河北博野某地熱井結垢位置預測及影響因素分析

梁海軍，郭嘯峰，高 濤，卜憲標，李華山，王令寶

（1.中石化新星（北京）新能源研究院有限公司，北京 100083；2.國家地熱能源開發(fā)利用研究及應用技術推廣中心，北京 100083；3.中國科學院廣州能源研究所，廣東廣州 510640；4.中國科學院可再生能源重點實驗室，廣東廣州 510640；5.廣東省新能源和可再生能源研究開發(fā)與應用重點實驗室，廣東廣州 510640）

地熱能是一種可持續(xù)的清潔能源，可用于發(fā)電、供暖、制冷和干燥等[1-4]。深埋于地下的地熱水礦化度較高，從熱儲層向地面運移過程中存在結垢問題，嚴重制約了地熱能的可持續(xù)開發(fā)利用[5]。Los Humeros 地熱井由于井筒內碳酸鈣結垢，蒸汽產(chǎn)量由38 t/h 降至4 t/h[6]；新星公司在甘孜的DZK02 地熱井也存在嚴重的碳酸鈣結垢問題[7-8]；結垢問題也是西藏那曲地熱電站關閉的主要原因之一[9]；建立于1982 年的3 MW 臺灣清水地熱電站因井筒結垢問題于1993 年停止使用[10]。

我國地熱資源以中低溫為主，結垢類型多為碳酸鹽垢，國內外很多學者針對地熱井結垢問題，進行了閃蒸趨勢及結垢位置預測研究，并取得了較好的防垢效果。M.J.Reed[11]基于重建的熱儲流體，研究了內華達州迪克西谷地熱井的碳酸鈣結垢行為；G.Patzay 等人[12]分析了匈牙利南部高溫地熱井結垢的影響因素；Lee Bo-Heng 等人[13]對臺灣清水地熱井的閃蒸位置進行了模擬研究，并基于此進行了阻垢試驗[13]；M.Ramos-Candelaria 等人[14]模擬了不同井口壓力、井口質量流量下的閃蒸位置，并設計了阻垢系統(tǒng)；S.M.Zhao 等人[15]研究了西藏朗久地熱井不同溫度和CO2分壓下的結垢趨勢和閃蒸位置；Song Junchao 等人[16]利用拉格朗日指數(shù)和拉伸指數(shù)，分析了地熱水結垢趨勢；Li Yiman 等人[17]對康定地熱井的碳酸鈣結垢趨勢進行了定量評估；韋梅華[18]對汾渭裂谷帶地熱井結垢趨勢進行了預測，并進行了熱儲礦物平衡分析；張恒等人[19]采用水化學指標，分析了甘孜某地熱井的結垢物種類和結垢趨勢?？梢钥闯觯責崃黧w閃蒸特性及結垢位置預測是地熱防垢的關鍵環(huán)節(jié)。

河北博野縣城以東的地熱井X 井在放噴過程中出現(xiàn)了結垢問題，SEM 和XRD 分析結果表明，垢樣中CaCO3含量大于96%。文獻調研表明，地熱結垢研究以結垢趨勢預測為主，定量研究及影響因素分析較少。為了實現(xiàn)地熱資源的可持續(xù)開發(fā)利用，本文基于井口流體成分測試數(shù)據(jù)與地熱井物理模型，利用WELLSIM 軟件進行了結垢位置預測及影響因素分析，研究結果為化學阻垢劑加注深度和物理增壓潛水泵下入深度提供了理論依據(jù)。

1 地熱井基本概況

河北博野縣地熱區(qū)位于渤海灣盆地冀中坳陷高陽低凸起邊緣，為高陽低凸起與饒陽凹陷的交界部位。該地區(qū)地熱X 井的井身結構如圖1 所示：一開，采用φ444.5 mm 鉆頭鉆至井深450.00 m，壁厚9.65 mm、鋼級J55 的φ339.7 mm 套管下至井深449.00 m；二開，采用φ311.1 mm 鉆頭鉆至井深2205.00 m，壁厚8.94 mm、鋼級J55 的φ244.5 mm 套管下至井深409.00～2204.00 m；三開，采用φ215.9 mm鉆頭鉆至井深3165.00 m，壁厚9.19 mm、鋼級J55的φ177.8 mm 套管下至井深2164.00～3164.00 m；四開，采用φ155.5 mm 鉆頭鉆至井深3758.17 m，裸眼完鉆。一開、二開及三開都采用注水泥固井，以保護套管和隔絕低水溫層。

