破解地热回灌世界难题

开启万亿绿色市场钥匙

一、地热能开发行业痛点

1、不能等量持续回灌

国家规划十四五期间完成地热能制冷供暖面积7亿平方米，实际只完成2.5亿平方米，主要原因是现有技术不能保证井水等量回灌。为了保护地下水源，2021年12月1日开始实施《地下水管理条件》，明确规定地热能开发必须保证井水等量回灌，只取不回一律关闭，取多回少要付高额水费。利用四季恒温地下水作为水源热泵换热水源制冷制热都能获得很高能效比，至少要比空气能热泵节省50%用电，加之工程造价较低，1990～2021年水源热泵得到飞快发展，因为现有技术不能保证井水等量回灌，引起地面下沉，破坏生态环境，2010年以后各地政府开始限制采用水源热泵，不能等量回灌的不许开工。因为中深层高温地热水可以直接供暖，过去20年全国打了17000多口中深层地热井，多数只取不回，少数打了回灌井也是取多回少，山东河北不少地区中深层地下水位已经降到70～100米深，天津中深层地下水位已经降到100～170米深，为了监测地面沉降，国家投入大量资金打了很多监测井。我国建筑面积716亿平方米，需要制冷供暖建筑面积470亿平方米，目标明确市场很大，被回灌技术卡住脖子。

2、不思悔改不思进取

二十几年前华北平原中深层地下水位很浅，有的地方还有自流井，因为长期只取不回，不少地方中深层地下水位已经降到100多米深，自然回灌压力已经达到自然取水压力几倍，开口井自流回灌也能等量回灌，这是地下水位已经降得很深带来的便利，只需要解决回灌量衰减难题。在地下水位超过100米深的地方就会真空负压回灌，有人认为这是好事，其实是坏事，因为真空负压回灌就会吸入大量空气，氧化反应污染地下水源，必须改为满水微压回灌。不少人不思悔改，认为自己很有本事，为了抢工程宣称已经解决井水回灌难题，还有专家帮助说话。技术不行可以改进，不思进取才是最可怕的，能在地下水位浅的地方保证井水等量回灌才是真本事。因为不能保证井水等量持续回灌，浅层水源热泵已被政府限制使用，如果不能尽快解决井水回灌难题，中深层地热供暖迟早也会被政府限制使用。

二、现有技术难以回灌原因

1、取水回灌压力条件不同

现有技术采用开口井自流取水，完全依靠取水井里动水位下降，与地下静水位之间形成压差自流取水。取水井里动水位可以随着取水量增加降得很深，取水压力较大，所以取水比较容易。

现有技术采用开口井自流回灌，完全依靠回灌井里动水位升高，与地下静水位之间形成压差才能回灌。在地下水位浅的地方，回灌井里动水位升高条件有限，回灌压力较小，所以难以回灌。

2、取水回灌阻力条件不同

取水井取水，地下水从圆周向圆心流动，渗水面积越来越小，流速越来越快，快到一定程度就会把地下含水层里面细小泥沙浮动起来带入取水井内，改良靠近取水井的渗透流道，取水阻力较小，所以取水比较容易。

回灌井回灌，回灌水从圆心向圆周流动，堵塞物堵在井壁表面，要想打开渗透流道很难，因为越是向外过水面积越大，回灌水流速越慢推力越小，不能把堵塞物推向远处，回灌阻力很大，所以难以回灌。

3、思想认识没有到位

现有技术采用开口井回灌，完全依靠回灌井里动水位升高与地下水静水位之间形成压差才能回灌，在地下水位浅的地方回灌井里动水位升高条件有限，自然回灌压力小回灌量就小，没有充分认识必须要让回灌压力大于取水压力克服回灌阻力才能回灌。没有充分认识在地下含水层渗透系数小的地方回灌阻力很大，必须要让回灌井渗水面积达到取水井渗水面积几倍才能等量回灌。没有充分认识回灌量不断衰减主要是气体堵塞地下含水层造成的，即使认识到问题所在也没有可靠技术设备解决。没有充分认识强制井水解压脱气和充分气水分离重要性，必须保证回灌水里面不再含有气体才能持续回灌。因为现有技术设备不能解决地下含水层气堵、砂堵和氧化物微生物结晶物垢堵，为了便于经常互换抽灌回扬洗井，工程技术规范规定取水井和回灌井必须同样设计，自梱手脚不能专门设计施工回灌井，不能把回灌井渗水面积增加到取水井渗水面积几倍，导致井水不能等量回灌。

