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(yīng)用技術(shù)推廣中心，北京 100083；3.中國科學(xué)院廣州能源研究所，廣東廣州 510640；4.中國科學(xué)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(yīng)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(jié)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(nèi)碳酸鈣結(jié)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(jié)垢問題[7-8]；結(jié)垢問題也是西藏那曲地熱電站關(guān)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(jié)垢問題于1993 年停止使用[10]。

我國地熱資源以中低溫為主，結(jié)垢類型多為碳酸鹽垢，國內(nèi)外很多學(xué)者針對地熱井結(jié)垢問題，進行了閃蒸趨勢及結(jié)垢位置預(yù)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(nèi)華達州迪克西谷地熱井的碳酸鈣結(jié)垢行為；G.Patzay 等人[12]分析了匈牙利南部高溫地熱井結(jié)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(zhì)量流量下的閃蒸位置，并設(shè)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(jié)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(jié)垢趨勢；Li Yiman 等人[17]對康定地熱井的碳酸鈣結(jié)垢趨勢進行了定量評估；韋梅華[18]對汾渭裂谷帶地熱井結(jié)垢趨勢進行了預(yù)測，并進行了熱儲礦物平衡分析；張恒等人[19]采用水化學(xué)指標，分析了甘孜某地熱井的結(jié)垢物種類和結(jié)垢趨勢?？梢钥闯?，地熱流體閃蒸特性及結(jié)垢位置預(yù)測是地熱防垢的關(guān)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(jié)垢問題，SEM 和XRD 分析結(jié)果表明，垢樣中CaCO3含量大于96%。文獻調(diào)研表明，地熱結(jié)垢研究以結(jié)垢趨勢預(yù)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(jié)垢位置預(yù)測及影響因素分析，研究結(jié)果為化學(xué)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(zhì)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(jié)垢位置預(yù)測研究

2.1 數(shù)學(xué)模型

采用WELLSIM 軟件模擬地熱井井筒，分析井筒內(nèi)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(zhì)流體，建立地熱流體的質(zhì)量、動量和能量守恒方程。

質(zhì)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(zhì)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(jié)垢位置預(yù)測

根據(jù)X 井的井口地熱流體參數(shù)，計算可得CO2質(zhì)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(yīng)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(zhì)量迅速增加，稀釋了氣相中的CO2，導(dǎo)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(dǎo)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(jié)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(jié)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(nèi)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(dǎo)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(zhì)量降低，也就是重力原因造成的地熱流體壓力梯度減?。ㄒ妶D6）。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(yīng)速度小于地熱流體中的CO2分壓。

3 地熱井結(jié)垢影響因素分析

3.1 CO2 質(zhì)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(zhì)量分數(shù)對閃蒸位置、閃蒸壓力的影響，結(jié)果如圖8 所示。

圖8 井口CO2 質(zhì)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(zhì)量分數(shù)增大呈線性下移的趨勢，井口地熱水中CO2質(zhì)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(zhì)量分數(shù)越大，其分壓越大。在較小的CO2質(zhì)量分數(shù)范圍內(nèi)，CO2質(zhì)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(dǎo)致閃蒸壓力隨著地熱流體中CO2質(zhì)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(jié)論。

3.2 NaCl 質(zhì)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(zhì)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(zhì)量分數(shù)對閃蒸位置的影響，結(jié)果如圖9所示。

圖9 井口NaCl 質(zhì)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(zhì)量分數(shù)增大而呈線性緩慢地向井底方向移動。NaCl 質(zhì)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(zhì)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(zhì)量分數(shù)增大下移，但是離子濃度效應(yīng)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(jié)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(jié)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(jié)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(dǎo)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(jié)垢間隔，也有利于降低碳酸鈣結(jié)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(jié)果沒有影響。

以上研究表明，井口地熱流體CO2質(zhì)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(jié)垢位置，井口地熱流體中NaCl 質(zhì)量分數(shù)對結(jié)垢位置的影響體現(xiàn)在離子效應(yīng)方面，井口地熱流體的質(zhì)量和地熱流體的井口總壓有一定的關(guān)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(zhì)量分數(shù)對地熱水閃蒸位置的影響最大。

4 結(jié)論與建議

1）結(jié)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(xué)特性控制，且與井口地熱流體的壓力和流量密切相關(guān)。

2）針對博野地熱X 井存在的結(jié)垢問題，利用WELLSIM 軟件開展了地熱結(jié)垢影響因素及結(jié)垢位置預(yù)測研究。研究結(jié)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(yīng)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(zhì)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(zhì)量分數(shù)的測試要求精度更高一些。通過調(diào)控井口壓力和流量，可以調(diào)節(jié)閃蒸位置，優(yōu)化流量和防垢成本之間的關(guān)系。