基于數(shù)字孿生的中深層地熱井全生命周期運維管理平臺開發(fā)研究

摘要

傳統(tǒng)地熱井運維模式采用紙質(zhì)臺賬存檔、各類監(jiān)測設(shè)備數(shù)據(jù)相互獨立、井筒檢測資料零散保存的粗放式管理方式，井筒腐蝕狀態(tài)、濾水管堵塞程度、地層水文動態(tài)參數(shù)、熱泵機組運行工況等多維度數(shù)據(jù)無法聯(lián)動分析，運維人員只能在地熱井出現(xiàn)出水流量衰減、水溫驟降、管路破裂等突發(fā)故障后開展被動搶修，無法提前預(yù)判井筒、地層長期病害演化趨勢。本文基于數(shù)字孿生技術(shù)，構(gòu)建與實體地熱井一一映射的三維虛擬鏡像運維平臺，集成井下高清成像歷次井筒內(nèi)窺影像、地層高溫水位與溫度長期時序監(jiān)測數(shù)據(jù)、熱泵機組運行參數(shù)、井筒維保檢修臺賬、區(qū)域地質(zhì)水文檔案多源信息，實現(xiàn)井筒內(nèi)壁腐蝕缺陷可視化仿真推演、地層溫度水位演化趨勢預(yù)測、設(shè)備故障仿真模擬預(yù)警功能。運維管理人員可在虛擬平臺完成地熱井健康狀態(tài)綜合評估、病害演化趨勢預(yù)判、維保方案仿真模擬推演，真正實現(xiàn)地熱井從鉆探投產(chǎn)、長期服役運行直至報廢關(guān)停的全生命周期數(shù)字化主動運維，大幅降低地熱井突發(fā)性重大故障概率，延長地熱井筒整體服役壽命，顯著降低地熱項目大修與報廢經(jīng)濟損失。

關(guān)鍵詞：數(shù)字孿生；地熱井運維；全生命周期；三維可視化；故障預(yù)警；地層演化仿真

一、引言

中深層地熱井作為地熱供暖項目的核心熱源設(shè)施，投資成本高、鉆探施工周期長，一旦井筒出現(xiàn)嚴重腐蝕穿孔、濾水管大面積堵塞、地層熱失衡等不可逆病害，地熱井將直接報廢，前期數(shù)百萬鉆探投資付諸東流。目前絕大多數(shù)地熱項目運維管理體系較為落后，各類監(jiān)測系統(tǒng)彼此獨立形成“數(shù)據(jù)孤島"：井下電視成像拍攝的井筒內(nèi)壁影像存儲在硬盤中，僅在檢修時臨時調(diào)??；地層水位、溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)單獨存儲在監(jiān)測終端平臺；熱泵機組運行參數(shù)、維保記錄以表格、紙質(zhì)臺賬形式存檔。運維人員難以把井筒內(nèi)壁腐蝕變化、地層水文動態(tài)、機組運行負荷三者建立關(guān)聯(lián)邏輯，無法分析病害形成的深層誘因以及未來發(fā)展趨勢，運維工作始終處于“故障發(fā)生后補救"的被動狀態(tài)。

地熱井的病害均存在較長時間的演化周期：井筒點蝕從微小蝕坑擴展為穿透性孔洞需要數(shù)年時間；濾水管堵塞是地層礦物質(zhì)逐年析出、介質(zhì)裹挾泥沙持續(xù)淤積形成；地層水位逐年下降、溫度衰減也是連續(xù)漸變過程。如果能夠?qū)Φ責峋黜椷\行數(shù)據(jù)進行整合、三維可視化建模、演化趨勢仿真，就可以提前識別各類病害萌芽狀態(tài)，采取預(yù)防性維保措施，避免不可逆重大故障。數(shù)字孿生技術(shù)可以實現(xiàn)物理實體與虛擬鏡像實時數(shù)據(jù)聯(lián)動，適配地熱井全生命周期運維管理需求，打通多類異構(gòu)監(jiān)測數(shù)據(jù)，實現(xiàn)主動式預(yù)測性運維。

二、地熱井傳統(tǒng)運維模式的主要短板

第一，多源數(shù)據(jù)碎片化孤立。井筒成像影像、地層監(jiān)測數(shù)據(jù)、機組運行臺賬分屬不同存儲載體，無法橫向?qū)Ρ葰v年井筒腐蝕變化與地層水位變化之間的關(guān)聯(lián)規(guī)律，難以定位病害根源。

