王延欣，劉世良，邊慶玉，鄢 斌，劉學峰，劉金俠，王海燕，卜憲標

（1. 中國石化集團新星石油有限責任公司，北京 100083；2. 中石化新星四川地熱能開發(fā)有限公司，成都 610096；3. 中國科學院廣州能源研究所，廣州 510640）

甘孜地熱井結(jié)垢分析及防垢對策*

王延欣1,2，劉世良1，邊慶玉1,2，鄢 斌1，劉學峰1，劉金俠1，王海燕1，卜憲標3?

（1. 中國石化集團新星石油有限責任公司，北京 100083；2. 中石化新星四川地熱能開發(fā)有限公司，成都 610096；3. 中國科學院廣州能源研究所，廣州 510640）

結(jié)垢問題是地熱利用過程中面臨的最重要問題之一，其對地熱電站優(yōu)化設(shè)計和安全運行有重要影響。本文選取甘孜地區(qū)某地熱井作為研究對象，對放噴期間的地熱水進行水質(zhì)分析，根據(jù)拉申指數(shù)（LI）和雷茲諾指數(shù)（RI）判斷腐蝕結(jié)垢趨勢；同時對結(jié)垢成分進行了XRD分析，并明確了結(jié)垢原因和防垢措施。研究結(jié)果表明：地熱水的RI為5.58，LI為0.19，說明地熱水有結(jié)垢趨勢，結(jié)垢程度為中等；垢的成分為CaCO3，垢的成因為流體減壓造成CO2從水中逸出導(dǎo)致CaCO3析出結(jié)垢；除垢方法采用化學洗井，阻垢措施推薦采用化學抑制劑。

地熱；結(jié)垢；防垢；阻垢劑

0 引 言

隨著化石能源的短缺，地熱能的利用越來越受到人們重視[1]。截至2015年，全球地熱發(fā)電總裝機容量12.6 GW，發(fā)電量73549 GW·h[2]。地熱結(jié)垢問題，特別是地熱井下結(jié)垢，是地熱開發(fā)利用過程中面臨的最重要問題之一，也是影響地熱利用系統(tǒng)正常運行的重要問題，國內(nèi)外許多地熱利用工程都遇到過結(jié)垢問題[3-6]。當熱流體從熱儲層向地面運移或在管道輸送過程中，由于壓力和溫度降低，使部分成分達到飽和狀態(tài)，造成固體物質(zhì)析出并沉積在井筒內(nèi)壁或管線上形成垢層。國內(nèi)外許多研究者對地熱利用過程中的結(jié)垢問題進行了研究，得出了很多具有重要指導(dǎo)意義的結(jié)論。Patzay等[7]根據(jù)溶解平衡原理，利用GEOPROF軟件研究了CO2、CH4和N2存在條件下，起泡點的深度、壓力和溫度。Satman等[8]研究了熱儲構(gòu)造內(nèi)方解石沉積原因及其對流動的影響。Reed[9]依據(jù)內(nèi)華達某地熱井的水質(zhì)情況對結(jié)垢速度進行了熱動力學計算并和實際運行工況進行了對比。趙平等[10]對羊八井地熱田熱水的化學組分進行了分析，指出深層熱水在井筒內(nèi)絕熱汽化時不會出現(xiàn)SiO2結(jié)垢，CaCO3是否會在井筒壁沉淀需要放噴較長時間來檢驗。朱家玲等[11]和孟憲級等[12]利用拉申指數(shù)和雷茲諾指數(shù)對天津大學校內(nèi)地熱井的腐蝕和結(jié)垢趨勢進行了判斷。韋梅華等[13]對四川省康定地熱區(qū)4個地熱井和3個溫泉熱水的CaCO3結(jié)垢趨勢進行了計算和判定。

本文以甘孜地區(qū)某地熱井為研究對象，根據(jù)水質(zhì)以及放噴實驗對結(jié)垢情況進行分析，為后續(xù)地熱電站防垢設(shè)計及電站建設(shè)提供參考依據(jù)。

1 放噴情況

地熱井位于甘孜康定，海拔3 100 m，完鉆層位為三疊系雜谷腦組變質(zhì)砂板巖，完鉆井深1 847 m，1 203 m以上為固井止水，1 203～1 847 m為花管。地熱井區(qū)域大地構(gòu)造位置圖及井場如圖1、圖2所示。

