温泉地热资源开采‑尾水回灌系统多参数在线监测方案设计与可持续开发研究

【资料简介】

温泉地热资源开采‑尾水回灌系统多参数在线监测方案设计与可持续开发研究

摘要

温泉地热资源属于可缓慢再生的清洁能源，长期高强度开采而不实施等量尾水回灌，极易引发地下热储水位下降、温泉出水水温逐年衰减、地面沉降、热储枯竭等一系列环境地质问题。推行地热尾水回灌，维持地热采‑灌动态均衡，是实现温泉文旅项目长期可持续开发的核心路径。但回灌井运行过程中普遍存在含水层物理‑化学‑生物堵塞隐患，回灌故障隐蔽性强，传统人工巡检难以实时发现隐患。本文设计一套集深井分层测温、水位监测、流量在线监测、定期井下可视化巡检于一体的温泉地热井多参数在线监测成套解决方案，配套深井地热监测硬件、4G无线传输模块、云端管理平台，对温泉开采井、尾水回灌井温度‑水位‑流量开展7×24小时不间断实时监测；定期采用井下电视成像设备巡检回灌井筒，判断回灌水渗漏、滤水管裂隙封堵隐患；建立温泉采‑灌均衡智能预警机制。通过南方某温泉康养度假区回灌工程实例，验证该监测方案的可行性，可为温泉度假区地热资源可持续开发、地热尾水回灌工程项目建设提供完整成套监测解决方案。

关键词：温泉地热；地热尾水回灌；采灌均衡；地热多参数在线监测；温泉水位水温监测；地热环境监测；温泉可持续开发

1 引言

随着国内温泉康养产业快速发展，大量温泉地热井长期持续开采地下热水。温泉地下热水资源再生速度缓慢，如果开采量长期大于地下热水补给量，地下热储含水层水位就会逐年下降，热储温度逐步降低，最终导致温泉出水水量衰减、水温下降，温泉资源退化枯竭。地热尾水回灌技术就是将温泉利用之后降温的地热尾水，通过专门回灌井重新送回到深部热储含水层，补充地下热水储量，维持热储水位与温度稳定，是实现温泉地热资源可持续开采的核心技术手段。

近些年来，国内越来越多大型温泉度假区开始建设地热尾水回灌系统。但是尾水回灌工程在实际运行当中遇到一个突出难题：回灌井含水层堵塞。尾水当中携带悬浮物、钙离子、微生物，进入回灌滤水管之后容易发生物理淤堵、化学结垢堵塞、生物黏膜堵塞。堵塞一旦发生，回灌井回灌水量快速下降，尾水无法顺利回灌地下。回灌堵塞隐患发生在地下含水层，隐蔽性强，等到地面观测到回灌流量明显衰减时，地下堵塞问题已经比较严重，后期解堵治理难度大、费用高。传统依靠人工定期读取回灌井水位、流量的巡检方式，监测间隔时间长，很难早期捕捉堵塞隐患信号；同时无法直观查看回灌井井筒内部是否出现结垢、淤积。因此，构建一套温泉开采‑回灌系统多参数在线监测方案，实时监测开采井、回灌井温度、水位、流量动态变化，定期开展井筒可视化巡检，建立采‑灌均衡预警体系，对温泉项目可持续运营意义重大。

2 温泉采‑灌系统运行机理与回灌堵塞成因分析

2.1 温泉采灌均衡运行机理

开采井不断抽取深部热储热水供给温泉度假区使用，热水经过温泉酒店换热利用之后温度下降，形成地热尾水；尾水输送至回灌井，加压注入同一热储含水层。理想状态下，开采热水量等于尾水回灌量，热储含水层水量、温度保持动态平衡，温泉资源可以长期稳定开采。一旦回灌井发生堵塞，回灌水量减少，开采量大于回灌补给量，热储水位就会慢慢下降，破坏采‑灌平衡。

2.2 回灌井三大堵塞类型

1、物理淤堵：地热尾水里面悬浮细小泥沙、杂质颗粒，随着尾水注入回灌含水层，固体颗粒堆积在滤水管外壁和含水层孔隙当中，堵塞过水通道。

2、化学结垢堵塞：尾水温度降低，水中碳酸氢钙析出碳酸钙沉淀，附着在滤水管缝隙、含水层孔隙表面，形成水垢堵塞。化学堵塞是温泉回灌井最常见堵塞病害。

3、生物堵塞：尾水中含有微生物，在回灌滤水管温暖潮湿环境下大量繁殖，形成生物黏膜，封堵含水层孔隙。

三类堵塞大多是缓慢发展的过程，从初期轻微堵塞发展到严重堵塞，往往历时数月至一两年时间。如果能够实时连续监测回灌井水位、温度、流量数据，就可以捕捉堵塞早期异常信号，提前开展治理，避免堵塞恶化。

3 温泉开采‑回灌多参数在线监测系统总体设计

3.1 系统总体布局方案

以大型温泉度假区“多口开采井+多口回灌井”井群模式为例，监测点位覆盖全部开采地热井与尾水回灌井。每一口地热井部署一套深井分层测温‑水位在线监测设备；在尾水输送管道上安装流量传感器，监测回灌实时流量；建设云端地热监测管理平台，所有监测数据无线上传；每半年‑一年开展一次井下可视化成像巡检，检查回灌井井筒内部结垢淤积情况。