第二，病害預(yù)判能力缺失。僅依靠定期人工檢測，兩次檢測周期之間的病害快速發(fā)展無法被捕捉，微小腐蝕點、泥沙淤積會在檢測間隔期快速發(fā)展為重大故障。

第三，維保方案缺乏仿真驗證。井筒大修、濾水管清洗等維保方案只能現(xiàn)場施工驗證，方案不合理會造成二次損傷井筒結(jié)構(gòu)，施工風險高。

第四，地熱井生命周期檔案。從鉆井階段的地層柱狀圖、管材參數(shù)、防腐工藝，到運行階段歷次檢修記錄無法形成連貫檔案，地熱井臨近服役末期時，無法科學判定井筒剩余使用壽命，只能盲目繼續(xù)運行或提前關(guān)停。

三、地熱井數(shù)字孿生運維平臺整體架構(gòu)設(shè)計

平臺分為物理實體感知層、數(shù)據(jù)中臺層、虛擬孿生仿真層、運維應(yīng)用功能層四大層級。

物理實體感知層包含三大類硬件設(shè)備：HO系列井下高清成像系統(tǒng)（定期開展井筒內(nèi)壁掃描成像）、地層高溫多參數(shù)水位溫度監(jiān)測終端（7×24小時不間斷采集地層水文時序數(shù)據(jù)）、熱泵機組電控采集模塊（采集機組負荷、換熱效率、啟停狀態(tài)），將地熱井物理運行狀態(tài)實時傳輸至后臺數(shù)據(jù)中臺。

數(shù)據(jù)中臺層完成異構(gòu)數(shù)據(jù)標準化處理，建立統(tǒng)一地熱井數(shù)據(jù)庫，存儲鉆井地質(zhì)檔案、管材防腐參數(shù)、歷年維保記錄、歷次井筒成像影像、地層監(jiān)測時序數(shù)據(jù)、機組運行歷史數(shù)據(jù)，打通數(shù)據(jù)孤島，實現(xiàn)所有歷史數(shù)據(jù)可回溯、可聯(lián)動調(diào)取。

虛擬孿生仿真層構(gòu)建地熱井三維精細化模型，包含井筒套管結(jié)構(gòu)、不同地層巖層分布、濾水管位置、井下監(jiān)測設(shè)備點位。將實時感知數(shù)據(jù)映射至三維模型上，直觀展示井筒內(nèi)壁腐蝕點位大小、濾水管堵塞區(qū)域、地層不同深度溫度水位變化；依托歷史時序數(shù)據(jù)建立演化仿真算法，預(yù)測未來1~3年井筒腐蝕擴展趨勢、地層水位水溫變化、濾水管淤積速率。

運維應(yīng)用功能層面向運維人員開放四大功能模塊：地熱井健康綜合評估模塊、病害預(yù)警推送模塊、維保方案仿真推演模塊、全生命周期壽命評估模塊。平臺自動根據(jù)仿真結(jié)果對地熱井健康等級分級，對高風險病害推送維保預(yù)警；運維人員可在虛擬三維井筒中模擬井下清洗、局部防腐修復(fù)等維保操作，驗證方案可行性，規(guī)避現(xiàn)場施工風險；結(jié)合管材老化程度、腐蝕演化趨勢評估井筒剩余服役壽命，為地熱井報廢、改造提供數(shù)據(jù)依據(jù)。

四、平臺在地熱井運維中的應(yīng)用成效

將該數(shù)字孿生運維平臺應(yīng)用于華北三座中深層地熱供暖地熱井進行為期一年試運行。平臺整合了三年以來的井筒成像影像、地層監(jiān)測歷史數(shù)據(jù)，通過三維仿真精準發(fā)現(xiàn)兩處井筒微小點蝕區(qū)域以及濾水管局部泥沙淤積隱患，并預(yù)判點蝕會在兩年內(nèi)發(fā)展為穿孔故障。運維人員提前開展井下局部防腐修復(fù)與濾水管沖洗作業(yè)，規(guī)避了井筒破裂重大故障；同時根據(jù)地層溫度水位演化趨勢，優(yōu)化地熱井取熱與回灌運行策略，減緩地層熱量消耗，地熱井出水溫度衰減速率下降60%。

