水文地球化学模拟技术在康定某高温地热井结垢研究中的应用*

张 恒，胡亚召，云智汉，屈泽伟（四川省地质工程勘察院，成都 610072）



水文地球化学模拟技术在康定某高温地热井结垢研究中的应用*

张 恒，胡亚召†，云智汉，屈泽伟
（四川省地质工程勘察院，成都 610072）

摘 要：结垢是地热流体开采过程中经常面临的重要问题之一。本文运用水文地球化学模拟技术，对康定某高温地热井结垢问题进行了分析研究。研究结果表明，该地热井在开采过程中随着地热流体温度、pH、压力、氧化还原环境等条件变化，发生严重的结垢现象，主要结垢物类型为碳酸盐类垢物，其次为金属铁类垢物，而硅酸盐类垢物和硫酸盐类垢物较少或没有，与实际相吻合。该方法可以通过水化学指标分析结垢物种类、结垢趋势，为地热资源合理开发利用提供理论依据。

关键词：结垢；高温地热流体；水文地球化学模拟；康定

0 前 言

结垢问题是地热流体经常面临的重要问题之一。地热水在形成过程中，溶解了多种矿物质，高矿化度地热水在温度、pH、压力、氧化还原环境等条件变化时，部分矿物成分达到饱和状态，发生沉淀聚集，附着在井壁、管道内侧及其他设备上，减小了井管过水断面，显著降低了地热能的利用效率。例如西藏羊八井地热电站在初期发电过程中结垢最为严重的是地热井内的井管在3 ～ 5天就能将直径200 mm的井管堵死，那曲地热电站因结垢而停止利用［1］。目前国内外有关学者在地热开发利用过程中，研究得出了很多可行、具有理论指导价值的结论。韦梅华等［2］采用拉申指数和雷兹诺指数等指数判定法，对四川省康定地热区4个地热井和3个温泉热水的碳酸钙结垢趋势进行了计算和判定，得出了硫酸钙和硅酸盐的结垢趋势。王延欣等［3］根据拉申指数和雷兹诺指数判断腐蚀结垢趋势，同时对结垢成分进行了XRD分析，明确了结垢原因和防垢措施。云智汉等［4］应用水文地球化学模拟和室内模拟耦合方法，对引起咸阳地热水回灌堵塞的问题进行了研究。SATMAN等［5］研究了热储构造内方解石沉积原因及其对流动的影响。FLORENT等［6］、APPELO［7］和MARIMUTHU等［8］利用PHREEQC模拟软件计算矿物饱和指数、并分析地下水与流经围岩之间的水-岩相互作用。DELALANDE等［9］采用PHREEQC地热流体化学软件模拟计算地热流体成分的饱和状态，预测结垢趋势。

研究区高温地热井内地热流体处于相对封闭、高温高压环境，地热流体开采中从井底到井口发生闪蒸，温度降低，压力减小，气体逸散，氧化还原环境改变［10］，水中某些成分达到饱和状态，发生严重结垢现象，开发利用地热资源前分析结垢成因迫在眉睫。

本文利用美国地质调查局研发的PHREEQC 2.8软件，采用水文地球化学模拟技术，对康定某高温地热井结垢机理进行分析研究。该项技术在国内外中低温研究中较成熟，但在高温地热研究中利用较少，特别是在川西高原高温地热井研究中属首次应用。与以往相比，本文以期查明结垢物种类及结垢趋势，以及结垢形成的主要、次要因素，为研究川西高原地热结垢规律提供指导。

1 研究区概况

研究区位于四川省甘孜州康定县城北（图1），构造上处于深大断裂鲜水河断裂东侧分支断裂雅拉河断裂带上，优势裂隙发育方向主要为北北西和北东向，与雅拉河断裂大角度相交，为温泉地热水形成提供了补给通道和储存空间。研究区地层岩性大致以雅拉河为界，分别形成东、西两大不同建造性质的分区，东部以三叠系中统杂谷脑组变质砂板岩为主，西部以燕山晚期中粒黑云母花岗岩及混合岩为主。

研究区高温地热井深1 847 m，钻遇地层为三叠系中统杂谷脑组变质砂板岩，放喷井口温度115℃，井口压力达0.34 Mpa，pH 7.8，矿化度2 378.9 mg/L。两次放喷试验在放喷约48 h时，管壁结垢厚度达3 cm，见图2，导致放喷管过水断面急剧减小，大大降低了地热流体出口流量，影响地热资源的综合开发利用。

