关中盆地中深层地热资源开发方式探讨

陈粤强,姬永涛,浦静怡,张晓宏

（1.陕西省煤田地质集团有限公司，陕西 西安，710021；2.陕西天地地质有限责任公司，陕西 西安，710054）

关中盆地中深层地热资源丰富，据有关研究结果显示[1]，全盆地中深层地热资源总量相当于标准煤4612×108t，为陕西全省探明煤炭资源总量的3.34倍，4000m以浅能开采利用的热量相当于标准煤2758×108t，占总热量59.8%。

近年，关中盆地地热开发走在全国前列，特别是西安、咸阳等地的地热开发受到了全国关注。地热开发从最初的单井直采方式，向采灌结合、同心管换热、水平对接井换热等多种方式转变，其中同心管换热和水平对接井换热2种开发方式是在关中盆地内形成的独特技术，也是真正契合取热不取水要求的地热开发新方式。这4种开发方式各具特点，适应的开发条件、开发效果也不尽相同，因此有必要对其展开深入研究，以加快关中盆地的地热资源开发进程。

1 盆地内中深层地热资源开发现状

关中盆地内的地热开发主要集中在西安、咸阳、渭南和宝鸡等地区。西安是地热井数量最多的地区，截至2014年底，西安市域共有深1100～4005.6m地热井227眼（城六区有107眼），开采运行的地热井有189眼，开采地热水量约1052.6×104m3/a。咸阳市地热开发程度较高的是市区（秦都、渭城）、兴平、武功等3个地区，截至2016年底，咸阳市共有热水井105眼，回灌井8眼，市区地热水开采量709.55×104m3/a。渭南市截至2013年底，地热井总共有160多眼，分布于渭南、华阴、华县、富平、合阳、大荔、蒲城、澄城、白水等岩溶区。宝鸡市共有地热井24眼，分布于眉县、岐山、扶风等地。

2 盆地内中深层地热开发理念和开发方式的发展

2.1 只采不灌与单井开发

在2002年以前，关中盆地内一直将地热开发与地热水开发是等同起来的，在评价开发条件时，将热储层温度、出水量2个参数作为关键条件进行考虑。这一时期的开发方式主要是钻地热单井来抽取热储层中的地热水，采出的地热水用于洗浴、医疗、供暖，利用后的地热尾水直接排放。这种只采不灌的开发方式简单粗放，不仅地热资源浪费严重，也带来了严重的环境污染和城市地质问题[2]。

2.2 采灌平衡与对井开发

2002年以后，受油田注水开发和国内其他地区地热回灌效果启示，关中盆地内的地热开发理念开始转变，在采水取热的同时积极考虑尾水回灌。西安、咸阳等地先后开展了地热尾水回灌试验[3-4]，结果表明：在关中盆地内进行地热回灌是可行的，但平均回灌量小、回灌衰减快、回灌堵塞及回灌成本高等问题还有待进一步解决。目前，关中盆地内的地热回灌还处于试验阶段，地热回灌井较少，咸阳市只有7%，西安市不足5%。现有的开采井与回灌井也未形成真正意义上的对井系统，远达不到采灌平衡的程度。

2.3 取热不取水与井下换热开发

以地热尾水回灌地热储层，确实是维持和恢复储层压力，保持地热水动态平衡的重要途径。但实际上，这种以人工方式补给地热储层的方式，并不能使地热储层达到真正的动态平衡。近年，国内部分研究人员以天津、河北等地的灰岩热储回灌率可达到100%为论据，认为采灌结合是一种取热不取水的地热开发方式。笔者以为这种观点过于片面，暂且不论这种采水取热再回灌的方式能否真正做到地热水原位补充以及对热储层完全无污染、无伤害，单以目前各地的回灌率看，大部分都达不到100%，天津是目前地热回灌做的较好的地区，其2015年的回灌率也只有45.46%。

对中深层地热而言，要真正实现取热不取水开发，最关键的是地热井筒与热储层之间是隔绝的，不能产生水力联系。在评价开发条件时，可以不考虑储层的出水量，而只考虑储层的热量。对此，陕西四季春公司提出了一种开发方式，即同心管换热方式，其原理是在地热井中下入同心换热管，利用同心管内外进行冷热水循环换热[5]。2016年，陕煤地质集团又提出了另一种新的开发方式，即水平对接井换热方式，原理是将水平工程井与直井在井底对接，利用井筒本身组成的U型通道来实现冷热水循环换热[6]。

