關中盆地中深層地熱資源開發(fā)方式探討

陳粵強,姬永濤,浦靜怡,張曉宏

（1.陜西省煤田地質(zhì)集團有限公司，陜西 西安，710021；2.陜西天地地質(zhì)有限責任公司，陜西 西安，710054）

關中盆地中深層地熱資源豐富，據(jù)有關研究結(jié)果顯示[1]，全盆地中深層地熱資源總量相當于標準煤4612×108t，為陜西全省探明煤炭資源總量的3.34倍，4000m以淺能開采利用的熱量相當于標準煤2758×108t，占總熱量59.8%。

近年，關中盆地地熱開發(fā)走在全國前列，特別是西安、咸陽等地的地熱開發(fā)受到了全國關注。地熱開發(fā)從最初的單井直采方式，向采灌結(jié)合、同心管換熱、水平對接井換熱等多種方式轉(zhuǎn)變，其中同心管換熱和水平對接井換熱2種開發(fā)方式是在關中盆地內(nèi)形成的獨特技術，也是真正契合取熱不取水要求的地熱開發(fā)新方式。這4種開發(fā)方式各具特點，適應的開發(fā)條件、開發(fā)效果也不盡相同，因此有必要對其展開深入研究，以加快關中盆地的地熱資源開發(fā)進程。

1 盆地內(nèi)中深層地熱資源開發(fā)現(xiàn)狀

關中盆地內(nèi)的地熱開發(fā)主要集中在西安、咸陽、渭南和寶雞等地區(qū)。西安是地熱井數(shù)量最多的地區(qū)，截至2014年底，西安市域共有深1100～4005.6m地熱井227眼（城六區(qū)有107眼），開采運行的地熱井有189眼，開采地熱水量約1052.6×104m3/a。咸陽市地熱開發(fā)程度較高的是市區(qū)（秦都、渭城）、興平、武功等3個地區(qū)，截至2016年底，咸陽市共有熱水井105眼，回灌井8眼，市區(qū)地熱水開采量709.55×104m3/a。渭南市截至2013年底，地熱井總共有160多眼，分布于渭南、華陰、華縣、富平、合陽、大荔、蒲城、澄城、白水等巖溶區(qū)。寶雞市共有地熱井24眼，分布于眉縣、岐山、扶風等地。

2 盆地內(nèi)中深層地熱開發(fā)理念和開發(fā)方式的發(fā)展

2.1 只采不灌與單井開發(fā)

在2002年以前，關中盆地內(nèi)一直將地熱開發(fā)與地熱水開發(fā)是等同起來的，在評價開發(fā)條件時，將熱儲層溫度、出水量2個參數(shù)作為關鍵條件進行考慮。這一時期的開發(fā)方式主要是鉆地熱單井來抽取熱儲層中的地熱水，采出的地熱水用于洗浴、醫(yī)療、供暖，利用后的地熱尾水直接排放。這種只采不灌的開發(fā)方式簡單粗放，不僅地熱資源浪費嚴重，也帶來了嚴重的環(huán)境污染和城市地質(zhì)問題[2]。

2.2 采灌平衡與對井開發(fā)

2002年以后，受油田注水開發(fā)和國內(nèi)其他地區(qū)地熱回灌效果啟示，關中盆地內(nèi)的地熱開發(fā)理念開始轉(zhuǎn)變，在采水取熱的同時積極考慮尾水回灌。西安、咸陽等地先后開展了地熱尾水回灌試驗[3-4]，結(jié)果表明：在關中盆地內(nèi)進行地熱回灌是可行的，但平均回灌量小、回灌衰減快、回灌堵塞及回灌成本高等問題還有待進一步解決。目前，關中盆地內(nèi)的地熱回灌還處于試驗階段，地熱回灌井較少，咸陽市只有7%，西安市不足5%。現(xiàn)有的開采井與回灌井也未形成真正意義上的對井系統(tǒng)，遠達不到采灌平衡的程度。

2.3 取熱不取水與井下?lián)Q熱開發(fā)