圖1 地熱井區(qū)域大地構(gòu)造位置圖Fig. 1 The tectonic location map of geothermal well

圖2 地熱井場Fig. 2 Geothermal well site

為準確把握地熱井的熱儲參數(shù)以及腐蝕結(jié)垢情況，于2014年8月進行了放噴實驗，有效放噴井段1 203～1 847 m，放噴現(xiàn)場管線布置如圖3所示。為克服放噴期間手動記錄數(shù)據(jù)的辛苦，采用了無紙記錄儀表，每秒鐘自動記錄溫度、壓力和流量。溫度、壓力和流量測量分別采用PT100熱電阻、壓力傳感器和渦輪流量計。放噴管線內(nèi)徑100 mm，材質(zhì)為低碳鋼。壓力傳感器距地熱井口3 m，渦輪流量計距地熱井口4 m，PT100熱電阻距地熱井口5 m，放噴池距地熱井口30 m。放噴持續(xù)了8天，由于結(jié)垢嚴重被迫停止。正常放噴期間，測得地熱井口溫度為115℃，壓力為0.34 MPa（表壓），穩(wěn)定流量為41 t/h。

圖3 放噴管線圖Fig. 3 Choke line

2 水質(zhì)測試與結(jié)垢趨勢判斷

2.1 水質(zhì)測試

在放噴實驗期間提取地熱水進行了水質(zhì)分析，分析結(jié)果見表1。根據(jù)水質(zhì)分析結(jié)果對地熱水的類型以及腐蝕、結(jié)垢趨勢進行了判斷。

表1 水質(zhì)成分Table 1 Water composition

由表1和圖4的Piper圖可知，地熱水類型屬于Na-HCO3型。

圖4 水化學性質(zhì)Piper圖（單位：meq/L%）Fig. 4 Piper chart of geothermal water (unit: meq/L%)

2.2 結(jié)垢趨勢判斷

目前大部分地熱利用系統(tǒng)的結(jié)垢物是CaCO3，通常采用拉申指數(shù)（LI）和雷茲諾指數(shù)（RI）判斷腐蝕結(jié)垢趨勢[14]。對Cl?含量較高的地熱流體（超過25%毫克當量百分數(shù)），采用拉申指數(shù)判斷結(jié)垢趨勢較為合理；對Cl?含量低的熱流體（低于25%毫克當量百分數(shù)），采用雷茲諾指數(shù)判斷其結(jié)垢趨勢。

拉伸指數(shù)的定義如式（1）所示：

式中：[Cl]為氯化物的濃度；[SO4]為硫酸鹽的濃度；ALK為總堿度，即HCO3?的濃度。以上三項均以等當量的CaCO3（mg/L）表示。

判定標準為：

LI＞0.5，表示不結(jié)垢，有腐蝕性；

LI＜0.5，表示可能結(jié)垢。

雷茲諾指數(shù)的定義如式（2）所示：

式中：pHa為地熱流體實測pH值，pHs為計算獲得的pH值。

式中，[Ca2+]為地熱流體中Ca2+摩爾濃度，mol/L；[ALK]為地熱流體中HCO3?離子摩爾濃度，mol/L； Ke為常數(shù)，當總固形物濃度在200～6 000 mg/L時，取值范圍在1.8～2.6之間，溫度大于100℃時取1.8，小于50℃時取2.6。

判定標準為：

RI＜4.0，結(jié)垢非常嚴重；

4.0＜RI＜5.0，結(jié)垢嚴重；

5.0＜RI＜6.0，結(jié)垢中等；

6.0＜RI＜7.0，結(jié)垢輕微；

RI＞7.0，不結(jié)垢。

根據(jù)表1中的數(shù)據(jù)對地熱水的腐蝕結(jié)垢趨勢進行計算。

Cl?毫克當量百分數(shù)為14.48%，小于25%，因此可以采用雷茲諾指數(shù)判斷結(jié)垢趨勢。地熱水溫度為115℃，式（3）中的Ke取值1.8。經(jīng)式（3）計算，pHs=6.69，而實際流體的pHa=7.8，pHa＞pHs，因此水中的CaCO3會沉積出來。將pHs和pHa代入式（2）可得RI=5.58，介于5和6之間，其結(jié)垢程度為中等。

同時，再用拉伸指數(shù)判斷結(jié)垢趨勢，通過式（1）計算，LI=0.19＜0.5，表示地熱水可能結(jié)垢。

不論是用拉伸指數(shù)還是用雷茲諾指數(shù)判斷，地熱流體都有結(jié)垢趨勢。

3 結(jié)垢成分及結(jié)垢成因

3.1 結(jié)垢成分

在放噴過程中出現(xiàn)了井口和放噴管線結(jié)垢現(xiàn)象，如圖5和6所示。拆除放噴管線，打開井口閥門，地熱水幾乎斷流，據(jù)此判斷，地熱井筒內(nèi)有垢生成。

為確定垢的成分和含量，分別進行了X射線衍射（XRD）和X射線熒光光譜（XRF）分析，XRD見圖7。由XRD分析可知，結(jié)垢成分主要為CaCO3，含量大于95%，SiO2的含量極少。因此我們認為結(jié)垢成分為CaCO3。