3.2 现场监测硬件配置

（1）深井分层测温水位监测单元：选用鸿鸥成运深井地热监测设备，探头下入地热井目标监测深度，7×24小时连续采集地下水位、分层温度数据；

（2）回灌管道流量监测单元：安装电磁流量传感器，实时监测尾水回灌瞬时流量、累计回灌水量；

（3）无线传输模块：4G远程数据传输，野外温泉场地无需铺设大量通信线缆；

（4）井下可视化巡检设备：选用双目/360°单目井下电视，定期下入回灌井，观测井筒滤水管段结垢、淤积情况；

（5）供电单元：市电+太阳能蓄电池双供电模式，保障野外监测设备不间断运行。

3.3 云端监测平台主要功能

云端平台实时展示开采井、回灌井水位、温度、流量监测数值，自动生成长期变化曲线；管理人员电脑、手机移动端远程查看监测数据；平台内置数据库存储多年时序监测资料；设置温泉采‑灌均衡预警阈值，当回灌流量持续下降、回灌井水位异常升高时，系统自动发送预警信息；平台同时存储历次井下电视巡检影像报告，建立回灌井井筒健康档案。

4 温泉采‑灌均衡判定方法与预警模型构建

基于多年温泉开采‑回灌工程经验，建立监测预警判定指标体系。第一，水量平衡指标：对比一段时间内温泉开采总水量和尾水回灌总水量；第二，水位指标：回灌井水位异常快速抬升，往往预示含水层出现堵塞，尾水无法顺利渗入地层；第三，温度指标：回灌井深部温度长期变化趋势；第四，流量指标：在回灌压力不变条件下，回灌瞬时流量持续缓慢下降，属于堵塞早期信号。云端监测平台对四项指标综合分析，设置三级预警等级：蓝色预警（隐患初期）、黄色预警（堵塞发展期）、红色预警（严重堵塞）。预警发出之后，运维人员及时开展井下可视化检测，查明井筒堵塞情况，提前实施解堵治理。

5 工程案例‑南方温泉度假区回灌监测项目应用

南方某大型温泉康养度假区，建设2口温泉开采井、2口地热尾水回灌井，温泉项目每年冬季进入运营高峰期，热水开采量大。项目建成初期没有部署在线监测系统，依靠人工每月读取一次回灌流量数据。运行两年之后，其中一口回灌井突然出现回灌量大幅下降，此时地下含水层堵塞已经比较严重，后期开展高压清洗解堵花费较高，并且停灌一段时间，热储水位出现小幅下降。

为解决回灌堵塞监测难题，度假区建设开采‑回灌多参数在线监测系统。在4口地热井安装深井测温水位在线监测设备，回灌管道加装流量传感器，接入云端监测平台；每年开展一次井下电视成像巡检。系统运行之后，平台监测到1号回灌井流量连续两个月缓慢下降，触发蓝色预警。运维单位第一时间下入井下电视检测，发现回灌井滤水管段出现初期碳酸钙结垢，及时开展靶向清洗，堵塞隐患顺利消除，没有发展成严重堵塞。在线监测系统成功实现回灌堵塞早期预判，保障温泉采‑灌均衡稳定运行。

6 温泉回灌监测项目实施保障建议

第一，温泉回灌监测设备应当与回灌井工程同步建设，避免后期补装设备施工困难；第二，建立在线监测+定期井下可视化巡检联合监测制度，在线监测负责实时捕捉异常信号，井下成像负责实地查看井筒病害；第三，运维人员定期分析监测数据曲线变化趋势，不能只看瞬时数值；第四，根据温泉项目开采规模、水文地质条件动态调整预警阈值。

7 结论与展望

地热尾水回灌是大型温泉度假区实现地热资源可持续开发的关键工程措施。开采‑回灌多参数在线监测系统，通过7×24小时不间断监测温度、水位、流量数据，能够早期识别回灌含水层堵塞隐患；定期井下可视化巡检直观掌握井筒健康状况；依托云端平台建立温泉采‑灌均衡预警机制，变事后抢修堵塞故障为事前隐患治理。南方温泉度假区工程案例验证了整套监测方案的实用性。随着我国温泉文旅产业向着长效可持续方向发展，开采‑回灌一体化在线监测方案将会得到越来越广泛的推广应用。

参考文献

[1] 王贵玲,蔺文静.地热尾水回灌技术发展现状与关键问题[J].水文地质工程地质,2017,44(2):1‑8.

[2] GB/T 11615‑2010,地热资源地质勘查规范[S].北京

全套汇总分类关键词

一、设备硬件类

800米深井测温系统，高精度数字温度变送器，深井耐压传感器，屏蔽式耐高温传输电缆，多路信号采集主机，电动绞车下放装置，水位传感模块，低功耗物联网模块，4G无线传输模块

二、监测技术类

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三、软件平台类

地热云监测平台，移动端小程序，无人值守在线监测，远程数据采集，温度异常AI预警，监测数据导出

四、行业应用类

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五、行业对比与技术突破类

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地热管理系统（geothermal management system）是为实现地热资源的可持续开发而建立的管理系统。

我司深井地热监测产品系列介绍：

1.0-1000米单点温度检测（普通表和存储表）／0-3000米单点温度检测（普通显示，只能显示温度，没有存储分析软件功能）

2.0-1000米浅层地温能监测（采集器采用低功耗、携带方便；物联网NB无线传输至WEB端B/S架构网络；单总线结构，可扩展256个点；进口18B20高精度传感器，在10-85度范围内，精度在0.1-0.2度）

3. 4.0-10000米分布式多点深层地温监测（采用分布式光纤测温系统细分两大类：1.井筒测试 2.井壁测试）

4.0-2000米NB型液位／温度一体式自动监测系统（同时监测温度和液位两个参数，MAX耐温125摄氏度）

5.0-7000米全景型耐高温测温成像一体井下电视（同时监测温度和视频图片等）

6. 微功耗采集系统／遥控终端机——地热资源监测系统浅层／地热管理系统（可在换热站同时监测温度／流量／水位／泵内温度／压力／能耗等多参数内容，可实现物联网远程监控，24小时无人值守）

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