4、现有技术条件不够

现有技术都是采用开口井取水回灌，不能把井水里面水溶性气体充分解压分离出来，如果实行封闭式加压回灌地下含水层更加容易气堵。现有技术都是采用下进顶出设计的老式旋流除砂器，因为井水里面会有少量游离性气体形成气泡，加之井水经过潜水泵剧烈搅动和管路中快速流动，进入较大空间流速慢了以后也会有少量水溶性气体解压出来形成气泡，为了防止气泡聚集造成气堵，只能上进顶出设计。因为井水向上旋流，只有粗大颗粒泥砂能够依靠自身重力突破向上旋流的水流升力向下沉淀，细小泥砂都被水流带走，除砂效率很低。因为一般自动排气阀排气孔太小，容易被井水氧化物堵死不能排气，也因排气量太小，不能满足井水回灌系统大量排气需要。因为没有不怕井水氧化物堵塞排气孔的大排量单向自动排气阀可用，目前地热能开发行业所用的气液分离罐就是一个顶部装了电动阀的空罐。《砂岩热储尾水回灌技术规程》规定要在井水回灌系统里面安装容量大于1立方的气液分离罐，收集井水里面气泡，让气体聚集压迫罐内水位下降到一定位置，浮球触碰液位开关才能打开顶部电动阀排气，只能间断排气不能连续排气。现有技术缺陷很多，篇幅有限不能一一列举。

5、先进企业技术现况

目前先进企业也是采用老式回灌设备，不能强制井水解压脱气，不能充分气水分离，不能彻底解决地下含水层气堵。砂岩热储尾水回灌规程规定必须采用1立方以上容量气液分离罐在线排气，有人认为气液分离罐容量越大越好，不惜代价采用10～60立方大型气液分离罐排气，在回灌井井口向下拐弯的地方回灌水管里面还有水流噪音，说明回灌水里还有大量气泡。因为没有不怕井水氧化物堵塞排气孔的大排量单向自动排气阀可用，只能采用液位开关控制罐体顶部电动阀间断排气，依靠罐内积气压迫罐内水面下降到一定位置，浮球触碰液位开关才能排气，不能做到不间断自动排气，罐体内部水面时高时低，积气压力时大时小，气水分离效果时好时差，只能分离较大气泡，不能把井水里面水溶性气体分离出来，只能减少回扬洗井次数，不能做到不需要回扬洗井也能长久持续回灌。

三、怎样才能等量持续回灌

1、怎样保证井水等量轻松回灌

必须知道取水阻力与回灌阻力条件不同，必须要让回灌井渗水面积大于取水井渗水面积几倍，大幅度降低回灌阻力才能等量回灌。必须采用多点加压回灌设计施工方法，才能在不增加打井费用前提下大幅度增加回灌井渗水面积降低回灌阻力。必须知道取水压力与回灌压力条件不同，取水井里动水位可以随着取水量增加降得很深，回灌井里动水位升高条件受到地下水位限制，在地下水位浅的地方必须实行封闭式加压回灌，才能按照需要提高回灌压力增加回灌量。必须知道回灌压力与回灌井渗水面积是互补关系，要想减少打井费用就要实行封闭式加压回灌提高回灌压力，要想降低加压泵电费就要增加回灌井渗水面积降低回灌阻力。必须知道不同地质条件下等量回灌倍数条件参数，必须学会根据试抽水成果表计算加压回灌压力计算方法，将估算改变为精算，才能保证井水等量轻松回灌。