图1 研究区交通位置图Fig. 1 Traffic location map of the study area

图2 放喷管口结垢Fig. 2 Scaling in outlet of the blowout tube

2 水文地球化学模拟结垢机理

水文地球化学模拟是在化学平衡和热力学平衡基础上，将地质学、化学、数学、热力学、化学动力学、地下水动力学、生物学及环境科学、计算机语言等多学科基础理论结合起来的一种方法，用于处理热储水-岩-气之间及在不同环境下所发生的各种地球化学作用的一种有力方法［10］。

本文水文地球化学模拟结垢物类型和趋势可通过地下热水的饱和状态来判断和研究，主要采用矿物饱和指数法进行评价。饱和指数［11］的定义为：

式中：K为矿物溶解反应的平衡常数；IAP表示矿物溶解反应中相关离子的活度积。当SI > 0时，矿物相对于水溶液处于过饱和状态，有发生沉淀的趋势；SI < 0，表示该矿物相对于水溶液未达到饱和状态；而当矿物的饱和指数SI = 0时，表示水溶液与矿物正好处于平衡状态［11］。

2.1 饱和指数计算结果

为保证水化学数据准确性和代表性，委托具有相应检测资质的四川省地质工程勘察院环境工程中心采集水样，及时送实验室进行检测分析，检测结果见表 1。根据地热井水质检测分析资料，利用PHREEQC软件中的饱和指数模块输入水质检测数据计算出25种矿物饱和指数结果见表2和图3。

计算结果显示，方解石、白云石、霰石、微斜长石、绿帘石、针铁矿及绿泥石处于过饱和状态；高岭石、钙长石、硬石膏、钠长石、天青石、石膏、盐岩、伊利石、磁铁矿和蒙脱石在热储中处于不饱和状态；基本处于饱和状态有玉髓、石英、白云母、正长石、重晶石、萤石、无定型SiO2和菱锶矿。

表1 水质检测分析结果［3］Table 1 Analysis of the results of water quality testing

表2 地热井多矿物饱和指数计算结果Table 2 The results of geothermal fluid minerals saturation index calculation

图3 地热井多矿物饱和指数图Fig. 3 The figure of geothermal well minerals saturation index

2.2 地热井结垢机理研究

研究地热井开采过程中的结垢机理，首先要确定开采过程中的反应性矿物。反应性矿物包括地层常见矿物、对地热流体化学组分贡献较大矿物以及在开采过程中可能与溶解沉淀关系密切的矿物［10］。根据矿物性质及元素组成的不同，我们把选取的反应性矿物主要划分为四类：碳酸盐类矿物、金属化合物、硅酸盐类矿物及硫酸盐类矿物［2］。本文分别对这四类矿物结垢机理进行研究。

2.2.1 碳酸盐类垢物

在地热流体开采过程中，影响最大的水垢普遍是碳酸钙垢物和碳酸镁垢物。水中的CO32-离子会参与碳酸的离解平衡和碳酸钙（碳酸镁）的沉淀溶解平衡两方面的反应。当反应达到平衡时，水中溶解的碳酸钙、二氧化碳和碳酸氢钙量保持不变，这时不会产生结垢现象。但是当温度、压力、pH、CO2、盐含量、氧化还原电位等因素发生变化时，溶解平衡发生变化会导致碳酸盐沉淀的生成［12］。

根据水文地球化学模拟结果（图4），该高温地热井开采过程中碳酸盐类矿物饱和指数SI始终大于0.5，根据冰岛碳酸盐矿物沉淀研究的判断经验［13］，碳酸盐矿物在该高温地热井有发生沉淀趋势，为主要结垢矿物。当温度升高、pH增大、CO2分压减小，碳酸盐类矿物饱和指数增大，趋于沉淀。

图4 地热井碳酸盐类矿物饱和指数与温度和pH的关系Fig. 4 The relationship of carbonate minerals saturation index with temperature and pH

2.2.2 金属类垢物

该地热井开采过程中主要金属类垢物为铁类垢物，包括针铁矿、磁铁矿和黄铁矿。铁离子的来源，其一是水中溶解的铁离子，其二是铁质井管的腐蚀产物［9］。铁离子在热水中极少并呈悬浮物状态出现。

