關(guān)中盆地中深層地?zé)豳Y源開發(fā)方式探討

陳粵強(qiáng),姬永濤,浦靜怡,張曉宏

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

關(guān)中盆地中深層地?zé)豳Y源豐富，據(jù)有關(guān)研究結(jié)果顯示[1]，全盆地中深層地?zé)豳Y源總量相當(dāng)于標(biāo)準(zhǔn)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(dāng)于標(biāo)準(zhǔn)煤2758×108t，占總熱量59.8%。

近年，關(guān)中盆地地?zé)衢_發(fā)走在全國(guó)前列，特別是西安、咸陽(yáng)等地的地?zé)衢_發(fā)受到了全國(guó)關(guān)注。地?zé)衢_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(duì)接井換熱等多種方式轉(zhuǎn)變，其中同心管換熱和水平對(duì)接井換熱2種開發(fā)方式是在關(guān)中盆地內(nèi)形成的獨(dú)特技術(shù)，也是真正契合取熱不取水要求的地?zé)衢_發(fā)新方式。這4種開發(fā)方式各具特點(diǎn)，適應(yīng)的開發(fā)條件、開發(fā)效果也不盡相同，因此有必要對(duì)其展開深入研究，以加快關(guān)中盆地的地?zé)豳Y源開發(fā)進(jìn)程。

1 盆地內(nèi)中深層地?zé)豳Y源開發(fā)現(xiàn)狀

關(guān)中盆地內(nèi)的地?zé)衢_發(fā)主要集中在西安、咸陽(yáng)、渭南和寶雞等地區(qū)。西安是地?zé)峋當(dāng)?shù)量最多的地區(qū)，截至2014年底，西安市域共有深1100～4005.6m地?zé)峋?27眼（城六區(qū)有107眼），開采運(yùn)行的地?zé)峋?89眼，開采地?zé)崴考s1052.6×104m3/a。咸陽(yáng)市地?zé)衢_發(fā)程度較高的是市區(qū)（秦都、渭城）、興平、武功等3個(gè)地區(qū)，截至2016年底，咸陽(yáng)市共有熱水井105眼，回灌井8眼，市區(qū)地?zé)崴_采量709.55×104m3/a。渭南市截至2013年底，地?zé)峋偣灿?60多眼，分布于渭南、華陰、華縣、富平、合陽(yáng)、大荔、蒲城、澄城、白水等巖溶區(qū)。寶雞市共有地?zé)峋?4眼，分布于眉縣、岐山、扶風(fēng)等地。

2 盆地內(nèi)中深層地?zé)衢_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(guān)中盆地內(nèi)一直將地?zé)衢_發(fā)與地?zé)崴_發(fā)是等同起來(lái)的，在評(píng)價(jià)開發(fā)條件時(shí)，將熱儲(chǔ)層溫度、出水量2個(gè)參數(shù)作為關(guān)鍵條件進(jìn)行考慮。這一時(shí)期的開發(fā)方式主要是鉆地?zé)釂尉畞?lái)抽取熱儲(chǔ)層中的地?zé)崴?，采出的地?zé)崴糜谙丛?、醫(yī)療、供暖，利用后的地?zé)嵛菜苯优欧拧＿@種只采不灌的開發(fā)方式簡(jiǎn)單粗放，不僅地?zé)豳Y源浪費(fèi)嚴(yán)重，也帶來(lái)了嚴(yán)重的環(huán)境污染和城市地質(zhì)問題[2]。

2.2 采灌平衡與對(duì)井開發(fā)