3 现有开发方式的技术特点

3.1 单井直采开发方式

这种开发方式在关中盆地主要采用常规直井（见图1 a），只有咸阳的个别地热井为解决与邻井井口距离较近的问题而采用了定向井。二者在井身结构和成井工艺上并没有实质差别，不同的是定向井通过创造一段倾斜井眼，从而拉大了与邻井的井底采水段距离。传统的地热单井，普遍采用二开井身结构，2次下管成井工艺，用橡胶伞形成临时止水，靠井眼缩径和井壁垮塌永久止水。滤水管外通常包网缠丝，配合洗井提高采水效果，不过近年一些单位尝试采用裸眼滤水管成井，也取得了较好的应用效果[7]。单井直采的技术关键是最大限度地提高热储层与滤水管的接触面积，以确保地热水能够源源不断地流入井筒。

3.2 采灌结合开发方式

采灌结合是在单井直采基础上发展起来的，一般采用对井系统（见图1 b），将利用后的地热水回灌热储层，以最大程度减少地热流体损失，提高地热可持续开发能力。目前，关中盆地内回灌井总数在16口左右，绝大部分都只是单井回灌，还达不到对井开发要求。

这种开发方式中，回灌井的成井工艺十分关键，对最终的回灌效果有很大的影响，关中盆地内现有回灌井的回灌效果不甚理想，可能与孔隙裂隙型热储不适宜采用滤水管成井工艺有关。近年，天津地区在地热回灌井应用射孔完井工艺，取得了较好的应用效果[8-9]，但目前关中盆地内还没有采用这一技术。采灌结合开发的另一个关键点是采灌井之间的合理间距。目前，对采灌井合理间距的确定主要是建立地下水流和热运移数值模型，利用软件进行采灌区回灌模拟。有学者以咸阳WH2回灌井和WR7采水井的各项参数为基础，利用FEFLOW软件数值模拟得出，咸阳地区同层对井回灌的合理间距为400～500m[10]。

3.3 同心管换热开发方式

同心管换热是近年研发并应用的一种新型地热开发方式，其技术特点是地热井底部不采用滤水管，而采用标准石油套管，配合固井隔绝套管内、外环空，套管内置入同心换热管，冷热水循环时，只通过钢套管间接与热储层进行热量交换，而不发生水量交换。目前有直井同心管和L型水平井同心管2种方式（见图1 c和d）。

清华大学某研究团队对4个实际投入运行的同心管换热开发项目进行了跟踪监测，结果显示：单井循环水量一般为20～30m3/h，同心管出水温度20.1℃～29.8℃，单井取热量158～288kW。L型水平井同心管换热的技术理念与直井同心管换热没有本质区别，不同的是，由于钢套管和同心管沿水平布置，因此更适合于层状热储的开发。中国石油大学（华东）某研究团队提出的“水平井携热介质自循环开采干热岩地热技术”，其实质也就是L型水平井同心管换热技术。不过，目前这一技术主要停留在理论研究阶段，国内还未见有关工程实例的报道。

3.4 水平对接井换热开发方式

水平对接井是在煤层气和岩盐开采中应用较为广泛的技术，通常由一口水平工程井与一口直井在井底对接连通后组成，成井后的井筒类似于U型连通器。水平对接井换热开发地热，正是利用了这个显著特点，将U型井筒本身作为换热通道，从而实现地热资源的绿色无污染开发。但与煤层气井、盐井不同的是，用于地热开发的水平对接井在水平段必须全部下入钢套管并固井，而不能是裸眼，这样做的目的是为了隔绝井筒与热储层的水力联系，最大程度地实现只取热、不取水的开发目的（见图1 e）。

相较于同心管换热开发，这种开发方式可以大幅增加井下换热管的截、表面积，从而提高热交换水量和换热效率。这一开发方式是由陕煤地质集团在国内首次提出，并在其西安草滩生活基地供暖项目中使用。依托项目实施的2组水平对接地热井，通过换热试验测算，可提供1250kW/h热负荷供暖能力，满足5×104m2/a供热需求。