以地熱尾水回灌地熱儲層，確實是維持和恢復儲層壓力，保持地熱水動態(tài)平衡的重要途徑。但實際上，這種以人工方式補給地熱儲層的方式，并不能使地熱儲層達到真正的動態(tài)平衡。近年，國內(nèi)部分研究人員以天津、河北等地的灰?guī)r熱儲回灌率可達到100%為論據(jù)，認為采灌結(jié)合是一種取熱不取水的地熱開發(fā)方式。筆者以為這種觀點過于片面，暫且不論這種采水取熱再回灌的方式能否真正做到地熱水原位補充以及對熱儲層完全無污染、無傷害，單以目前各地的回灌率看，大部分都達不到100%，天津是目前地熱回灌做的較好的地區(qū)，其2015年的回灌率也只有45.46%。

對中深層地熱而言，要真正實現(xiàn)取熱不取水開發(fā)，最關鍵的是地熱井筒與熱儲層之間是隔絕的，不能產(chǎn)生水力聯(lián)系。在評價開發(fā)條件時，可以不考慮儲層的出水量，而只考慮儲層的熱量。對此，陜西四季春公司提出了一種開發(fā)方式，即同心管換熱方式，其原理是在地熱井中下入同心換熱管，利用同心管內(nèi)外進行冷熱水循環(huán)換熱[5]。2016年，陜煤地質(zhì)集團又提出了另一種新的開發(fā)方式，即水平對接井換熱方式，原理是將水平工程井與直井在井底對接，利用井筒本身組成的U型通道來實現(xiàn)冷熱水循環(huán)換熱[6]。

3 現(xiàn)有開發(fā)方式的技術特點

3.1 單井直采開發(fā)方式

這種開發(fā)方式在關中盆地主要采用常規(guī)直井（見圖1 a），只有咸陽的個別地熱井為解決與鄰井井口距離較近的問題而采用了定向井。二者在井身結(jié)構和成井工藝上并沒有實質(zhì)差別，不同的是定向井通過創(chuàng)造一段傾斜井眼，從而拉大了與鄰井的井底采水段距離。傳統(tǒng)的地熱單井，普遍采用二開井身結(jié)構，2次下管成井工藝，用橡膠傘形成臨時止水，靠井眼縮徑和井壁垮塌永久止水。濾水管外通常包網(wǎng)纏絲，配合洗井提高采水效果，不過近年一些單位嘗試采用裸眼濾水管成井，也取得了較好的應用效果[7]。單井直采的技術關鍵是最大限度地提高熱儲層與濾水管的接觸面積，以確保地熱水能夠源源不斷地流入井筒。

3.2 采灌結(jié)合開發(fā)方式

采灌結(jié)合是在單井直采基礎上發(fā)展起來的，一般采用對井系統(tǒng)（見圖1 b），將利用后的地熱水回灌熱儲層，以最大程度減少地熱流體損失，提高地熱可持續(xù)開發(fā)能力。目前，關中盆地內(nèi)回灌井總數(shù)在16口左右，絕大部分都只是單井回灌，還達不到對井開發(fā)要求。

這種開發(fā)方式中，回灌井的成井工藝十分關鍵，對最終的回灌效果有很大的影響，關中盆地內(nèi)現(xiàn)有回灌井的回灌效果不甚理想，可能與孔隙裂隙型熱儲不適宜采用濾水管成井工藝有關。近年，天津地區(qū)在地熱回灌井應用射孔完井工藝，取得了較好的應用效果[8-9]，但目前關中盆地內(nèi)還沒有采用這一技術。采灌結(jié)合開發(fā)的另一個關鍵點是采灌井之間的合理間距。目前，對采灌井合理間距的確定主要是建立地下水流和熱運移數(shù)值模型，利用軟件進行采灌區(qū)回灌模擬。有學者以咸陽WH2回灌井和WR7采水井的各項參數(shù)為基礎，利用FEFLOW軟件數(shù)值模擬得出，咸陽地區(qū)同層對井回灌的合理間距為400～500m[10]。