從檔案管理層面，地熱井從鉆井施工到后期運維形成完整數(shù)字化生命周期檔案，運維管理人員可以隨時調(diào)取任意時間段井筒狀態(tài)、地層參數(shù)、機組運行情況，為地熱井長期運維策略制定提供完整數(shù)據(jù)支撐。運維模式由以往故障搶修式被動運維轉(zhuǎn)變?yōu)樘崆案深A(yù)的預(yù)測性主動運維，地熱井突發(fā)大修次數(shù)大幅下降，井筒綜合服役壽命得到延長。

五、平臺局限性與后續(xù)優(yōu)化方向

現(xiàn)階段平臺局限在于：地熱井深部巖層地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，地層內(nèi)部地質(zhì)突變無法依靠表層監(jiān)測數(shù)據(jù)精準仿真；井下成像檢測為周期性檢測，兩次檢測間隔期間井筒內(nèi)壁突發(fā)腐蝕無法實時可視化。

后續(xù)優(yōu)化方案：增加分布式井下光纖傳感系統(tǒng)，實現(xiàn)井筒內(nèi)壁結(jié)構(gòu)全時段應(yīng)力、溫度監(jiān)測，補充兩次成像檢測的空檔期監(jiān)測盲區(qū)；接入?yún)^(qū)域地質(zhì)水文氣象大數(shù)據(jù)，將區(qū)域地下水徑流變化納入地層演化仿真模型，提升地層參數(shù)預(yù)測精度；開發(fā)移動端運維APP，實現(xiàn)管理人員遠程查看孿生模型、接收病害預(yù)警，隨時隨地掌握地熱井健康狀態(tài)。

六、結(jié)論

中深層地熱井投資高昂、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、病害演化周期長，傳統(tǒng)碎片化、被動式運維管理模式難以保障地熱井長期服役安全，極易因微小病害逐步演化造成井筒報廢的重大經(jīng)濟損失。數(shù)字孿生運維平臺通過構(gòu)建地熱井三維虛擬鏡像，打通井筒成像檢測、地層長期監(jiān)測、機組運行、維保臺賬等多源異構(gòu)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)物理地熱井運行狀態(tài)向虛擬空間的實時映射，依靠時序歷史數(shù)據(jù)開展井筒腐蝕、地層水文演化仿真預(yù)測，能夠提前識別萌芽階段的各類病害風險，支持維保方案仿真推演驗證，實現(xiàn)地熱井全生命周期預(yù)測性數(shù)字化運維管理。

試運行地熱井項目證明，該平臺可以顯著降低地熱井突發(fā)性重大故障概率，延緩井筒腐蝕老化速度、減緩地層熱失衡進程，延長地熱井整體服役年限，同時建立完整可追溯的地熱井生命周期數(shù)字化檔案，為地熱井運維策略優(yōu)化、報廢改造提供科學的數(shù)據(jù)支撐。在地熱供暖規(guī)?；l(fā)展的大背景下，基于數(shù)字孿生的地熱井運維平臺是地熱行業(yè)運維管理數(shù)字化轉(zhuǎn)型的重要工具，能夠大幅提升地熱項目運行安全性與長期經(jīng)濟效益，具備大規(guī)模推廣應(yīng)用的價值。

中深層地熱井高溫多參數(shù)感知設(shè)備行業(yè)關(guān)鍵詞匯總

一、核心產(chǎn)品主詞

中深層地熱監(jiān)測設(shè)備、高溫多參數(shù)感知設(shè)備、地熱井高溫傳感器、地熱成套監(jiān)測系統(tǒng)、地熱井在線監(jiān)測裝置、高溫水位監(jiān)測儀、地熱井多參數(shù)采集設(shè)備、地熱井下感知系統(tǒng)、地熱井傳感監(jiān)測成套設(shè)備

二、細分監(jiān)測參數(shù)關(guān)鍵詞

高溫水位傳感器、井下溫度探頭、地層壓力監(jiān)測、采灌流量監(jiān)測、回灌流量采集、水位水溫一體化探頭、高溫壓力變送器、地熱多參數(shù)同步采集、儲層動態(tài)監(jiān)測