2002年以后，受油田注水開發(fā)和國(guó)內(nèi)其他地區(qū)地?zé)峄毓嘈Ч麊⑹?，關(guān)中盆地內(nèi)的地?zé)衢_發(fā)理念開始轉(zhuǎn)變，在采水取熱的同時(shí)積極考慮尾水回灌。西安、咸陽(yáng)等地先后開展了地?zé)嵛菜毓嘣囼?yàn)[3-4]，結(jié)果表明：在關(guān)中盆地內(nèi)進(jìn)行地?zé)峄毓嗍强尚械?，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(jìn)一步解決。目前，關(guān)中盆地內(nèi)的地?zé)峄毓噙€處于試驗(yàn)階段，地?zé)峄毓嗑^少，咸陽(yáng)市只有7%，西安市不足5%?，F(xiàn)有的開采井與回灌井也未形成真正意義上的對(duì)井系統(tǒng)，遠(yuǎn)達(dá)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?zé)嵛菜毓嗟責(zé)醿?chǔ)層，確實(shí)是維持和恢復(fù)儲(chǔ)層壓力，保持地?zé)崴畡?dòng)態(tài)平衡的重要途徑。但實(shí)際上，這種以人工方式補(bǔ)給地?zé)醿?chǔ)層的方式，并不能使地?zé)醿?chǔ)層達(dá)到真正的動(dòng)態(tài)平衡。近年，國(guó)內(nèi)部分研究人員以天津、河北等地的灰?guī)r熱儲(chǔ)回灌率可達(dá)到100%為論據(jù)，認(rèn)為采灌結(jié)合是一種取熱不取水的地?zé)衢_發(fā)方式。筆者以為這種觀點(diǎn)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?zé)崴谎a(bǔ)充以及對(duì)熱儲(chǔ)層完全無(wú)污染、無(wú)傷害，單以目前各地的回灌率看，大部分都達(dá)不到100%，天津是目前地?zé)峄毓嘧龅妮^好的地區(qū)，其2015年的回灌率也只有45.46%。

對(duì)中深層地?zé)岫?，要真正?shí)現(xiàn)取熱不取水開發(fā)，最關(guān)鍵的是地?zé)峋才c熱儲(chǔ)層之間是隔絕的，不能產(chǎn)生水力聯(lián)系。在評(píng)價(jià)開發(fā)條件時(shí)，可以不考慮儲(chǔ)層的出水量，而只考慮儲(chǔ)層的熱量。對(duì)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?zé)峋邢氯胪膿Q熱管，利用同心管內(nèi)外進(jìn)行冷熱水循環(huán)換熱[5]。2016年，陜煤地質(zhì)集團(tuán)又提出了另一種新的開發(fā)方式，即水平對(duì)接井換熱方式，原理是將水平工程井與直井在井底對(duì)接，利用井筒本身組成的U型通道來(lái)實(shí)現(xiàn)冷熱水循環(huán)換熱[6]。

3 現(xiàn)有開發(fā)方式的技術(shù)特點(diǎn)

3.1 單井直采開發(fā)方式

這種開發(fā)方式在關(guān)中盆地主要采用常規(guī)直井（見圖1 a），只有咸陽(yáng)的個(gè)別地?zé)峋疄榻鉀Q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(gòu)和成井工藝上并沒有實(shí)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?zé)釂尉?，普遍采用二開井身結(jié)構(gòu)，2次下管成井工藝，用橡膠傘形成臨時(shí)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(yīng)用效果[7]。單井直采的技術(shù)關(guān)鍵是最大限度地提高熱儲(chǔ)層與濾水管的接觸面積，以確保地?zé)崴軌蛟丛床粩嗟亓魅刖病?/p>