圖1 地熱X 井井身結構Fig.1 Casing program of a geothermal well

對該井井口地熱流體進行采樣并進行化驗分析，流體溫度110 ℃，干度0.0189，出水量70.59 m3/h，氣體流量385.75 m3/h，被冷凝水蒸氣246.61 m3/h，未被冷凝氣體139.61 m3/h，伴生氣工況流量36.95 m3/h，CO2體積分數(shù)39.15%；K+，Na+，Ca2+，Mg2+，Cl－，NO3－，HCO3－和SO42－的質量濃度分別為154.30，1565.00，66.66，16.97，251.57，6.57，670.50 和90.17 mg/L。

2 結垢位置預測研究

2.1 數(shù)學模型

采用WELLSIM 軟件模擬地熱井井筒，分析井筒內流體流動過程?？紤]摩擦、加速度和重力等因素造成的壓降，基于單相（液體或蒸汽）或兩相均質流體，建立地熱流體的質量、動量和能量守恒方程。

質量守恒方程為：

地熱流體壓降計算公式為：

能量守恒方程為：

式中：m為地熱流體的質量流率，kg/s；z為地熱井井深，m；p為井筒方向的地熱流體壓力，kPa；q為地熱流體與井筒之間的熱量交換，J；h為地熱流體的比焓，J/kg；v為地熱流體的速度，m/s；下標F、A、G 分別表示摩擦、加速度和重力。

2.2 結垢位置預測

根據(jù)X 井的井口地熱流體參數(shù)，計算可得CO2質量分數(shù)為0.118%，基于井口地熱流體測試參數(shù)，利用WELLSIM 軟件的TOP-DOWN 算法，模擬得到地熱流體壓力、溫度沿井筒方向的變化曲線（見圖2）。從圖2 可以看出，壓力沿井筒自下而上基本呈線性減小的趨勢；溫度先線性減小，井深20.00 m 以淺，溫度呈現(xiàn)快速降低的趨勢。利用WELLSIM 軟件反演得到井底地熱流體溫度為128.0 ℃。

圖2 全井段溫度和壓力的變化趨勢Fig.2 Variation trends of temperature and pressure along the wellbore

基于井口地熱流體測試參數(shù)，利用WELLSIM軟件的TOP-DOWN 算法，模擬得到地熱流體干度和CO2分壓沿井筒方向的變化曲線（見圖3）。

圖3 全井段地熱流體干度和CO2 分壓的變化規(guī)律Fig.3 Variations laws of dryness and CO2 partial pressure along the wellbore

從圖3 可以看出，井深56.10 m 以深，地熱流體的干度為0；井深56.10 m 以淺，地熱流體的干度開始快速增大，CO2分壓快速降低。地熱流體上升過程中，壓力不斷降低，當其液相水的分壓低于該溫度下對應的飽和壓力時，發(fā)生閃蒸（沸騰）現(xiàn)象。閃蒸發(fā)生后，地熱流體從單相狀態(tài)變成兩相狀態(tài)，氣相中水蒸氣的質量迅速增加，稀釋了氣相中的CO2，導致氣相中的CO2分壓快速降低，造成液相地熱流體中溶解的CO2快速釋放到氣相中（使式（4）向右進行），導致地熱流體pH 值增大；pH 值控制著的分配（pH 值增大使式（5）向右進行），使碳酸鈣析出，發(fā)生結垢現(xiàn)象（式（6）向右進行）。

由于發(fā)生了閃蒸，井筒中地熱流體存在單相流和兩相流，基于井口地熱流體測試參數(shù)，利用WELLSIM軟件的TOP-DOWN 算法，模擬得到地熱流體流型（見圖4）。由圖4 可以看出，地熱流體在井深56.10 m處發(fā)生閃蒸。