影响铁类矿物溶解沉淀的因素主要有温度、pH和氧化还原电位Eh。铁类垢物在热水输送管道壁随处可见，根据水文地球化学模拟结果（图5和 图6），在地热流体开采过程中，随着热储流体温度的降低，铁矿物饱和指数变大，沉淀趋势增加，故在井下及热储内铁类矿物不易沉淀，在井上及管道附近易于沉淀；开采过程中，随着CO2逸出，pH增大，铁类矿物饱和指数逐渐增大；氧化还原环境对铁矿物饱和状态影响较大，随着Eh的增大，铁类矿物的饱和指数随着 Eh增大而增大，故随着地热水的开采，热储环境逐渐由还原环境变为氧化环境，铁类垢物增加，同时，CO2逸出过程中伴随着对金属管壁的腐蚀，加快了金属垢物的形成。

图5 地热井铁类矿物饱和指数与温度和pH的关系Fig. 5 The relationship of ferrous minerals saturation index with temperature and pH

图6 地热井铁类矿物饱和指数与Eh的关系Fig. 6 The relationship of ferrous minerals saturation index with Eh

2.2.3 硅酸盐类垢物

地热水中硅酸盐类主要为二氧化硅，当二氧化硅达到过饱和状态时，过量的二氧化硅便以无定形二氧化硅形态析出，析出的二氧化硅并不下沉却以胶体颗粒悬浮水中。如果热水中含有金属离子，无定型二氧化硅会作为晶核吸附金属离子形成坚硬的硅酸盐垢［10］。

水文地球化学模拟结果表明（图7），硅酸盐类矿物中绿帘石、绿泥石和微斜长石为过饱和状态，可能是热水悬浮物的主要来源；石英及白云母等矿物达饱和状态，其析出物可能以胶体悬浮于热水中或与金属离子结合成硅酸盐垢。结合高温地热井结垢物检测结果，其硅酸盐类结垢物较少。

图7 地热井硅酸盐类矿物饱和指数与温度和pH的关系Fig. 7 The relationship of silicate minerals saturation index with temperature and pH

2.2.4 硫酸盐类垢物

硫酸盐类垢物主要的存在形式有三种，分别为石膏（CaSO4）、重晶石（BaSO4）和天青石（SrSO4）。

影响硫酸盐类矿物溶解沉淀的因素主要有温度、pH和盐含量等。通过水文地球化学模拟计算（图8），随着温度的增加，天青石和石膏的饱和指数增大，重晶石饱和指数减小，但在地热井温度达到115℃时，硫酸盐类矿物饱和指数始终小于零，呈溶解状态；同时随着pH增大、CO2分压减小，石膏、天青石和重晶石溶解趋势增加，但是盐含量越大，硫酸盐类矿物的饱和指数越大，目前该地热井还未检出硫酸盐类垢物。

图8 地热井硫酸盐类矿物饱和指数与温度和pH的关系Fig. 8 The relationship of sulphate minerals saturation index with temperature and pH

实际情况下，矿物溶解沉淀并不由某一因素单独控制，地热流体包括其温度、pH、CO2分压等组成了一个水溶液系统，在地下热水开采过程中，热水封存条件改变，随着 CO2分压的减小，溶液 pH增大，同时由于热交换作用，热储流体温度也会降低，因此是多种因素共同控制了地热井垢物的形成。

3 模拟结果分析

通过水文地球化学模拟分析研究，表明影响高温地热井结垢的主要为碳酸盐类垢物，其次为金属铁类垢物，而硅酸盐类垢物和硫酸盐类垢物较少或没有。图9为结垢样检测结果，表明结垢物主要为碳酸钙垢物（其中钙离子占40.072%，碳酸根离子占59.878%），其次为少量的铁离子（占0.047%），所测其余离子含量较少，与水文地球化学模拟结果具有一致性。

图9 结垢样检测分析统计Fig. 9 Statistical analysis of the scaling sample testing

4 结 论

本文通过水文地球化学模拟计算，模拟结果较好地反映了地热井在开采过程中随着地热流体温度、pH、压力、氧化还原环境等条件的变化，引起了一系列综合复杂的化学反应过程，并形成多样结垢物，其中主要为碳酸盐类垢物，其次为金属铁类垢物，而硅酸盐类垢物和硫酸盐类垢物较少或没有，与实际情况定性吻合。研究发现，由于高温闪蒸作用，使压力减少、气体释放、温度降低，是导致川西康定高温地热井结垢严重的主因，pH、氧化还原环境条件变化为次要因素。因此，水文地球化学模拟可以通过水化学指标分析结垢物种类、结垢趋势等，在利用高温地热资源过程中，尽可能采取封闭式循环环境，减少外界因素的影响，尽量较少结垢物的产生，为地热资源合理开发利用提供理论依据。

参考文献：

［1］ 韦梅花. 四川省康定县地下热水结垢机理及趋势分析［D］. 北京: 中国地质大学（北京）， 2012: 1-2.