3.3 同心管換熱開發(fā)方式

同心管換熱是近年研發(fā)并應用的一種新型地熱開發(fā)方式，其技術特點是地熱井底部不采用濾水管，而采用標準石油套管，配合固井隔絕套管內(nèi)、外環(huán)空，套管內(nèi)置入同心換熱管，冷熱水循環(huán)時，只通過鋼套管間接與熱儲層進行熱量交換，而不發(fā)生水量交換。目前有直井同心管和L型水平井同心管2種方式（見圖1 c和d）。

清華大學某研究團隊對4個實際投入運行的同心管換熱開發(fā)項目進行了跟蹤監(jiān)測，結(jié)果顯示：單井循環(huán)水量一般為20～30m3/h，同心管出水溫度20.1℃～29.8℃，單井取熱量158～288kW。L型水平井同心管換熱的技術理念與直井同心管換熱沒有本質(zhì)區(qū)別，不同的是，由于鋼套管和同心管沿水平布置，因此更適合于層狀熱儲的開發(fā)。中國石油大學（華東）某研究團隊提出的“水平井攜熱介質(zhì)自循環(huán)開采干熱巖地熱技術”，其實質(zhì)也就是L型水平井同心管換熱技術。不過，目前這一技術主要停留在理論研究階段，國內(nèi)還未見有關工程實例的報道。

3.4 水平對接井換熱開發(fā)方式

水平對接井是在煤層氣和巖鹽開采中應用較為廣泛的技術，通常由一口水平工程井與一口直井在井底對接連通后組成，成井后的井筒類似于U型連通器。水平對接井換熱開發(fā)地熱，正是利用了這個顯著特點，將U型井筒本身作為換熱通道，從而實現(xiàn)地熱資源的綠色無污染開發(fā)。但與煤層氣井、鹽井不同的是，用于地熱開發(fā)的水平對接井在水平段必須全部下入鋼套管并固井，而不能是裸眼，這樣做的目的是為了隔絕井筒與熱儲層的水力聯(lián)系，最大程度地實現(xiàn)只取熱、不取水的開發(fā)目的（見圖1 e）。

相較于同心管換熱開發(fā)，這種開發(fā)方式可以大幅增加井下?lián)Q熱管的截、表面積，從而提高熱交換水量和換熱效率。這一開發(fā)方式是由陜煤地質(zhì)集團在國內(nèi)首次提出，并在其西安草灘生活基地供暖項目中使用。依托項目實施的2組水平對接地熱井，通過換熱試驗測算，可提供1250kW/h熱負荷供暖能力，滿足5×104m2/a供熱需求。

4 現(xiàn)有開發(fā)方式存在的問題與適用條件

圖1 中深層地熱開發(fā)方式

單井直采方式由于直接抽采地熱水，最大的問題就是會引起地熱流體減少和地層壓力變化，從而導致地面沉降、地裂縫等次生地質(zhì)災害問題。有學者認為，從任何熱儲層中進行長期開采幾乎都可能導致可以檢知的地面沉降和地面變形。關中盆地內(nèi)的西安—咸陽地熱田屬于與地熱流體封存箱密切相關的地壓型地熱田，地熱流體采出后，封存箱內(nèi)的壓力降低，更易導致地面沉降等問題。另外，采出的地熱水利用后只能直接排放，也會帶來水源污染、熱污染等問題。關中盆地內(nèi)，在地熱水資源豐富、補充條件較好、地面沉降條件允許的地區(qū)可以采用這一開發(fā)方式，而對地熱水補充條件差、中心城區(qū)、居民聚居區(qū)等地，應開展充分的分析和評價，謹慎采用。