2、怎样保证井水长久持续回灌

必须知道回灌量与地下含水层渗透系数成正比，与回灌压力成正比，与地下含水层渗水面积成正比，与回灌阻力成反比。地下含水层孔隙率和渗透系数是天然形成的，不能人为改变，我们可以做的工作一是要将开口井自流回灌改变为封闭式加压回灌，才能在地下水位浅的地方让回灌压力大于取水压力，才能根据需要提高回灌压力增加回灌量。二是要将大管井大流量集中回灌，改变为大面积小流量多点加压回灌，在不增加或者少增加打井费用前提下把回灌井渗水面积增加几倍，大幅度降低回灌阻力增加回灌量。三是必须保证回灌井和地下含水层畅通，严格防止地下含水层发生气堵、砂堵和氧化物微生物结晶物垢堵，必须采用一整套强制井水解压脱气、充分气水分离、严格过滤一整套高效除气除砂设备，形成只能出气不能进气的全封闭取水回灌系统，保证井水从取出来到回灌地下全过程不与外面空气接触，严格防止井水氧化反应，才能保证井水长久持续回灌。

四、等量持续回灌技术研发过程

发明人丁祥1954年出生于江苏省南通市如皋市长江镇，1973年从事技术工作，1989年获得工程师职称，1992年获得高级工程师职称，1993年获得南通市明星企业家称号。为了解决封闭式加压回灌地下含水层气堵难题，1993年发明了不怕井水氧化物堵塞排气孔的大排量单向自动排气阀，解决了一般自动排气阀排气孔太小容易被井水氧化物堵塞不能排气，不能用于取水回灌系统大量排气难题，1999年申报《井水空调器的气水分离器》实用新型专利。为了解决南通地区地下水位只有1～2米深没有自然回灌压力，加之地下细砂含水层渗透系数小回灌阻力大不能回灌难题，发明了采用很多小管井多点加压微量注灌，保证井水等量轻松回灌设计施工方法，2000年申报《一种井水空调器》实用新型专利。为了解决中深层砂岩热储等量回灌难题，发明了在地下含水层里面打分支井，公用一个竖井多点加压回灌设计施工方法。为了解决回灌量衰减难题，严格防止地下含水层发生气堵、砂堵和氧化物微生物结晶物垢堵，发明了真空负压取水强制井水解压脱气、充分气水分离、严格过滤一整套高效除气除砂设备。2018年申报《一种地源热泵封闭式等量取水还水系统》发明专利，2020年获得国家知识产权局授权。2021年申报《地热站等量持续回灌系统设计施工方法》发明专利，2024年获得国家知识产权局授权。

五、等量持续回灌系统原理方法

1、等量持续回灌系统原理构成

2、等量持续回灌设备工作原理

（1）真空负压机组

采用带恒温冷却水箱的真空负压机组针对取水井里动水位以上空间连续不断抽真空，极限真空度可以抽到-0.09MPa，因为井水里面有水溶性气体不断解压出来，实际真空度抽到-0.05MPa左右比较经济。少量不溶解于水的气体随着地下水在取水井里上升压强降低，首先解压出来变成气泡上浮，也有少量水溶性气体经过潜水泵剧烈搅动和管路中快速流动，也能解压出来变成气泡上浮，还有大量水溶性气体必须采用真空负压机组针对取水井里抽真空，依靠真空负压把嵌在水分子里面的水溶性气体解压出来变成气泡上浮，真空负压机组是强制井水解压脱气的关键设备。

（2）气水分离除砂器

老式旋流除砂器没有自动排气功能，为了防止气体聚集造成气堵，只能上进顶出设计，让井水里面解压出来的气泡随着井水从顶部带走。因为井水向上旋流，只有较大颗粒泥砂能够依靠自身重力突破向上旋流的水流升力向下沉淀，细小泥砂都被水流带走，除砂效率很低。我们在旋流除砂器顶部专门设计安装了帽子形气水分离器，能把井水里面解压出来的气泡及时收集分离出来，从而可以改进为上进下出设计。井水向下旋流，引导细小泥砂向下旋流沉淀，再经过内置的正反漏斗过滤器严格过滤泥砂，过滤精度50um，大幅度减轻后面中效、高效过滤器负担。正反漏斗过滤器具有自冲洗功能，不易积饼，过滤阻力较小，充分气水分离、高效旋流沉淀和严格过滤泥砂一机三用。为了方便快速更换正反漏斗过滤器，在顶盖下面设有快速拆卸法兰，设有平稳轻松操作的顶盖提升旋转机。

