地熱回灌系統水結垢預測

田 濤，陳玉林，姚 杰

(1.西北大學地質系，陜西 西安 710069;2.新疆塔里木油田庫車勘探開發項目經理部 新疆 庫爾勒 841000)

西安市是中國較早開發利用地熱能源的城市之一。目前，西安己有熱水井200多眼，年開采熱水量超過700萬m3，并且以5～10眼/年的速度增加。地熱能消耗量如此之大，以致地下水水位逐年大幅下降。為了減緩水位下降快、能源浪費大，西安市水務局積極開展回灌工作，并建成若干地熱水回灌試點，例如，陜西賓館、雅荷春天小區、春曉苑小區和西安工程技術學院等。由于西安市熱儲層為孔隙型熱儲層，回灌過程中化學沉淀堵塞現象的發生成為制約回灌量的主要因素之一。為了解決因化學結垢堵塞而引起的回灌量衰減問題，就必須針對回灌水源與地熱水進行結垢預測，根據軟件預測結果對回灌水源進行必要的預處理再回灌，從而提高回灌效率。

1 結垢預測理論基礎

結垢預測軟件中所使用的判斷礦物溶解或沉淀的可能性的標準為水中某礦物的實際狀態和平衡狀態的吉布斯自由能之差ΔGdiff(等于化學親合力)及飽和指數(SI):SI=㏑(Q/K)

其中R是氣體常數，T是開氏溫度，Q是離子活度積，K是特定溫度壓力條件下的平衡常數。

在平衡狀態，Q=K且ΔGdiff=0，在這種情況，水和礦物達到平衡而不會發生溶解或沉淀。SI＜0或ΔGdiff＜0，由于不飽和，礦物不能從水中沉淀出來，如果沉淀中存在這種礦物，該礦物會溶解。SI＞0或ΔGdiff＞0，由于過飽和，礦物不會溶解，但如果滿足一定的條件，它反而可能會從水中沉淀出來。

2 陜西賓館地熱水結垢預測分析

對陜西賓館地熱水進行的結垢預測，主要是模擬高溫高壓下開采井水與回灌井水兩種流體的配伍性分析。根據兩種水樣的分析資料，軟件可以改變該體系的溫度和壓力模擬任意溫度和壓力下兩種水在不同比例下混合的配伍性及礦物在高溫高壓水中的溶解狀況。從而還可以確定出兩種水的最佳配比。

本文選取兩種對比明顯的混合比例即陜西賓館開采井水與回灌水混合比例為4∶6和1∶9時的模擬情況，結合部分礦物飽和指數(SI)圖，對陜西賓館地熱水進行水化學及結垢預測分析。

1)陜西賓館開采井水與陜西賓館回灌水混合比例為4∶6時:

圖1 混合比例為4:6時礦物飽和指數圖

在SI圖上，礦物飽和指數＞0，表示有可能結垢，數值大小反映可能結垢的程度;礦物飽和指數 ＜0，表示不結垢，數值大小反映不會結垢的程度。由圖1(a、b)可見此混合比例下可能會有較多的結垢現象發生。其中鈉柱石、綠泥石、鈉(鉀、鈣)斜發沸等礦物的SI＞0的數值較大，即出現結垢的可能性比較大。

2)陜西賓館開采井水與回灌水混合比例為1:9時:

圖2 混合比例為1:9時礦物飽和指數圖

由圖2(a、b)可見此混合比例下出現結垢現象的可能性較小，絕大部分礦物SI＜0;只有少量礦物的SI＞0，例如綠泥石、白云石等，但是數值比較小，即結垢可能性不大。

表1 陜西賓館地熱水配伍性報告

《地熱回灌水推薦遵循的主要控制指標》提出結垢量小于100 mg/L即視為配伍性較好。由表1可知，陜西賓館開采井水與回灌井水比例為4∶6時，結垢量為69.8 mg/L;比例為1∶9時，結垢量為48.8 mg/L。兩者結垢量均小于100 mg/L，說明陜西賓館地熱井水配伍性比較好。相對而言，比例1∶9時結垢量最小，可將其考慮為回灌水與開采井水的最佳配比。

由配伍性實驗報告可見，最主要的兩種結垢物分別為CaSO4和CaCO3。出現原因是地熱流體自地下深處向上運移時壓力快速減小，HCO-3含量較高的流體會釋放一定量的CO2從而引起Ca(Mg)CO3沉淀;西安地區的主要交換圍巖可能是硫酸鹽巖礦物，地熱水會溶解交換硫酸鹽巖礦物中的SO42-離子，使地熱水中存在大量SO42-離子而導致CaSO4沉淀的發生。

因此，在回灌前可對回灌水源進行酸化處理，改變回灌水源的PH值，或對回灌水源進行提前沉淀處理，將沉淀物過濾后再注入回灌井。

3 結論及建議

(1)通過結垢預測試驗分析，鈉柱石、綠泥石、斜發沸、白云石等礦物結垢的可能性較大，回灌前應做些相關處理;通過混合配比為1∶9時的結垢預測模型，可知此比例下礦物出現結垢的可能性較小;通過混合配比為4∶6時的結垢預測模型，可知此比例下礦物出現結垢的可能性較大。

(2)配伍性分析結果表明:陜西賓館地熱水配伍性較好;混合比例為1∶9時結垢量最小，可將其視為回灌的最佳配比;4∶6時結垢量最大。此結果也驗證了結垢預測結果的準確性、可靠性。

(3)目前出現在西安地區(主要是孔隙型熱儲)回灌系統中的堵塞問題是極其復雜的，化學結垢堵塞只是其中一個重要的因素，還有其他多方面的影響因素。真正實現回灌率的提高，還要進一步研究其他堵塞原因，將各方面因素綜合考慮，制定合理的方案。

(4)防止堵塞的措施，應根據水質的化驗結果而優化制定，選擇對預處理水質最有針對性的方法，既要保證回灌水質符合要求，又要防止過度處理以增加不必要的投資。

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