甘孜地?zé)峋Y(jié)垢分析及防垢對(duì)策*

王延欣，劉世良，邊慶玉，鄢 斌，劉學(xué)峰，劉金俠，王海燕，卜憲標(biāo)

（1. 中國石化集團(tuán)新星石油有限責(zé)任公司，北京 100083；2. 中石化新星四川地?zé)崮荛_發(fā)有限公司，成都 610096；3. 中國科學(xué)院廣州能源研究所，廣州 510640）

甘孜地?zé)峋Y(jié)垢分析及防垢對(duì)策*

王延欣1,2，劉世良1，邊慶玉1,2，鄢 斌1，劉學(xué)峰1，劉金俠1，王海燕1，卜憲標(biāo)3?

（1. 中國石化集團(tuán)新星石油有限責(zé)任公司，北京 100083；2. 中石化新星四川地?zé)崮荛_發(fā)有限公司，成都 610096；3. 中國科學(xué)院廣州能源研究所，廣州 510640）

結(jié)垢問題是地?zé)崂眠^程中面臨的最重要問題之一，其對(duì)地?zé)犭娬緝?yōu)化設(shè)計(jì)和安全運(yùn)行有重要影響。本文選取甘孜地區(qū)某地?zé)峋鳛檠芯繉?duì)象，對(duì)放噴期間的地?zé)崴M(jìn)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(shì)；同時(shí)對(duì)結(jié)垢成分進(jìn)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?zé)崴腞I為5.58，LI為0.19，說明地?zé)崴薪Y(jié)垢趨勢(shì)，結(jié)垢程度為中等；垢的成分為CaCO3，垢的成因?yàn)榱黧w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(xué)洗井，阻垢措施推薦采用化學(xué)抑制劑。

地?zé)?；結(jié)垢；防垢；阻垢劑

0 引 言

隨著化石能源的短缺，地?zé)崮艿睦迷絹碓绞艿饺藗冎匾昜1]。截至2015年，全球地?zé)岚l(fā)電總裝機(jī)容量12.6 GW，發(fā)電量73549 GW·h[2]。地?zé)峤Y(jié)垢問題，特別是地?zé)峋陆Y(jié)垢，是地?zé)衢_發(fā)利用過程中面臨的最重要問題之一，也是影響地?zé)崂孟到y(tǒng)正常運(yùn)行的重要問題，國內(nèi)外許多地?zé)崂霉こ潭加龅竭^結(jié)垢問題[3-6]。當(dāng)熱流體從熱儲(chǔ)層向地面運(yùn)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(dá)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(duì)地?zé)崂眠^程中的結(jié)垢問題進(jìn)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(diǎn)的深度、壓力和溫度。Satman等[8]研究了熱儲(chǔ)構(gòu)造內(nèi)方解石沉積原因及其對(duì)流動(dòng)的影響。Reed[9]依據(jù)內(nèi)華達(dá)某地?zé)峋乃|(zhì)情況對(duì)結(jié)垢速度進(jìn)行了熱動(dòng)力學(xué)計(jì)算并和實(shí)際運(yùn)行工況進(jìn)行了對(duì)比。趙平等[10]對(duì)羊八井地?zé)崽餆崴幕瘜W(xué)組分進(jìn)行了分析，指出深層熱水在井筒內(nèi)絕熱汽化時(shí)不會(huì)出現(xiàn)SiO2結(jié)垢，CaCO3是否會(huì)在井筒壁沉淀需要放噴較長時(shí)間來檢驗(yàn)。朱家玲等[11]和孟憲級(jí)等[12]利用拉申指數(shù)和雷茲諾指數(shù)對(duì)天津大學(xué)校內(nèi)地?zé)峋母g和結(jié)垢趨勢(shì)進(jìn)行了判斷。韋梅華等[13]對(duì)四川省康定地?zé)釁^(qū)4個(gè)地?zé)峋?個(gè)溫泉熱水的CaCO3結(jié)垢趨勢(shì)進(jìn)行了計(jì)算和判定。

本文以甘孜地區(qū)某地?zé)峋疄檠芯繉?duì)象，根據(jù)水質(zhì)以及放噴實(shí)驗(yàn)對(duì)結(jié)垢情況進(jìn)行分析，為后續(xù)地?zé)犭娬痉拦冈O(shè)計(jì)及電站建設(shè)提供參考依據(jù)。

1 放噴情況

地?zé)峋挥诟首慰刀?，海? 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?zé)峋畢^(qū)域大地構(gòu)造位置圖及井場(chǎng)如圖1、圖2所示。

圖1 地?zé)峋畢^(qū)域大地構(gòu)造位置圖Fig. 1 The tectonic location map of geothermal well

圖2 地?zé)峋畧?chǎng)Fig. 2 Geothermal well site

為準(zhǔn)確把握地?zé)峋臒醿?chǔ)參數(shù)以及腐蝕結(jié)垢情況，于2014年8月進(jìn)行了放噴實(shí)驗(yàn)，有效放噴井段1 203～1 847 m，放噴現(xiàn)場(chǎng)管線布置如圖3所示。為克服放噴期間手動(dòng)記錄數(shù)據(jù)的辛苦，采用了無紙記錄儀表，每秒鐘自動(dòng)記錄溫度、壓力和流量。溫度、壓力和流量測(cè)量分別采用PT100熱電阻、壓力傳感器和渦輪流量計(jì)。放噴管線內(nèi)徑100 mm，材質(zhì)為低碳鋼。壓力傳感器距地?zé)峋? m，渦輪流量計(jì)距地?zé)峋? m，PT100熱電阻距地?zé)峋? m，放噴池距地?zé)峋?0 m。放噴持續(xù)了8天，由于結(jié)垢嚴(yán)重被迫停止。正常放噴期間，測(cè)得地?zé)峋跍囟葹?15℃，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(cè)試與結(jié)垢趨勢(shì)判斷

