地?zé)峄毓嘞到y(tǒng)水結(jié)垢預(yù)測(cè)

田 濤，陳玉林，姚 杰

(1.西北大學(xué)地質(zhì)系，陜西 西安 710069;2.新疆塔里木油田庫(kù)車(chē)勘探開(kāi)發(fā)項(xiàng)目經(jīng)理部 新疆 庫(kù)爾勒 841000)

西安市是中國(guó)較早開(kāi)發(fā)利用地?zé)崮茉吹某鞘兄弧Ｄ壳埃靼布河袩崴?00多眼，年開(kāi)采熱水量超過(guò)700萬(wàn)m3，并且以5～10眼/年的速度增加。地?zé)崮芟牧咳绱酥螅灾碌叵滤恢鹉甏蠓陆怠榱藴p緩水位下降快、能源浪費(fèi)大，西安市水務(wù)局積極開(kāi)展回灌工作，并建成若干地?zé)崴毓嘣圏c(diǎn)，例如，陜西賓館、雅荷春天小區(qū)、春曉苑小區(qū)和西安工程技術(shù)學(xué)院等。由于西安市熱儲(chǔ)層為孔隙型熱儲(chǔ)層，回灌過(guò)程中化學(xué)沉淀堵塞現(xiàn)象的發(fā)生成為制約回灌量的主要因素之一。為了解決因化學(xué)結(jié)垢堵塞而引起的回灌量衰減問(wèn)題，就必須針對(duì)回灌水源與地?zé)崴M(jìn)行結(jié)垢預(yù)測(cè)，根據(jù)軟件預(yù)測(cè)結(jié)果對(duì)回灌水源進(jìn)行必要的預(yù)處理再回灌，從而提高回灌效率。

1 結(jié)垢預(yù)測(cè)理論基礎(chǔ)

結(jié)垢預(yù)測(cè)軟件中所使用的判斷礦物溶解或沉淀的可能性的標(biāo)準(zhǔn)為水中某礦物的實(shí)際狀態(tài)和平衡狀態(tài)的吉布斯自由能之差ΔGdiff(等于化學(xué)親合力)及飽和指數(shù)(SI):SI=㏑(Q/K)

其中R是氣體常數(shù)，T是開(kāi)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(shù)。

在平衡狀態(tài)，Q=K且ΔGdiff=0，在這種情況，水和礦物達(dá)到平衡而不會(huì)發(fā)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(lái)，如果沉淀中存在這種礦物，該礦物會(huì)溶解。SI＞0或ΔGdiff＞0，由于過(guò)飽和，礦物不會(huì)溶解，但如果滿(mǎn)足一定的條件，它反而可能會(huì)從水中沉淀出來(lái)。

2 陜西賓館地?zé)崴Y(jié)垢預(yù)測(cè)分析

對(duì)陜西賓館地?zé)崴M(jìn)行的結(jié)垢預(yù)測(cè)，主要是模擬高溫高壓下開(kāi)采井水與回灌井水兩種流體的配伍性分析。根據(jù)兩種水樣的分析資料，軟件可以改變?cè)擉w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(duì)比明顯的混合比例即陜西賓館開(kāi)采井水與回灌水混合比例為4∶6和1∶9時(shí)的模擬情況，結(jié)合部分礦物飽和指數(shù)(SI)圖，對(duì)陜西賓館地?zé)崴M(jìn)行水化學(xué)及結(jié)垢預(yù)測(cè)分析。

1)陜西賓館開(kāi)采井水與陜西賓館回灌水混合比例為4∶6時(shí):

圖1 混合比例為4:6時(shí)礦物飽和指數(shù)圖

在SI圖上，礦物飽和指數(shù)＞0，表示有可能結(jié)垢，數(shù)值大小反映可能結(jié)垢的程度;礦物飽和指數(shù) ＜0，表示不結(jié)垢，數(shù)值大小反映不會(huì)結(jié)垢的程度。由圖1(a、b)可見(jiàn)此混合比例下可能會(huì)有較多的結(jié)垢現(xiàn)象發(fā)生。其中鈉柱石、綠泥石、鈉(鉀、鈣)斜發(fā)沸等礦物的SI＞0的數(shù)值較大，即出現(xiàn)結(jié)垢的可能性比較大。

