地热回灌系统水结垢预测

2011-06-06陈玉林

地下水 2011年6期

田涛，陈玉林，姚杰

(1.西北大学地质系，陕西西安 710069;2.新疆塔里木油田库车勘探开发项目经理部新疆库尔勒 841000)

西安市是中国较早开发利用地热能源的城市之一。目前，西安己有热水井200多眼，年开采热水量超过700万m3，并且以5～10眼/年的速度增加。地热能消耗量如此之大，以致地下水水位逐年大幅下降。为了减缓水位下降快、能源浪费大，西安市水务局积极开展回灌工作，并建成若干地热水回灌试点，例如，陕西宾馆、雅荷春天小区、春晓苑小区和西安工程技术学院等。由于西安市热储层为孔隙型热储层，回灌过程中化学沉淀堵塞现象的发生成为制约回灌量的主要因素之一。为了解决因化学结垢堵塞而引起的回灌量衰减问题，就必须针对回灌水源与地热水进行结垢预测，根据软件预测结果对回灌水源进行必要的预处理再回灌，从而提高回灌效率。

1 结垢预测理论基础

结垢预测软件中所使用的判断矿物溶解或沉淀的可能性的标准为水中某矿物的实际状态和平衡状态的吉布斯自由能之差ΔGdiff(等于化学亲合力)及饱和指数(SI):SI=㏑(Q/K)

其中R是气体常数，T是开氏温度，Q是离子活度积，K是特定温度压力条件下的平衡常数。

在平衡状态，Q=K且ΔGdiff=0，在这种情况，水和矿物达到平衡而不会发生溶解或沉淀。SI＜0或ΔGdiff＜0，由于不饱和，矿物不能从水中沉淀出来，如果沉淀中存在这种矿物，该矿物会溶解。SI＞0或ΔGdiff＞0，由于过饱和，矿物不会溶解，但如果满足一定的条件，它反而可能会从水中沉淀出来。

2 陕西宾馆地热水结垢预测分析

对陕西宾馆地热水进行的结垢预测，主要是模拟高温高压下开采井水与回灌井水两种流体的配伍性分析。根据两种水样的分析资料，软件可以改变该体系的温度和压力模拟任意温度和压力下两种水在不同比例下混合的配伍性及矿物在高温高压水中的溶解状况。从而还可以确定出两种水的最佳配比。

本文选取两种对比明显的混合比例即陕西宾馆开采井水与回灌水混合比例为4∶6和1∶9时的模拟情况，结合部分矿物饱和指数(SI)图，对陕西宾馆地热水进行水化学及结垢预测分析。

1)陕西宾馆开采井水与陕西宾馆回灌水混合比例为4∶6时:

图1 混合比例为4:6时矿物饱和指数图

在SI图上，矿物饱和指数＞0，表示有可能结垢，数值大小反映可能结垢的程度;矿物饱和指数＜0，表示不结垢，数值大小反映不会结垢的程度。由图1(a、b)可见此混合比例下可能会有较多的结垢现象发生。其中钠柱石、绿泥石、钠(钾、钙)斜发沸等矿物的SI＞0的数值较大，即出现结垢的可能性比较大。

2)陕西宾馆开采井水与回灌水混合比例为1:9时:

图2 混合比例为1:9时矿物饱和指数图

由图2(a、b)可见此混合比例下出现结垢现象的可能性较小，绝大部分矿物SI＜0;只有少量矿物的SI＞0，例如绿泥石、白云石等，但是数值比较小，即结垢可能性不大。

表1 陕西宾馆地热水配伍性报告

《地热回灌水推荐遵循的主要控制指标》提出结垢量小于100 mg/L即视为配伍性较好。由表1可知，陕西宾馆开采井水与回灌井水比例为4∶6时，结垢量为69.8 mg/L;比例为1∶9时，结垢量为48.8 mg/L。两者结垢量均小于100 mg/L，说明陕西宾馆地热井水配伍性比较好。相对而言，比例1∶9时结垢量最小，可将其考虑为回灌水与开采井水的最佳配比。

由配伍性实验报告可见，最主要的两种结垢物分别为CaSO4和CaCO3。出现原因是地热流体自地下深处向上运移时压力快速减小，HCO-3含量较高的流体会释放一定量的CO2从而引起Ca(Mg)CO3沉淀;西安地区的主要交换围岩可能是硫酸盐岩矿物，地热水会溶解交换硫酸盐岩矿物中的SO42-离子，使地热水中存在大量SO42-离子而导致CaSO4沉淀的发生。