［2］ 韦梅花， 田廷山， 孙燕冬， 等. 四川省康定地区地热水结垢趋势分析［J］. 水文地质工程地质， 2012， 39（5）: 1-2.

［3］ 王延欣， 刘世良， 边庆玉， 等. 甘孜地热井结垢分析及防垢对策［J］. 新能源进展， 2015， 3（3）: 202-206. DOI: 10.3969/j.issn.2095-560X.2015.03.007.

［4］ 云智汉， 马致远， 周鑫， 等. 碳酸盐结垢对中低温地热流体回灌的影响——以咸阳地热田为例［J］. 地下水，2014， 36（2）: 31-33.

［5］ SATMAN A， UGUR Z， ONUR M. The effect of calcite deposition on geothermal well inflow performance［J］. Geothermics， 1999， 28（3）: 425-444. DOI: 10.1016/ S0375-6505（99）00016-4.

［6］ FLORENT B， CHRISTELLE M， ELISABETH G， et al. Hydrochemical and isotopic characterisation of the Bathonian and Bajocian coastal aquifer of the Caen area （northern France）［J］. Applied geochemistry， 2000， 15（6）: 791-805. DOI: 10.1016/S0883-2927（99）00088-8.

［7］ APPELO C A J， POSTMA D. Geochemistry， groundwater and pollution［M］. Rotterdam: A. A. Balkema Publisher，2005.

［8］ MARIMUTHU S， REYNOIDS D A， LA SALLE C L G，et al. A field study of hydraulic， geochemical and stable isotope relationships in a coastal wetlands system［J］. Journal of hydrology， 2005， 315（1/4）: 93-116. DOI: 10.1016/j.jhydrol.2005.03.041.

［9］ DELALANDE M， BERGONZINI L， GHERARDI F， et al. Fluid geochemistry of natural manifestations from the Southern Poroto-Rungwe hydrothermal system （Tanzania）: Preliminary conceptual model［J］. Journal of volcanology and geothermal research， 2011， 199（1/2）: 127-141. DOI: 10.1016/j.jvolgeores.2010.11.002.

［10］ 豆惠萍. 基于水文地球化学模拟的地热尾水回灌化学堵塞研究——以咸阳回灌一号井为例［D］. 西安: 长安大学， 2012: 4， 34.

［11］ 沈照理， 朱宛华， 钟佐燊. 水文地球化学基础［M］. 地质出版社.1993.14-15.

［12］ 丁小. 压力和温度对三元复合驱中成垢的影响［J］. 内蒙古石油化工， 2012（17）: 74-75. DOI: 10.3969/j.issn. 1006-7981.2012.17.033.

［13］ 白丽萍， 孟宪级， THORHALLSSON S. 冰岛低温地热水供热系统碳酸钙沉积的成因［J］. 太阳能学报， 1998（3）: 271-276. DOI: 10.3321/j.issn:0254-0096.1998. 03.009.

Applying Hydro-Geochemistry Simulating Technology to Study Scaling of the High-Temperature Geothermal Well in Kangding County

ZHANG Heng， HU Ya-zhao， YUN Zhi-han， QU Ze-wei
（Sichuan institute of geological engineering investigation， Chengdu 610072）

Abstract：Scaling is one of the important issues in the process of geothermal fluid extraction. The paper tries to use hydro-geochemistry simulating technology to study scaling of the high-temperature geothermal well in Kangding County. The results show that the geothermal well in Kangding County scales seriously as geothermal fluid temperature， pH，pressure and redox environment change in the mining process. The main type of deposition is carbonate， following by metal Fe， and silicate or sulfate fouling is little or none. The simulation result is close to the practical case. The method can provide theoretical basis for reasonable development and utilization of geothermal resource through analyzing the results of deposition types and scaling trend with water chemical indicators.

Key words：scaling； high-temperature geothermal fluid； hydro-geochemistry simulation； Kangding County

中图分类号：TK52

文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.2095-560X.2016.02.006

文章编号：2095-560X（2016）02-0111-07

* 收稿日期：2016-01-06

修订日期：2016-03-03

通信作者：†胡亚召，E-mail：191022462@qq.com

作者简介：

张 恒（1977-），男，硕士，高级工程师，主要从事水文地质、工程地质及环境地质研究。

胡亚召（1983-），男，硕士，工程师，主要从事水文地质、工程地质及环境地质研究。