圖4 地熱流體流型的變化規(guī)律Fig.4 Variation law of geothermal fluids flow pattern

由于閃蒸發(fā)生在井深56.10 m 處，為了直觀地描述閃蒸過程，重點研究了井深100.00 m 以淺地熱流體壓力和溫度的變化情況，結果如圖5 所示。

從圖5 可以看出，井深25.00 m 左右處溫度開始快速降低，從井深25.00 m 到井口這段距離內溫度大約降低了9.0 ℃。地熱流體發(fā)生閃蒸，部分液相氣化為水蒸氣，氣化是吸熱過程，導致液相溫度快速下降。地熱流體的壓力梯度主要由摩擦、加速度和重力等因素造成的。地熱流體在閃蒸點以下是液態(tài)，壓力梯度主要是由重力造成的，考慮地熱流體溫度、密度的變化，地熱流體由重力原因造成的壓力梯度約為9.32 MPa/km；在閃蒸點以上，地熱流體發(fā)生閃蒸，加之地熱流體中不斷有CO2溢出進入氣相，造成單位井筒高度的地熱流體質量降低，也就是重力原因造成的地熱流體壓力梯度減小（見圖6）。由圖6 可以看出，由重力原因造成的壓力梯度沿井筒自下而上基本呈線性減小的趨勢，由摩擦和加速度造成的壓力梯度呈增大趨勢，但是相對于重力原因造成的壓力梯度可以忽略不計。

圖5 井深100.00 m 以淺地熱流體溫度和壓力的變化規(guī)律Fig.5 Variation laws of temperature and pressure of of geothermal fluids within 100 m below the wellhead

圖6 閃蒸位置以上重力原因造成的壓力梯度變化趨勢Fig.6 Variation trend of pressure drop caused by gravity above flashing depth

井深100.00 m 以淺地熱流體干度及CO2分壓的變化趨勢如圖7 所示。從圖7 可以看出，從閃蒸位置開始，地熱流體中CO2分壓先快速降低、后緩慢降低，直至基本保持不變；地熱流體干度先緩慢增大、后快速增大，說明地熱流體干度的響應速度小于地熱流體中的CO2分壓。

3 地熱井結垢影響因素分析

3.1 CO2 質量分數(shù)

圖7 井深100.00 m 以淺地熱流體干度和CO2 分壓的變化Fig.7 Variations of dryness and CO2 partial pressure of geothermal fluids within 100 m below the wellhead

CO2是地熱流體中不凝性氣體的主要成分[20]，在其他參數(shù)不變的前提下，研究井口CO2質量分數(shù)對閃蒸位置、閃蒸壓力的影響，結果如圖8 所示。

圖8 井口CO2 質量分數(shù)對閃蒸位置和閃蒸壓力的影響規(guī)律Fig.8 Influence of CO2 mass fraction at wellhead on flashing depth and flashing pressure

從圖8 可以看出，閃蒸位置隨著井口CO2質量分數(shù)增大呈線性下移的趨勢，井口地熱水中CO2質量分數(shù)每增加0.01 百分點，閃蒸位置下移約3.30 m。地熱流體中溶解的CO2取決于與其平衡的CO2分壓，基于亨利定律，地熱流體中CO2質量分數(shù)越大，其分壓越大。在較小的CO2質量分數(shù)范圍內，CO2質量分數(shù)對地熱流體閃蒸溫度的影響較小，也就是對閃蒸位置水蒸氣分壓影響較小，閃蒸壓力可以粗略計算為水蒸氣分壓和CO2分壓的和（忽略其他不凝性氣體），導致閃蒸壓力隨著地熱流體中CO2質量分數(shù)增大而增大，進而使閃蒸位置更靠近井底，J.R.Haizlip 等人[21]也得到了類似結論。

3.2 NaCl 質量分數(shù)

地熱流體中溶解的固體主要是NaCl，WELLSIM軟件用當量NaCl 質量分數(shù)來表示溶解固體的量，在其他參數(shù)不變的條件下，分析了井口地熱流體中NaCl 質量分數(shù)對閃蒸位置的影響，結果如圖9所示。

圖9 井口NaCl 質量分數(shù)對閃蒸位置的影響規(guī)律Fig.9 Influence of NaCl mass fraction at wellhead on flashing depth