2.1 水質(zhì)測(cè)試

在放噴實(shí)驗(yàn)期間提取地?zé)崴M(jìn)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(duì)地?zé)崴念愋鸵约案g、結(jié)垢趨勢(shì)進(jìn)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?zé)崴愋蛯儆贜a-HCO3型。

圖4 水化學(xué)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(shì)判斷

目前大部分地?zé)崂孟到y(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(shì)[14]。對(duì)Cl?含量較高的地?zé)崃黧w（超過25%毫克當(dāng)量百分?jǐn)?shù)），采用拉申指數(shù)判斷結(jié)垢趨勢(shì)較為合理；對(duì)Cl?含量低的熱流體（低于25%毫克當(dāng)量百分?jǐn)?shù)），采用雷茲諾指數(shù)判斷其結(jié)垢趨勢(shì)。

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(xiàng)均以等當(dāng)量的CaCO3（mg/L）表示。

判定標(biāo)準(zhǔn)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?zé)崃黧w實(shí)測(cè)pH值，pHs為計(jì)算獲得的pH值。

式中，[Ca2+]為地?zé)崃黧w中Ca2+摩爾濃度，mol/L；[ALK]為地?zé)崃黧w中HCO3?離子摩爾濃度，mol/L； Ke為常數(shù)，當(dāng)總固形物濃度在200～6 000 mg/L時(shí)，取值范圍在1.8～2.6之間，溫度大于100℃時(shí)取1.8，小于50℃時(shí)取2.6。

判定標(biāo)準(zhǔn)為：

RI＜4.0，結(jié)垢非常嚴(yán)重；

4.0＜RI＜5.0，結(jié)垢嚴(yán)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(duì)地?zé)崴母g結(jié)垢趨勢(shì)進(jìn)行計(jì)算。

Cl?毫克當(dāng)量百分?jǐn)?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(shì)。地?zé)崴疁囟葹?15℃，式（3）中的Ke取值1.8。經(jīng)式（3）計(jì)算，pHs=6.69，而實(shí)際流體的pHa=7.8，pHa＞pHs，因此水中的CaCO3會(huì)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(shí)，再用拉伸指數(shù)判斷結(jié)垢趨勢(shì)，通過式（1）計(jì)算，LI=0.19＜0.5，表示地?zé)崴赡芙Y(jié)垢。

不論是用拉伸指數(shù)還是用雷茲諾指數(shù)判斷，地?zé)崃黧w都有結(jié)垢趨勢(shì)。

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?zé)崴畮缀鯏嗔鳎瑩?jù)此判斷，地?zé)峋矁?nèi)有垢生成。

為確定垢的成分和含量，分別進(jìn)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(rèn)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(duì)策

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

對(duì)于該井出現(xiàn)的結(jié)垢現(xiàn)象，具體采用何種方法進(jìn)行除垢和阻垢，對(duì)此，我們首先調(diào)研了目前在運(yùn)行的一些地?zé)峁こ趟媾R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(xué)洗井除垢和加化學(xué)抑制劑阻垢的方案，系統(tǒng)見圖8。化學(xué)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(xué)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(shí)，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(xiàn)[15]?；瘜W(xué)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(xiàn)[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(duì)甘孜康定地區(qū)某地?zé)峋艊娖陂g的水質(zhì)和結(jié)垢進(jìn)行了化驗(yàn)分析，確定了地?zé)崴瘜W(xué)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(duì)水質(zhì)進(jìn)行了化驗(yàn)，確定各離子的含量并根據(jù)Piper圖分析地?zé)崴瘜W(xué)類型為Na?HCO3型；

（2）根據(jù)拉申指數(shù)和雷茲諾指數(shù)對(duì)地?zé)崴Y(jié)垢趨勢(shì)進(jìn)行了判斷，其RI為5.58、LI為0.19，表明地?zé)崴哂薪Y(jié)垢潛能，結(jié)垢程度為中等；

（3）采用XRD對(duì)結(jié)垢成分進(jìn)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?zé)崃黧w沿井筒上升時(shí)，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(xué)洗井除垢和加化學(xué)抑制劑阻垢兩種方案。

本研究下一步的工作重點(diǎn)是研究井筒內(nèi)地?zé)崴W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(zhǔn)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?zé)豳Y源開發(fā)利用。

2015-03-23

2015-04-14

甘孜地區(qū)地?zé)岚l(fā)電技術(shù)研究項(xiàng)目（10500000-14-ZC0607-0005）；國家863計(jì)劃項(xiàng)目（2012AA053003）

? 通信作者：卜憲標(biāo)，E-mail：buxb@ms.giec.ac.cn

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