（3）中效、高效过滤器

目前多数企业还是采用袋式过滤器和喷绒滤棒过滤器，静态过滤容易积饼阻力很大，少数企业开始采用折叠式大通量滤芯过滤器，又因滤芯数量太少阻力很大。我们采用气水分离除砂器高效旋流沉淀泥砂，再用内置的正反漏斗过滤器严格过滤泥砂，具有自冲洗功能不会积饼，过滤阻力很小，初效过滤50um，再用10～20um中效过滤器和3～5um高效过滤器分级过滤，阻力很小，大幅度延长滤芯更换周期。按照额定流量1.5倍配置滤芯，增加滤芯数量加大过滤面积降低过滤阻力。设有快速拆卸法兰和平稳轻松操作的顶盖提升旋转机，可以快速更换滤芯，不需要一用一备双重投资。顶部设有帽子形气水分离器，利用过滤器巨大桶体变成巨大气水分离器。

（4）小型气水分离器

小型气水分离器是一种只排气不排水，不怕井水氧化物微生物堵塞排气孔的大排量单向自动排气阀，解决了一般自动排气阀排气孔太小，容易被井水氧化物微生物堵塞不能排气，不能用于取水回灌系统难题。同时因为一般自动排气阀排气孔太小排气量太小，不能满足取水回灌系统大量排气需要。在封闭式加压回灌井口和回灌水管最高点安装小型气水分离器自动排气，不仅能够有效防止残余气体进入地下，同时因为小型气水分离器排气量巨大，能够满足潜水泵供水初期快速排气需要，防止把大量空气强制回灌地下发挥重要作用。在所有除砂过滤桶体设备最高点安装小型气水分离器自动排气，能让所有除砂过滤桶体设备都有气水分离功能。

六、全程指导工程设计施工

我与不少地质设计院和暖通设计院打过交道，发现地质设计院专家对地上暖通设计不懂，暖通设计院专家对地下打井设计不懂，各做各的做不好设计，花了许多怨枉钱，解决不了问题。按照他们老思想、老习惯做出来的设计，不是有利于回灌，而是不利于回灌，需要一个既懂地上工程设计又懂地下工程设计的人先做规划设计，再让他们专业设计。本人研究井水等量持续回灌和暖通设计施工几十年，对浅层和中深层地热能开发取水回灌系统每个细节都研究透了，希望与实施能力强的公司技术合作，利用本人保证井水等量持续回灌理论和实践经验，从可研报告、地质设计、暖通设计、机房设计、计量监控，到恒流量变频调速加压回灌稳定回灌全程指导，才能取到好的效果。

七、回灌技术万亿市场解析

1、水源热泵

地下岩土温度不受大气环境温度影响，赋予地下水四季恒温特点，浅层地下水温度适中，是水地源热泵理想的换热水源，制冷制热都能获得很高能效比。在夏季炎热和冬季寒冷的地区，要比空气能热泵制冷制热能效比成倍提高，与浅层垂直埋管地源热泵相比至少提高30%能效比，降低50%造价。最重要的是利用四季恒温地下水作为换热水源制热，可以解决北方严寒地区冬季不能使用空气源热泵供暖难题。因为浅层井水源热泵制冷制热能效比高，工程造价低，1990～2010年浅层水源热泵飞快发展，因为不能保证井水等量回灌，只取不回和取多回少，导致地下水位下降，引起地面下沉破坏生态环境。为了保护地下水资源，2010年以后各地政府限制采用浅层井水源热泵，不能保证等量回灌的项目不许开工。我国大江大河冲积平原都是人口密集地区，井水源热泵制冷供暖市场非常大，大江大河冲积平原地下水位浅，地下都是渗透系数小的细砂含水层，回灌阻力大，回灌条件差，迫切需要采用等量持续回灌技术解决回灌难题。等量持续回灌技术特别适合在地下水位浅和渗透系数小的细砂含水层里面等量取水回灌，是低成本高效率大规模可持续应用水源热泵制冷供暖关键技术。2024年我国需要制冷供暖建筑面积470亿平方米，只要其中100亿平方米采用水源热泵制冷供暖，每平方造价50元计算就有5000亿元工程。