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(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，一般采用對(duì)井系統(tǒng)（見圖1 b），將利用后的地?zé)崴毓酂醿?chǔ)層，以最大程度減少地?zé)崃黧w損失，提高地?zé)峥沙掷m(xù)開發(fā)能力。目前，關(guān)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(dá)不到對(duì)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(guān)鍵，對(duì)最終的回灌效果有很大的影響，關(guān)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(chǔ)不適宜采用濾水管成井工藝有關(guān)。近年，天津地區(qū)在地?zé)峄毓嗑畱?yīng)用射孔完井工藝，取得了較好的應(yīng)用效果[8-9]，但目前關(guān)中盆地內(nèi)還沒有采用這一技術(shù)。采灌結(jié)合開發(fā)的另一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)是采灌井之間的合理間距。目前，對(duì)采灌井合理間距的確定主要是建立地下水流和熱運(yùn)移數(shù)值模型，利用軟件進(jìn)行采灌區(qū)回灌模擬。有學(xué)者以咸陽(yáng)WH2回灌井和WR7采水井的各項(xiàng)參數(shù)為基礎(chǔ)，利用FEFLOW軟件數(shù)值模擬得出，咸陽(yáng)地區(qū)同層對(duì)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(yīng)用的一種新型地?zé)衢_發(fā)方式，其技術(shù)特點(diǎn)是地?zé)峋撞坎徊捎脼V水管，而采用標(biāo)準(zhǔn)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(shí)，只通過鋼套管間接與熱儲(chǔ)層進(jìn)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(xué)某研究團(tuán)隊(duì)對(duì)4個(gè)實(shí)際投入運(yùn)行的同心管換熱開發(fā)項(xiàng)目進(jìn)行了跟蹤監(jiān)測(cè)，結(jié)果顯示：?jiǎn)尉h(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(shù)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(chǔ)的開發(fā)。中國(guó)石油大學(xué)（華東）某研究團(tuán)隊(duì)提出的“水平井?dāng)y熱介質(zhì)自循環(huán)開采干熱巖地?zé)峒夹g(shù)”，其實(shí)質(zhì)也就是L型水平井同心管換熱技術(shù)。不過，目前這一技術(shù)主要停留在理論研究階段，國(guó)內(nèi)還未見有關(guān)工程實(shí)例的報(bào)道。

3.4 水平對(duì)接井換熱開發(fā)方式

水平對(duì)接井是在煤層氣和巖鹽開采中應(yīng)用較為廣泛的技術(shù)，通常由一口水平工程井與一口直井在井底對(duì)接連通后組成，成井后的井筒類似于U型連通器。水平對(duì)接井換熱開發(fā)地?zé)?，正是利用了這個(gè)顯著特點(diǎn)，將U型井筒本身作為換熱通道，從而實(shí)現(xiàn)地?zé)豳Y源的綠色無(wú)污染開發(fā)。但與煤層氣井、鹽井不同的是，用于地?zé)衢_發(fā)的水平對(duì)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(chǔ)層的水力聯(lián)系，最大程度地實(shí)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(tuán)在國(guó)內(nèi)首次提出，并在其西安草灘生活基地供暖項(xiàng)目中使用。依托項(xiàng)目實(shí)施的2組水平對(duì)接地?zé)峋?，通過換熱試驗(yàn)測(cè)算，可提供1250kW/h熱負(fù)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?zé)衢_發(fā)方式

單井直采方式由于直接抽采地?zé)崴?，最大的問題就是會(huì)引起地?zé)崃黧w減少和地層壓力變化，從而導(dǎo)致地面沉降、地裂縫等次生地質(zhì)災(zāi)害問題。有學(xué)者認(rèn)為，從任何熱儲(chǔ)層中進(jìn)行長(zhǎng)期開采幾乎都可能導(dǎo)致可以檢知的地面沉降和地面變形。關(guān)中盆地內(nèi)的西安—咸陽(yáng)地?zé)崽飳儆谂c地?zé)崃黧w封存箱密切相關(guān)的地壓型地?zé)崽?，地?zé)崃黧w采出后，封存箱內(nèi)的壓力降低，更易導(dǎo)致地面沉降等問題。另外，采出的地?zé)崴煤笾荒苤苯优欧牛矔?huì)帶來(lái)水源污染、熱污染等問題。關(guān)中盆地內(nèi)，在地?zé)崴Y源豐富、補(bǔ)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(duì)地?zé)崴a(bǔ)充條件差、中心城區(qū)、居民聚居區(qū)等地，應(yīng)開展充分的分析和評(píng)價(jià)，謹(jǐn)慎采用。