與CaCO3平衡的Ca2+濃度的變化可以用溶度積表示：

式中：Kcal為溶度積，mol2/L2；c（Ca2+）為Ca2+濃度，mol/L；c（CO32-）為CO32-濃度，mol/L；γ為離子的活度系數(shù)。

從圖9 可以看出，閃蒸位置隨著井口地熱流體中NaCl 質量分數(shù)增大而呈線性緩慢地向井底方向移動。NaCl 質量分數(shù)增大，使地熱流體的離子濃度增大，而Ca2+和CO32-的活度系數(shù)則隨著地熱流體離子濃度增大而減小。因此，在Kcal保持不變的情況下，NaCl 質量分數(shù)增大，將使與CaCO3平衡的Ca2+濃度增大，從而使CaCO3的溶解度升高，地熱流體中CO32-的含量也將增大；根據(jù)亨利定律，地熱流體中CO2分壓也是增大的，造成閃蒸位置隨著NaCl 質量分數(shù)增大下移，但是離子濃度效應對閃蒸位置的影響較小。

3.3 地熱流體流量

在地熱流體其他參數(shù)不變的前提下，模擬研究了井口地熱流體流量對閃蒸位置的影響，結果如圖10 所示。從圖10 可以看出，隨著地熱流體流量增大，閃蒸位置向井底方向移動。

圖10 井口地熱流體流量對閃蒸位置的影響規(guī)律Fig.10 Influence law of geothermal fluids flow rate at wellhead on flashing depth

在井口壓力不變的條件下，模擬結果發(fā)現(xiàn)井底地熱流體壓力隨著其流量增大而增大。為了使不同流量下的井口壓力相同，大流量地熱流體工況下兩相地熱流體遷移高度要增大，所以造成了閃蒸位置隨著地熱流體流量增大而下移，T.Akin 等人在Kizildere 地熱田的模擬研究中也獲得了類似的結論[22]。實際生產(chǎn)過程中，井底地熱流體壓力一定，增大地熱流體流量，井口壓力降低，導致井筒中兩相混合物的高度變大，即發(fā)生閃蒸的位置下移，增大了碳酸鈣結垢間隔，也有利于降低碳酸鈣結垢程度[23]。WELLSIM 軟件的TOP-DOWN 反演計算方法，相當于把井口壓力的降低等價于井底壓力的增大，而不同流量下井底地熱流體溫度不變，因此對閃蒸位置變化趨勢的計算結果沒有影響。

以上研究表明，井口地熱流體CO2質量分數(shù)通過地熱流體氣液兩相的分壓變化影響地熱井結垢位置，井口地熱流體中NaCl 質量分數(shù)對結垢位置的影響體現(xiàn)在離子效應方面，井口地熱流體的質量和地熱流體的井口總壓有一定的關系。綜合對比3 種因素對地熱水閃蒸位置的影響，可以看出井口地熱水中CO2質量分數(shù)對地熱水閃蒸位置的影響最大。

4 結論與建議

1）結垢是地熱能可持續(xù)開發(fā)利用面臨的主要難題之一，其形成、演化受地熱流體的水文化學特性控制，且與井口地熱流體的壓力和流量密切相關。

2）針對博野地熱X 井存在的結垢問題，利用WELLSIM 軟件開展了地熱結垢影響因素及結垢位置預測研究。研究結果表明：地熱流體壓力沿地熱井筒自下而上呈線性減小的趨勢，地熱流體溫度先線性減小、后快速降低；反演得到的井底地熱流體溫度為128.0 ℃。

3）模擬得到地熱流體在井深56.10 m 處發(fā)生閃蒸，進行阻垢作業(yè)時的阻垢劑加注深度和潛水泵下入深度均應在閃蒸位置以下，為制定阻垢措施提供了理論依據(jù)。

4）研究表明，井口地熱流體中CO2質量分數(shù)對閃蒸位置的影響最大，所以測試井口地熱流體組分含量時，CO2質量分數(shù)的測試要求精度更高一些。通過調控井口壓力和流量，可以調節(jié)閃蒸位置，優(yōu)化流量和防垢成本之間的關系。