2、地热供暖

2024年我国建成14000口中深层地热井，2025年新增3800口，达到17800口中深层地热井。采用打井水取水回灌方式开采利用地热能具有效率高、造价低优点，但是存在井水回灌难题，国家鼓励采用垂直埋管换热方式提取地热，获得同样多的热量情况下垂直埋管地下工程造价是打井取水回灌十倍，换热效率低、工程造价高，民用工程用不起，制约了地源热泵大规模应用发展。等量持续回灌技术是低成本高效率大规模可持续开发地热能的核心关键技术，本人愿意与实施能力强的公司技术合作，全程指导工程设计施工，打破回灌技术瓶颈。全国需要供暖的建筑面积300亿平方米以上，其中集中供暖面积就有150亿平方米，目前所有供热公司亏损严重，迫切需要采用新能源替代供暖，只要其中100亿平方米采用中深层地热供暖，每平方造价50元计算就有5000亿元工程。

3、油气开采

我和石油设计院几位专家交流等量持续回灌设计施工方法以后，设计院院长说我的回灌技术非常好，不仅可以解决地热能开发井水回灌难题，也能解决油气开采尾水回灌难题，同样需要解决回灌井气堵、砂堵和氧化物微生物结晶物垢堵。2023年全国有22万口油气井，2024年新增1.3万口油气井，2025年达到25万口油气井，2030年超过30万口油气井。按照30口油气井配套一口回灌井计算，至少要打1万口回灌井。因为我国油气层埋藏较深，油气井打得深，为了保证同层回灌，回灌井也要和油气井同样深度，打井费用较高，一个回灌系统工程造价1000万元计算就有1000亿元工程，更重要的是保护地下水资源，利在当代功在千秋。

4、防治沉降

全国现有7.9万平方公里累计沉降超过200毫米，被列为监测治理范围，主要分布在华北平原、长江三角洲和汾渭盆地，覆盖50几个城市，都是因为超量开采地下水引起的。国家已经立法严禁超采地下水，监测治理也已取到阶段性成果。上海市1965年沉降峰值105毫米，1966年开始人工回灌，1966年到2011年48年间累计沉降29厘米，成效十分显著，形势仍然严峻。上海市2015年平均海拔高度只有2.15米，过去20年长江口海平面年平均上升5毫米，市中心已经累计沉降1.69米。华北平原是中国地面沉降最严重区域，天津市中心累计沉降3.25米，人工回灌以后年沉降速率已经降到5.23毫米。现在人工回灌都是采用大管井大流量高压回灌，上海天津浅层都是细砂含水层，渗透系数小回灌阻力大，回灌量小水泵耗能高，采用大管井回灌打井费用高，每平方公里人工回灌造价500～800万元，改用小管井多点加压回灌可以大幅降低工程造价，同时因为多点加压回灌阻力小不需要很高回灌压力，可以大幅降低水泵用电。每平方公里工程造价400万元计算，7.9万平方公里就有3160亿元工程。

八、给投资方和技术决策者的一封信

等量持续回灌技术经过三十几年不断实践不断改进完善已经非常成熟，获得多项国家发明专利，从根本上解决了长期困扰全球地热能开发行业的井水回灌难题。本技术不是单一设备创新，而是涵盖地热能开发工程设计施工理论和全套回灌设备制造安装使用系统解决方案，其价值远超一般发明专利，是打开浅层和中深层地热能开发，以及油气开采和防治地面沉降四大领域万亿市场的钥匙。已经编写完成八大章二百多页培训材料，详细讲解保证井水等量轻松回灌设计施工方法，详细讲解保证井水长久持续回灌设计施工方法，具有很强的可操作性。三十几年来已在全国各地各种水文地质条件下成功实施很多工程，实践证明只要能够取到水的地方就能保证等量持续回灌，具有很强的可复制性。有意整体打包技术转让或者技术合作，趁我现在年纪不大精力充沛，协助实施能力强的公司把这项技术推广开来发挥应有价值。

编写人：南通长江春风技术服务有限公司高级工程师丁祥

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2026年4月12日