圖5 井口設(shè)備結(jié)垢Fig. 5 Scaling on wellhead equipment

圖6 放噴管線結(jié)垢Fig. 6 Scaling on choke line

圖7 XRD分析圖Fig. 7 XRD chart

3.2 結(jié)垢成因

CaCO3垢的成因是水中的Ca2+濃度與濃度的乘積大于CaCO3的溶解度積，使得CaCO3從溶液中析出，其原理見式（4）和式（5）。

4 防垢對策

防垢牽扯到兩個方面，一是對現(xiàn)有生成的垢進行清除，稱為除垢；二是防止垢的進一步生成，稱為阻垢。

對于該井出現(xiàn)的結(jié)垢現(xiàn)象，具體采用何種方法進行除垢和阻垢，對此，我們首先調(diào)研了目前在運行的一些地熱工程所面臨的結(jié)垢問題以及采取的措施[15-18]，然后再結(jié)合該井的具體情況選擇了化學洗井除垢和加化學抑制劑阻垢的方案，系統(tǒng)見圖8?；瘜W洗井所用的除垢液包括除垢劑、緩蝕劑和鈍化劑。由于垢的主要成分為CaCO3，除垢劑選用HCl，采用烷基吡啶類緩蝕劑，鈍化劑采用2wt%濃度的磷酸三鈉溶液[15]。阻垢的化學抑制劑可選擇低聚馬來酸酐、磷酸鹽等。除垢和阻垢均可以采用圖8所示的系統(tǒng)。洗井除垢時，只需將除垢液通過噴頭加入井筒內(nèi)即可，具體步驟參考文獻[15]。化學抑制劑的加入位置為閃蒸面以下100 m，具體操作可參考文獻[16-18]。

圖8 除垢阻垢系統(tǒng)圖Fig. 8 Anti-scaling system diagram

5 結(jié) 論

本文對甘孜康定地區(qū)某地熱井放噴期間的水質(zhì)和結(jié)垢進行了化驗分析，確定了地熱水化學類型、結(jié)垢成分和結(jié)垢成因，并具體提出了除垢和阻垢的措施，具體總結(jié)如下：

（1）對水質(zhì)進行了化驗，確定各離子的含量并根據(jù)Piper圖分析地熱水化學類型為Na?HCO3型；

（2）根據(jù)拉申指數(shù)和雷茲諾指數(shù)對地熱水結(jié)垢趨勢進行了判斷，其RI為5.58、LI為0.19，表明地熱水具有結(jié)垢潛能，結(jié)垢程度為中等；

（3）采用XRD對結(jié)垢成分進行了分析，結(jié)果表明CaCO3為主要結(jié)垢成分，含量大于95%；

（4）分析總結(jié)了結(jié)垢成因：地熱流體沿井筒上升時，壓力降低致使CO2氣體逸出，導(dǎo)致流體pH值升高，從而生成CaCO3垢；

（5）選定了化學洗井除垢和加化學抑制劑阻垢兩種方案。

本研究下一步的工作重點是研究井筒內(nèi)地熱水閃蒸溫度和壓力與不凝氣體種類、含量以及流體溫度和總壓的關(guān)系，以便準確定位閃蒸位置，為阻垢劑注入位置提供指導(dǎo)。

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Scaling Analysis of Geothermal Well from Ganzi and Countermeasures for Anti-scale

WANG Yan-xin1,2, LIU Shi-liang1, BIAN Qing-yu1,2, YAN Bin1, LIU Xue-feng1, LIU Jin-xia1, WANG Hai-yan1, BU Xian-biao3
(1. Sinopec Star Petroleum Co., Ltd, Beijing 100083, China； 2 Sinopec Star Petroleum Sichuan geothermal development Co., Ltd, Chengdu 610096, China； 3 Guangzhou Institute of Energy Conversion, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510640, China)

Scaling is one of the most important problems in the geothermal utilization, and it has an important effect on the plant optimization design and safety operation. A well in Ganzi is selected as the study subject, whose water sample is analyzed during choke. The trend of corrosion and scaling is judged with the methods of Ryzner index (RI) and Larson index (LI), and the component of scaling is analyzed by XRD. The scaling reason and countermeasures for anti-scale are pointed out. The result shows that RI and LI is respectively 5.58 and 0.19, indicating a medium scaling degree. The component of scaling is CaCO3, whose precipitate is caused by CO2escaping from geothermal water due to the reduction of pressure. The chemical washing well and filling inhibitor are selected as the countermeasures for anti-scale.

Geothermal； scaling； anti-scale； inhibitor

TK52

A

10.3969/j.issn.2095-560X.2015.03.007

2095-560X（2015）03-0202-05

王延欣（1982-），男，碩士，工程師，地熱資源開發(fā)利用。

2015-03-23

2015-04-14

甘孜地區(qū)地熱發(fā)電技術(shù)研究項目（10500000-14-ZC0607-0005）；國家863計劃項目（2012AA053003）

? 通信作者：卜憲標，E-mail：buxb@ms.giec.ac.cn

卜憲標（1979-），男，博士，副研究員，從事地熱、工業(yè)余熱發(fā)電及綜合利用的研究。