CN115236118B - 一种分析地热流体在管道内结垢情况的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种分析地热流体在管道内结垢情况的方法，包括采集装置和模拟系统，所述分析方法包括：（1）采集地热流体样品，并分离为水样和气样；（2）分别分析水样的溶液离子成分和气样的气体组分；（3）配置模拟液和模拟气体；（4）向高温高压反应釜通入模拟气体和模拟液；（5）气体与模拟液混合反应形成模拟所需的地热流体；（6）模拟地热流体在结垢模拟管道内发生结垢；（7）初步分析地热流体中的离子组成；（8）分析流体成分；（9）判断结垢趋势；（10）观察结垢状态、计算结垢速率、判断结垢位置与结垢量、确认结垢产物成分。本发明通过系统与方法相结合，具有模拟效果明显，分析更加准确，更符合地热井中实际生产情况的特点。

Description

一种分析地热流体在管道内结垢情况的方法

技术领域

本发明涉及地热流体管道内结垢情况分析技术领域，具体地说，是涉及一种分析地热流体在管道内结垢情况的方法。

背景技术

地热资源有着清洁环保、储量大、分布广的特征，是重要的清洁能源，可用于发电、供暖、制冷等。目前，全球范围内直接利用地热能的国家约有88个，而我国对地热能的年利用量约为443492TJ，在近十年来一直位列全球第一（罗宁等，2021），若能发挥地热能相较于石油能源低碳的优势，将对我国能源转型、优化能源结构、实现碳达峰、碳中和具有重要意义。我国地热资源丰富，目前已探明地热资源总量约占全球地热资源总量的8%，相当于4000多亿吨标准煤（尹玉龙，2018）。传统水热型地热资源发电潜力为6700MW，位列世界第3，但总装机容量排在世界第19位，可见，当前地热资源开发利用现状与资源总量严重不符，有着巨大的发展潜力（Zhao et al., 2020）。

目前地热行业方兴未艾，地热能的发展仍受到开采技术等多方面因素影响，在地热开发利用时，因深埋地下的地热流体矿化度较高，其中存在大量二氧化硅、硫化物、硅酸盐、碳酸盐等易发生腐蚀、结垢的矿物质，在流体运移过程中，随着温压条件的改变，极易因化学失衡而析出沉淀物，并以结垢物的形式吸附在管壁上，成为严重制约地热开采与利用效率的地热井结垢问题。根据不同的地热区地热流体性质的不同，其管道中形成的结垢物类型也有所区别，根据结垢物成分大致可分为碳酸盐垢、硫酸盐垢以及硅酸盐垢。在我国，地热资源丰富且地热结垢较为严重的当属川藏地区，其地热资源以中低温为主，经取样分析后发现结垢类型以碳酸盐垢为主。地热井管道结垢会使得管道横截面积降低，流体运移通道范围缩小，流动阻力增大，出水率降低，设备运转效率下降，能耗增加，热能传递效率降低，严重的还会损害仪器，严重影响地热的生产与运输，如Los Humeros 地热井由于井筒内碳酸钙结垢，蒸气产量由38 t/h降至4 t/h，新星公司在甘孜州的DZK02地热井也存在严重的碳酸钙结垢问题，虽然通过空心捅井器进行机械捅井除垢在一定程度上能缓解结垢问题，但效率仍然很低。

可见，落后的智能化水平已难以满足当下能源转型对深部热储开发利用的需求。并且，结垢严重的地热区还会封堵地热井使其作废，如西藏那曲地热井因结垢问题而停运（王大宏等，2002），所以，频繁的地热井防垢与除垢工作极大地提高了地热资源利用的成本，降低了地热资源的利用效率，不利于新时代下的能源转型。

因此，地热井结垢问题成为了亟待解决的难题。当前，众多学者通过地化手段分析了不同地热区地热水物理化学性质，判断地热水结垢腐蚀趋势。还有部分学者通过室内实验模拟来刻画地热井结垢过程，并结合软件模拟地热开采过程中流体运移状态，来定性判断结垢位置、结垢量，从结垢机理上对地热井结垢过程达成较为清晰的认识，从而达到解决地热井结垢的目的，如张恒等利用美国地质调查局研发的PHREEQC 2.8软件，使用水文地球化学模拟技术，对康定地区高温地热井井筒结垢机理进行了研究。尽管前人在地热结垢方面进行了大量地化分析以及数值模拟研究，但在地热水结垢高温高压实验模拟上仍缺少相应研究，究其原因，主要是受限于地热流体的高温高压状态难以模拟。