2)陜西賓館開(kāi)采井水與回灌水混合比例為1:9時(shí):

圖2 混合比例為1:9時(shí)礦物飽和指數(shù)圖

由圖2(a、b)可見(jiàn)此混合比例下出現(xiàn)結(jié)垢現(xiàn)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(shù)值比較小，即結(jié)垢可能性不大。

表1 陜西賓館地?zé)崴湮樾詧?bào)告

《地?zé)峄毓嗨扑]遵循的主要控制指標(biāo)》提出結(jié)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(kāi)采井水與回灌井水比例為4∶6時(shí)，結(jié)垢量為69.8 mg/L;比例為1∶9時(shí)，結(jié)垢量為48.8 mg/L。兩者結(jié)垢量均小于100 mg/L，說(shuō)明陜西賓館地?zé)峋湮樾员容^好。相對(duì)而言，比例1∶9時(shí)結(jié)垢量最小，可將其考慮為回灌水與開(kāi)采井水的最佳配比。

由配伍性實(shí)驗(yàn)報(bào)告可見(jiàn)，最主要的兩種結(jié)垢物分別為CaSO4和CaCO3。出現(xiàn)原因是地?zé)崃黧w自地下深處向上運(yùn)移時(shí)壓力快速減小，HCO-3含量較高的流體會(huì)釋放一定量的CO2從而引起Ca(Mg)CO3沉淀;西安地區(qū)的主要交換圍巖可能是硫酸鹽巖礦物，地?zé)崴畷?huì)溶解交換硫酸鹽巖礦物中的SO42-離子，使地?zé)崴写嬖诖罅縎O42-離子而導(dǎo)致CaSO4沉淀的發(fā)生。

因此，在回灌前可對(duì)回灌水源進(jìn)行酸化處理，改變回灌水源的PH值，或?qū)毓嗨催M(jìn)行提前沉淀處理，將沉淀物過(guò)濾后再注入回灌井。

3 結(jié)論及建議

(1)通過(guò)結(jié)垢預(yù)測(cè)試驗(yàn)分析，鈉柱石、綠泥石、斜發(fā)沸、白云石等礦物結(jié)垢的可能性較大，回灌前應(yīng)做些相關(guān)處理;通過(guò)混合配比為1∶9時(shí)的結(jié)垢預(yù)測(cè)模型，可知此比例下礦物出現(xiàn)結(jié)垢的可能性較小;通過(guò)混合配比為4∶6時(shí)的結(jié)垢預(yù)測(cè)模型，可知此比例下礦物出現(xiàn)結(jié)垢的可能性較大。

(2)配伍性分析結(jié)果表明:陜西賓館地?zé)崴湮樾暂^好;混合比例為1∶9時(shí)結(jié)垢量最小，可將其視為回灌的最佳配比;4∶6時(shí)結(jié)垢量最大。此結(jié)果也驗(yàn)證了結(jié)垢預(yù)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性、可靠性。

(3)目前出現(xiàn)在西安地區(qū)(主要是孔隙型熱儲(chǔ))回灌系統(tǒng)中的堵塞問(wèn)題是極其復(fù)雜的，化學(xué)結(jié)垢堵塞只是其中一個(gè)重要的因素，還有其他多方面的影響因素。真正實(shí)現(xiàn)回灌率的提高，還要進(jìn)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(yīng)根據(jù)水質(zhì)的化驗(yàn)結(jié)果而優(yōu)化制定，選擇對(duì)預(yù)處理水質(zhì)最有針對(duì)性的方法，既要保證回灌水質(zhì)符合要求，又要防止過(guò)度處理以增加不必要的投資。

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