采灌結(jié)合方式也直接抽采地?zé)崴M管可以通過回灌井向熱儲(chǔ)層補(bǔ)充一部分，在一定程度上緩解地層壓力降低，提高地?zé)醿?chǔ)層可持續(xù)開發(fā)能力。但在關(guān)中盆地，地?zé)峄毓嗖⑽慈〉脤?shí)質(zhì)性的突破，特別是西安地區(qū)，通過8口井的回灌試驗(yàn)，回灌效果并不好。咸陽(yáng)地區(qū)的砂巖回灌雖然取得了一定效果，但相對(duì)于開采量，回灌量還很小，要達(dá)到同層100%回灌，難度很大。因此，西安、咸陽(yáng)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(yīng)謹(jǐn)慎采用。渭北石灰?guī)r熱儲(chǔ)地區(qū)，沒有進(jìn)行相關(guān)的回灌試驗(yàn)，但從天津、河北等地的石灰?guī)r熱儲(chǔ)回灌效果看，應(yīng)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(chǔ)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(shuō)是中深層地?zé)嶙罾硐氲拈_發(fā)方式，理論上適合盆地內(nèi)所有類型熱儲(chǔ)的開發(fā)。不過，這種方式由于是通過鋼套管間接與熱儲(chǔ)層交換熱量，其采熱效率較前2種方式要低，對(duì)熱儲(chǔ)的溫度也有一定的要求，同時(shí)在換熱結(jié)構(gòu)、固井水泥、隔熱材料等方面也還需要進(jìn)一步加強(qiáng)研究。同心管換熱與水平對(duì)接井換熱2種方式也各有特點(diǎn)，前者提供的熱負(fù)荷較小，但單井造價(jià)低，后者能提高較大的熱負(fù)荷，但單井造價(jià)較高，因此應(yīng)根據(jù)實(shí)際需要選擇。

5 開發(fā)模式選擇

（1）關(guān)中盆地中部的西安、咸陽(yáng)等市城區(qū)，應(yīng)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(duì)接井換熱，回灌未突破前應(yīng)避免大規(guī)模使用采灌結(jié)合開發(fā)方式?？紤]到新近系砂泥巖中回灌技術(shù)近期難以突破，換熱開發(fā)是應(yīng)該大力提倡、規(guī)模發(fā)展的技術(shù)。西安、咸陽(yáng)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?zé)峋L(zhǎng)期開采，已經(jīng)引起了區(qū)內(nèi)地?zé)崃黧w水頭下降，但總體而言區(qū)域開采量不大，建議在后續(xù)補(bǔ)充回灌井，根據(jù)實(shí)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(zhǎng)安東大、藍(lán)田湯峪等地區(qū)，主要是季節(jié)性對(duì)地?zé)豳Y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(bǔ)給，具有較好的更新能力，應(yīng)維持現(xiàn)有的開發(fā)方式?？梢詫W(xué)習(xí)天津市利用地表水回灌補(bǔ)給熱儲(chǔ)層的成功經(jīng)驗(yàn)，開展利用地表水補(bǔ)充熱儲(chǔ)層的試驗(yàn)。

（3）對(duì)于渭北地區(qū)，由于開采熱儲(chǔ)層為碳酸鹽巖溶裂隙水，具有較強(qiáng)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(yàn)看，在碳酸鹽巖地區(qū)回灌可以達(dá)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(duì)現(xiàn)有單井直采、采灌結(jié)合和井下?lián)Q熱幾種地?zé)衢_發(fā)方式的合理組合，可實(shí)現(xiàn)關(guān)中盆地中深層地?zé)豳Y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(guān)中盆地內(nèi)的中深層地?zé)豳Y源，應(yīng)大力發(fā)展。

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