≯1.15g/L时才能下管。下管后要反复冲孔,确保井壁、井底的泥块和沉渣被清除后,才能实施投滤料等后续工序。
泵吸反循环是靠离心泵的作用实施排渣。在郑州市东部新城区,井径800 mm的回灌井140 m深度范围内钻进效率非常高,24 h即可完成。钻至140 m后受泵吸工作原理的制约,泵吸方式排渣非常困难,井底部土层扰动严重,进尺缓慢,而且经常出现井壁坍塌现象。根据统计,泵吸反循环在东部新城区的最大钻进深度为195 m,最佳钻进深度是140 m。西部新城区50 m以深地层局部钙质结核富集,甚至胶结成层,泵吸反循环施工进尺缓慢,需要采用冲击或其他方式破碎钙质结核层。在没有钻探进尺情况下的反复抽吸,易造成钙质结核层上部的软地层坍塌。泵吸反循环施工直径800 m的回灌井深度可以达到120 m左右,效率非常低,并需要辅助冲击钻进的组合式钻进工艺才能顺利完成。
冲击钻进是依靠冲击破碎岩土成孔,施工中冲击振动会影响井壁的稳定。在易坍塌的砂层钻进时,要按照1∶1投入粘土,用冲击锥以小冲程(500 mm)反复冲击,使井壁形成均匀的泥膏层,发挥护壁作用。遇到流沙或厚层砂卵石层时,需要增加粘土用量,加大泥浆浓度,以保证井壁稳定。在实施刷孔、换浆、冲孔过程中,经常会出现井壁坍塌现象。为保证回灌效果,下管前需要刷孔以破除井壁的泥皮,并实施换浆、冲孔等工序,成井后需要采用空压机震荡、深井泵等多种方法联合洗井。井壁泥皮不易排出时,还要采用活塞洗井、化学洗井等其他方法联合进
在郑州市西部新城区、东部新城区同一场地分别施工2眼抽水/回灌试验井,同一区域的井径、深度及井身结构均相同,分别采用泥浆护壁正循环和泵吸反循环2种工艺施工。试验井深度西部新城区为150 m,东部新城区为120 m;其余成井参数相同,孔径700 mm、下Ø360 mm钢管,滤水管长度45 m,滤料为1~3 mm的优质石英砂,成井完成、洗井达到水清砂净的标准后,分别进行抽水、回灌试验,结果见
场 地 | 施工 工艺 | 井深/m | 含水层 | 静水位/m | 抽水试验 | 回灌试验 | 单位出水量/[ | 单位灌水量/[ | |||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
岩性 | 厚度/m | 水位变幅/m | 出水量/( | 水位变幅/m | 回灌量/( | ||||||
西部新城区 | 正循环 | 150 | 细砂、粉砂 | 52.0 | 45.1 | 25.0 | 50.0 | -42.7 | -31.0 | 2.00 | 0.73 |
反循环 | 13.2 | 55.0 | -39.5 | -38.0 | 4.17 | 0.96 | |||||
东部新城区 | 正循环 | 120 | 细砂、中粗砂 | 50.0 | 5.6 | 4.71 | 73.4 | -5.5 | -57.1 | 15.59 | 10.39 |
反循环 | 2.15 | 57.1 | -2.9 | -73.4 | 26.59 | 25.62 |
通过对比试验结果可以看出:郑州东部新城区与西部新城区试验井的单位出水量、单位灌水量差别非常大,而且采用不同施工工艺的单位出水量、单位灌水量差别也较大。如

图3 不同施工方法的出水量、灌水量对比
Fig.3 Comparision of yield and recharge between various drilling processes
由于不同成井管材滤水管的开孔率不同,造成成井的回灌效果差异也比较大。在西部新城区采用冲击钻进施工3眼深度202 m的试验井,分别采用钢筋砼管、钢管和U-PVC管等3种管材,除管材外其他成井工艺和辅助材料均一样。在东部新城区采用泵吸反循环工艺施工3眼深度160 m的试验井,分别采用钢筋砼管、钢管和U-PVC管,除管材外其他成井工艺和辅助材料一样。洗井完成后进行抽水和回灌试验,试验结果见

图4 不同井管管材的的出水量、灌水量对比
Fig.4 Comparision of yield and recharge between various pipe materials
场 地 | 管材类型 | 井深/m | 含水层 | 静水位/m | 抽水试验 | 回灌试验 | 单位出水量/[ | 单位灌水量/[ | |||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
岩性 | 厚度/m | 水位变幅/m | 出水量/( | 水位变幅/m | 回灌量/( | ||||||
西部新城区 | 钢筋砼管 | 202 | 细砂、中砂、砂卵石 |
42.1 50.8 | 35.7 | 7.0 | 46.6 | -32.7 | -17.9 | 2.00 | 0.55 |
钢管 | 202 | 34.9 | 7.0 | 44.8 | -31.9 | -32.1 | 6.54 | 1.01 | |||
U-PVC管 | 202 | 42.5 | 35.4 | 7.0 | 35.6 | -34.2 | -18.9 | 5.64 | 0.55 | ||