4 现有开发方式存在的问题与适用条件

图1 中深层地热开发方式

单井直采方式由于直接抽采地热水，最大的问题就是会引起地热流体减少和地层压力变化，从而导致地面沉降、地裂缝等次生地质灾害问题。有学者认为，从任何热储层中进行长期开采几乎都可能导致可以检知的地面沉降和地面变形。关中盆地内的西安—咸阳地热田属于与地热流体封存箱密切相关的地压型地热田，地热流体采出后，封存箱内的压力降低，更易导致地面沉降等问题。另外，采出的地热水利用后只能直接排放，也会带来水源污染、热污染等问题。关中盆地内，在地热水资源丰富、补充条件较好、地面沉降条件允许的地区可以采用这一开发方式，而对地热水补充条件差、中心城区、居民聚居区等地，应开展充分的分析和评价，谨慎采用。

采灌结合方式也直接抽采地热水，尽管可以通过回灌井向热储层补充一部分，在一定程度上缓解地层压力降低，提高地热储层可持续开发能力。但在关中盆地，地热回灌并未取得实质性的突破，特别是西安地区，通过8口井的回灌试验，回灌效果并不好。咸阳地区的砂岩回灌虽然取得了一定效果，但相对于开采量，回灌量还很小，要达到同层100%回灌，难度很大。因此，西安、咸阳等地区，在未取得回灌突破前，不建议大规模采用这种方式，即使在异层回灌条件较好的地区，也应谨慎采用。渭北石灰岩热储地区，没有进行相关的回灌试验，但从天津、河北等地的石灰岩热储回灌效果看，应属易回灌区，可以采用这一开发方式。

换热开发相较于前2种开发方式，由于井筒完全与地层隔绝，循环水与热储层之间只有热量交换，而不发生水力联系，能够真正做到只采热、不采水，可以说是中深层地热最理想的开发方式，理论上适合盆地内所有类型热储的开发。不过，这种方式由于是通过钢套管间接与热储层交换热量，其采热效率较前2种方式要低，对热储的温度也有一定的要求，同时在换热结构、固井水泥、隔热材料等方面也还需要进一步加强研究。同心管换热与水平对接井换热2种方式也各有特点，前者提供的热负荷较小，但单井造价低，后者能提高较大的热负荷，但单井造价较高，因此应根据实际需要选择。

5 开发模式选择

（1）关中盆地中部的西安、咸阳等市城区，应限制单井直采的开发方式，优先采用同心管换热和水平对接井换热，回灌未突破前应避免大规模使用采灌结合开发方式。考虑到新近系砂泥岩中回灌技术近期难以突破，换热开发是应该大力提倡、规模发展的技术。西安、咸阳的周边地区，同属更新能力比较弱的新生界孔隙裂隙型流体，一些零散的地热井长期开采，已经引起了区内地热流体水头下降，但总体而言区域开采量不大，建议在后续补充回灌井，根据实际需要，采用采灌结合的开发方式。

（2）秦岭山前的眉县汤峪、长安东大、蓝田汤峪等地区，主要是季节性对地热资源的需求量大，虽然区内水头已经下降，但由于可以获得沿着大断裂的浅循环水补给，具有较好的更新能力，应维持现有的开发方式。可以学习天津市利用地表水回灌补给热储层的成功经验，开展利用地表水补充热储层的试验。

（3）对于渭北地区，由于开采热储层为碳酸盐岩溶裂隙水，具有较强的更新能力，且其水温不高，一般为25℃～45℃，不适宜采用换热开发方式。从天津、河北等地回灌试验看，在碳酸盐岩地区回灌可以达到100%，优先采用采灌结合的开发方式。

6 结论及建议

（1）通过对现有单井直采、采灌结合和井下换热几种地热开发方式的合理组合，可实现关中盆地中深层地热资源的可持续、高效安全开发。

（2）换热开发能够真正以“只取热、不取水”方式开发关中盆地内的中深层地热资源，应大力发展。

（3）水平对接井换热开发方式具有单井换热量大、供热负荷大等优点，是最有发展前途的地热开发方式。但这种方式还需要进一步提高对接点处的密封性，也还要研究更符合换热、隔热性能的水泥。