采灌結(jié)合方式也直接抽采地熱水，盡管可以通過回灌井向熱儲層補充一部分，在一定程度上緩解地層壓力降低，提高地熱儲層可持續(xù)開發(fā)能力。但在關中盆地，地熱回灌并未取得實質(zhì)性的突破，特別是西安地區(qū)，通過8口井的回灌試驗，回灌效果并不好。咸陽地區(qū)的砂巖回灌雖然取得了一定效果，但相對于開采量，回灌量還很小，要達到同層100%回灌，難度很大。因此，西安、咸陽等地區(qū)，在未取得回灌突破前，不建議大規(guī)模采用這種方式，即使在異層回灌條件較好的地區(qū)，也應謹慎采用。渭北石灰?guī)r熱儲地區(qū)，沒有進行相關的回灌試驗，但從天津、河北等地的石灰?guī)r熱儲回灌效果看，應屬易回灌區(qū)，可以采用這一開發(fā)方式。

換熱開發(fā)相較于前2種開發(fā)方式，由于井筒完全與地層隔絕，循環(huán)水與熱儲層之間只有熱量交換，而不發(fā)生水力聯(lián)系，能夠真正做到只采熱、不采水，可以說是中深層地熱最理想的開發(fā)方式，理論上適合盆地內(nèi)所有類型熱儲的開發(fā)。不過，這種方式由于是通過鋼套管間接與熱儲層交換熱量，其采熱效率較前2種方式要低，對熱儲的溫度也有一定的要求，同時在換熱結(jié)構、固井水泥、隔熱材料等方面也還需要進一步加強研究。同心管換熱與水平對接井換熱2種方式也各有特點，前者提供的熱負荷較小，但單井造價低，后者能提高較大的熱負荷，但單井造價較高，因此應根據(jù)實際需要選擇。

5 開發(fā)模式選擇

（1）關中盆地中部的西安、咸陽等市城區(qū)，應限制單井直采的開發(fā)方式，優(yōu)先采用同心管換熱和水平對接井換熱，回灌未突破前應避免大規(guī)模使用采灌結(jié)合開發(fā)方式。考慮到新近系砂泥巖中回灌技術近期難以突破，換熱開發(fā)是應該大力提倡、規(guī)模發(fā)展的技術。西安、咸陽的周邊地區(qū)，同屬更新能力比較弱的新生界孔隙裂隙型流體，一些零散的地熱井長期開采，已經(jīng)引起了區(qū)內(nèi)地熱流體水頭下降，但總體而言區(qū)域開采量不大，建議在后續(xù)補充回灌井，根據(jù)實際需要，采用采灌結(jié)合的開發(fā)方式。

（2）秦嶺山前的眉縣湯峪、長安東大、藍田湯峪等地區(qū)，主要是季節(jié)性對地熱資源的需求量大，雖然區(qū)內(nèi)水頭已經(jīng)下降，但由于可以獲得沿著大斷裂的淺循環(huán)水補給，具有較好的更新能力，應維持現(xiàn)有的開發(fā)方式。可以學習天津市利用地表水回灌補給熱儲層的成功經(jīng)驗，開展利用地表水補充熱儲層的試驗。

（3）對于渭北地區(qū)，由于開采熱儲層為碳酸鹽巖溶裂隙水，具有較強的更新能力，且其水溫不高，一般為25℃～45℃，不適宜采用換熱開發(fā)方式。從天津、河北等地回灌試驗看，在碳酸鹽巖地區(qū)回灌可以達到100%，優(yōu)先采用采灌結(jié)合的開發(fā)方式。

6 結(jié)論及建議

（1）通過對現(xiàn)有單井直采、采灌結(jié)合和井下?lián)Q熱幾種地熱開發(fā)方式的合理組合，可實現(xiàn)關中盆地中深層地熱資源的可持續(xù)、高效安全開發(fā)。

（2）換熱開發(fā)能夠真正以“只取熱、不取水”方式開發(fā)關中盆地內(nèi)的中深層地熱資源，應大力發(fā)展。

（3）水平對接井換熱開發(fā)方式具有單井換熱量大、供熱負荷大等優(yōu)點，是最有發(fā)展前途的地熱開發(fā)方式。但這種方式還需要進一步提高對接點處的密封性，也還要研究更符合換熱、隔熱性能的水泥。