东部新城区 | 钢筋砼管 | 160 | 粉砂、细砂、中砂 | 65.9 | 8.16 | 5.2 | 76.9 | -6.0 | -59.6 | 14.79 | 9.93 |
钢管 | 160 | 60.3 | 8.75 | 5.2 | 77.3 | -4.7 | -61.5 | 14.83 | 13.09 | ||
U-PVC管 | 160 | 56.2 | 8.21 | 5.2 | 77.1 | -6.0 | -76.9 | 14.82 | 12.82 |
试验结果和对比可以看出:在郑州西部新城区采用冲击钻成井工艺时,钢管井的单位出水量值最大,分别是U-PVC管井的1.16倍、钢筋砼管井的3.27倍。钢管井的单位回灌量也最大,是U-PVC管井和钢筋砼管井的1.84倍。U-PVC管试验井单位出水量是钢筋砼管井的2.82倍,而两者的单位回灌量却相同,分析是由于U-PVC管在回灌过程中比抽水过程的阻水效应更强所致。
在郑州东部新城区采用泵吸反循环成井工艺时,钢管井、钢筋砼管井和U-PVC管的单位出水量接近,但钢管井的单位回灌量分别是U-PVC管井、钢筋砼管井的1.02倍和1.31倍。
采用不同钻进工艺的施工效率不
编号 | 井深/m | 成孔工艺 | 管材 | 施工时间/h | 洗井方式 | |||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
成孔 | 刷孔壁 | 换浆冲孔 | 下管 | 洗井 | 总历时 | |||||
C2 | 116.0 | 正循环钻进 | 钢筋砼管 | 144 | 16 | 5 | 42 | 207 | 空压机、深井泵组合式洗井 | |
C4 | 70.0 | 48 | 8 | 3 | 36 | 95 | ||||
C5 | 70.0 | 48 | 8 | 3 | 36 | 95 | ||||
K7 | 160.0 | 反循环钻进 | 钢筋砼管 | 48 | 7 | 10 | 65 | 深井泵洗井 | ||
K8 | 161.0 | U-PVC管 | 46 | 7 | 10 | 63 | ||||
K10 | 164.0 | 钢管 | 50 | 6 | 10 | 66 | ||||
K1 | 202.0 | 冲击钻进 | 钢筋砼管 | 432 | 24 | 24 | 8 | 72 | 560 | 化学洗井、空压机、深井泵组合式洗井 |
K2 | 201.7 | 钢管 | 420 | 24 | 24 | 7 | 72 | 547 | ||
K4 | 203.0 | U-PVC管 | 480 | 24 | 24 | 8 | 72 | 608 |
通过对比可以看出:泵吸反循环的钻进效率最高,不需要刷井壁、换浆等工序,只需要冲孔清除井底沉渣,而且洗井方式简单,效率高,用时少。据统计,采用泵吸反循环24 h内可钻进至195 m,但140 m深度后钻进效率迅速降低,140~195 m需要钻进240 h,甚至更长时间。在西部新城区有多层钙质结核胶结成层,泵吸反循环要冲击等其他钻进工艺辅助才能顺利完成。采用泥浆护壁正循环工艺时,冲孔、换浆是必不可少的工序,而且洗井工艺复杂,经历时间较长。采用冲击钻进时不仅要冲孔、换浆,还要充分刷孔,破除井壁的泥皮,洗井工艺更复杂,经历时间更长。
影响回灌井回灌效果的主要因素包括含水层透水性、滤料层渗透性、钻进工艺、管材和成井质量。碎石滤料层渗透系数比含水砂层的渗透系数大得
(1)郑州市西部新城区、东部新城区的地质条件差异较大,回灌井的单位回灌量差别也较大。采用正循环钻进工艺情况下,东部新城区井单位出水量、单井回灌量分别是西部新城区的7.8倍和14.2倍;采用泵吸反循环工艺情况下,东部新城区井单位出水量、单井回灌量分别是西部新城区的6.4倍和26.7倍。从实施地下水回灌方面考虑,东部新城区开发利用浅层地热能的条件优于西部新城区。
(2)钻进工艺对回灌井的单位出水量和回灌量影响较大。东部新城区泵吸反循环施工井的单位出水量、回灌量分别是泥浆护壁正循环施工井的1.71倍和2.47倍,西部新城区泵吸反循环施工井的单位出水量、回灌量分别是泥浆护壁正循环施工井的2.09倍和1.32倍。东部新城区的回灌井应首选采用泵吸反循环钻进工艺,合理成井深度为140 m。西部新城区的回灌井深度宜确定为180 m, 采用正循环预成孔,再采用泵吸反循环方式成孔。
(3)成井管材对回灌井的单位出水量和回灌量有影响。钢管井的单位出水量值最大,分别是U-PVC管井的1.16倍、钢筋砼管井的3.27倍。钢管井的单位回灌量也最大,是U-PVC管井和钢筋砼管井的1.84倍。回灌井应优先选用钢管材质。地下水回灌不是简单的抽水逆过程,单位出水量与单位回灌量有差异,尤其是采用冲击钻进工艺、U-PVC管时差异很大,分析是由于U-PVC管在回灌过程中比抽水过程的阻水效应更强所致,各种管材的阻水效应有待进一步研究。
(4)为提高回灌井的单井回灌量,可以将井径扩大到800~1000 mm,并采用1~3 mm的优质石英砂作为滤料。必要时采取化学洗井、空压机震荡及深井泵等组合式洗井方式,确保洗井效果。
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