三、產(chǎn)品工況與性能特征

耐高溫傳感、80-135℃高溫探頭、鈦合金防腐探頭、特氟龍防結(jié)垢、高礦化度適配、深井高壓傳感、厘米級測量精度、長期駐井監(jiān)測、微功耗采集、防腐蝕井下傳感、高穩(wěn)定性高溫傳感

四、硬件配套組件

多參數(shù)采集終端、RS485采集模塊、Modbus通訊、4G/5G無線傳輸、耐高溫信號線纜、井口密封組件、太陽能供電模塊、井下保護套管、數(shù)據(jù)存儲終端、物聯(lián)網(wǎng)傳輸單元

五、軟件平臺系統(tǒng)

地熱云監(jiān)管平臺、地熱資源智慧監(jiān)測系統(tǒng)、地下水動態(tài)監(jiān)管平臺、多部門數(shù)據(jù)對接、水位趨勢分析、多級閾值預(yù)警、監(jiān)測報表自動生成、碳減排數(shù)據(jù)臺賬、全域地熱數(shù)字化管控平臺

六、應(yīng)用場景與井型

中深層水熱型地熱井、地熱供暖井、地熱回灌井、地熱群井開發(fā)、縣域集中供熱項目、復(fù)合熱泵地熱場站、CCER地熱碳減排項目、地熱示范工程、存量地熱井改造、新建地熱井配套、干熱巖試驗井

七、政策與行業(yè)規(guī)范

地熱資源監(jiān)測規(guī)范、采灌均衡管控、地下水保護、地熱取水許可、清潔供暖改造、雙碳戰(zhàn)略、碳減排核查、地質(zhì)災(zāi)害防控、地面沉降監(jiān)測、地熱項目環(huán)保驗收、全域地熱監(jiān)管、可再生能源監(jiān)測標準

八、市場規(guī)模與行業(yè)賽道

地熱監(jiān)測設(shè)備市場、地熱傳感細分賽道、存量井改造市場、新建地熱增量市場、政府集采、進口替代、國產(chǎn)高溫傳感設(shè)備、地熱裝備高景氣賽道、設(shè)備運維售后市場

九、行業(yè)價值與需求痛點

采灌平衡管控、儲層水位監(jiān)測、防止地層串層、保護深井熱水泵、降低運維成本、規(guī)避超采處罰、消除人工監(jiān)測數(shù)據(jù)斷層、替代人工測井、地熱資源可持續(xù)開發(fā)、零碳供熱配套監(jiān)測

十、區(qū)域市場關(guān)鍵詞

京津冀地熱市場、山西地熱供暖、山東地熱監(jiān)測、陜西關(guān)中地熱田、河南中原地熱、雄安地熱示范項目、西安全域地熱改造、北方清潔供暖片區(qū)

地熱井高溫水位監(jiān)測方案

一：項目要求：

近日中石油和中石化地熱能單位，向我司咨詢地熱井高溫水位監(jiān)測方案，要求如下：地熱溫度100℃左右，氯離子20000毫克/升、線纜長度100米PH值5～6，腐蝕性強，礦化度也比較高，目前河南地區(qū)使用，請大家評估預(yù)算。線纜進入井中長度100左右，然后地面50—60米進入控制室，按照200米線纜設(shè)計。綁在泵管，冬季供暖、夏季制冷監(jiān)測液位。

地下熱水測量液位，由于安裝不便，井下有熱氣，因此手用雷達或者超聲波液位計都難以解決液位測量問題。

二：應(yīng)用領(lǐng)域圖

地熱井   溫泉水等

三：壓力傳感器設(shè)計以及外殼

壓力傳感器我司專門設(shè)計研發(fā)，采用新型絕緣硅技術(shù)以及耐高溫傳感器內(nèi)部填充液，產(chǎn)品可在-45℃----﹢150℃內(nèi)可靠工作，能夠在-25℃--100℃內(nèi)長期承受高溫濕熱環(huán)境。

傳感器外殼采用316L不銹鋼材質(zhì)設(shè)計，能夠承受水中CL-離子和安裝現(xiàn)場PH小于5-6的耐酸性水的侵蝕以及PH大于8耐堿性的水的侵蝕，同時采用傳感器全焊接型結(jié)構(gòu)，安全可靠，避免有機物密封材料長期工作時老化實效導(dǎo)致傳感器簡介損壞。

壓力傳感器尺寸：

實物圖：

四：傳感器電路設(shè)計特殊要求

傳感器采用標準的模擬信號4-20mA輸出   傳輸距離抗干擾型好，普通的液位傳感器電路無法滿足高溫工作環(huán)境，只能在-25-85度范圍下工作，電路板上器件包含PCB板材料都僅能在一般工藝場合下使用，我們先用-55-150度范圍工作的工業(yè)級器件  進行精密補償，可以有效避免高溫對電路板以及元器件的損害。高溫型電路板現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于航海領(lǐng)域  地熱探究等項目。

高溫測試試驗圖設(shè)備：

特殊電纜設(shè)計

電纜采用特殊耐高溫  耐腐蝕的PTFE特殊線纜，線纜由由外皮和內(nèi)芯外皮組成，中間加有2芯鋼絲，內(nèi)置特殊出氣管，不會由于長期的拉力或者濕氣等導(dǎo)致線纜外徑發(fā)生變化。

特殊PTFE俗稱鐵氟龍、特氟龍、泰富龍。它是由四氟乙烯經(jīng)聚合而成的高分子化合物，具有優(yōu)良的化學穩(wěn)定性、耐腐蝕性、密封性、高潤滑不粘性、電絕緣性和良好的抗老化耐力。能在+260度至-196度的溫度下連續(xù)工作。廣泛應(yīng)用于化工、電子 、電器在，橋梁、紡織、機械和通迅設(shè)備行業(yè)。

特殊PTFE線纜特性

1.耐腐蝕性：PTFE幾乎不受任化學藥品與溶劑的腐蝕，可以保護零件免于遭受任何種類的化學腐蝕。
2.絕緣性：PTFE具有很強的介電性能（介電強度為10KV/mm）
3.耐能性:具有優(yōu)良的耐熱和耐低溫特性.一般在-196度至-260度之間可以連續(xù)使用,它可以在冷凍溫度下工作而不脆化,在高溫下不熔化
4.潤滑和耐磨性:PTFE具有較低的摩擦系數(shù).負載滑動時摩擦系數(shù)產(chǎn)生變化,但數(shù)值僅在0.05-0.15之間,正是由于其具備較強的潤滑性從而在耐磨上也表的很突出.
5.耐大氣老化性,耐輻照性和較低的滲透性:長期暴露于大氣中表面及性能保持不變.

TD-016C型微功耗自動采集系統(tǒng)云平臺介紹

我司這套系統(tǒng)可通過云平臺查看數(shù)據(jù)報表，并可實現(xiàn)微信小程序查看。詳見我司NB-GPS微功耗采集系統(tǒng)內(nèi)容。

云數(shù)據(jù)查看鏈接:121.42.42.5(注意:請使用 360 瀏覽器并且在極速模式 下打開)

云平臺界面：

我司深井地熱監(jiān)測產(chǎn)品系列介紹:

1.0-1000 米單點溫度檢測(普通表和存儲表)

2.0-1000 米淺層地溫能監(jiān)測(采集器采用低功耗、攜帶方便;物聯(lián)網(wǎng) GPRS 無線傳輸至 WEB 端網(wǎng)絡(luò);單總線結(jié)構(gòu)，可擴展 128 個點;進口 18B20 高精度傳感器，在 10-40 度范圍內(nèi)，精 度在 0.1-0.2 度)

3.0-3000 米單點溫度檢測(普通顯示，只能顯示溫度，沒有存儲分析軟件功能) 4.0-10000 米分布式多點深層地溫監(jiān)測(采用分布式光纖測溫系統(tǒng))

4. 0-10000 米分布式多點深層地溫監(jiān)測(采用分布式光纖測溫系統(tǒng)：分布式光纖溫度監(jiān)測系統(tǒng)細分兩大類:1.井筒測試 2.井壁測試)

5.0-1200 米 NB 型液位/溫度一體式自動監(jiān)測系統(tǒng)(同時監(jiān)測溫度和液位兩個參數(shù)，MAX 耐溫 110 攝氏度)

6.0-7000 米全景型耐高溫測溫成像一體井下電視(同時監(jiān)測溫度和視頻圖片等)

7. 0-200米地埋管地源熱泵系統(tǒng)熱響應(yīng)測試（有車載式／便攜式／組合式三種）

有此類深井地溫項目，歡迎新老客戶朋友垂詢!

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