此外，还有学者研发了结垢模拟装置，以便于研究和分析地热井结构问题，如中国专利文献CN204116315U提供了一种用于模拟结垢的实验装置，该装置包括温度调节箱、反应容器、观测系统，用于模拟石油开采管道中采出液的结垢以及使用阻垢剂后的溶垢过程，该装置在模拟油管道结垢上效果显著。但是，该设备其受限于装置结构与设定，温压条件仅适合于油管管道中的低温低压环境，并不能用于模拟地热井中高温高压环境，地热流体在地下深部闪蒸点时会第一次大量析出沉淀物形成结垢腐蚀堵塞管道，随着模拟实验温度压力的升高，对装置的构成与材料选择都更为严苛，因而该装置无法满足模拟地热流体在地下深部时的温度压力状态。中国专利文献CN113006768A则公开了一种气井结垢模拟装置，该装置包括气体与液体储存装置以及结垢模拟管，结垢模拟管串联管道之间使用的是节流阀，能够起到节流降压的效果，但是却忽略了管道之间流体在不同温压条件下的交互会使得二者成分发生改变，从而影响了模拟结果，并且需要指出，若按照文献CN113006768A中的模拟方法，使用采集的地热流体进行模拟，则无法模拟地下管道闪蒸点处结垢情况，只能模拟流体在流体采集点之后可能发生的结垢情况。同时，上述两种方案还存在一个共性问题，即：如果每次实验结果都更换所用反应结垢管道，拆卸清洗管道，操作更为复杂，将会使得实验成本大大上升，经济效益低。如果实验结束之后不更换管道，那么流体对管道的腐蚀破坏会影响后续的结垢模拟，以及如若管道的结垢物并不能完全清除，这就会使得最后实验结果中结垢量的计算以及除垢剂除垢效果的判断有一定误差。

综上可见，由于地热流体在开采过程中其温压条件是不断变化的，这也是地热井管道结垢的主要影响因素，因此，模拟地热流体结垢的关键在于模拟管道中的流动过程中的温压状态改变对流通性质的影响。也就是说，需要在模拟和分析方案上有所突破，才能准确模拟并分析高温高压条件下地热流体由储层至地表的过程中在管道内的结垢情况。

发明内容

本发明的目的在于提供一种分析地热流体在管道内结垢情况的方法，能够准确模拟和分析高温高压条件下地热流体由储层至地表的过程中在管道内的结垢情况。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种分析地热流体在管道内结垢情况的方法，包括以下步骤：

（1）采集地热流体样品，并分离为水样和气样；

（2）分别分析水样的溶液离子成分和气样的气体组分；

（3）根据分析结果，使用PHREEQC软件反演地下储层地热流体成分，再根据反演结果配置相应的模拟液，同时，根据气体组分配置模拟气体；

（4）使模拟气体与模拟液混合反应形成模拟所需的地热流体，并模拟地热流体在管道内发生结垢，然后分析地热流体中的离子组成和流体成分；

（5）根据流体成分，使用PHREEQC软件计算流体中各物质形态以及矿物饱和度指数；

（6）循环步骤（4）、（5）五至十次，根据各物质形态以及矿物饱和度指数判断结垢趋势，然后将管道卸下，观察结垢状态，并称量管道反应前后重量，计算结垢速率，同时，对管道内等距刮取结垢产物，以判断结垢位置与结垢量，并使用XRD对结垢产物成分进行分析，确认结垢产物成分，完成地热流体在管道内结垢情况的分析。

具体地，所述步骤（4）包括以下步骤：

（41）利用气体输入装置向反应釜釜体内通入模拟气体，并利用液体进样装置向反应釜釜体内通入模拟液；

（42）利用操作控制台控制反应釜釜体内的温度和搅拌速度，使模拟气体与模拟液混合反应形成模拟所需的地热流体；

（43）利用操作控制台分别控制第一结垢模拟管道总成和与之结构完全相同的第二结垢模拟管道总成，使二者形成逐级递减的温度和压力条件，以模拟地热流体由地表采集处的温压条件至后续管道中的温压条件变化，然后地热流体依次流过第一结垢模拟管道总成和第二结垢模拟管道总成；

（44）利用液体成分分析仪初步分析流经第二结垢模拟管道总成后的地热流体中的离子组成；

（45）利用第二气水分离器对地热流体进行气水分离，然后分别收集气体和液体，用于分析流体成分。

进一步地，所述步骤（42）中，利用操作控制台控制包覆在反应釜釜体外的第二恒温加热保温套的温度，实现对反应釜釜体内温度的控制。

再进一步地，所述步骤（42）中，利用操作控制台控制设置在反应釜釜体上的无级变速搅拌机构，实现搅拌速度的控制。

再进一步地，所述步骤（43）中，利用操作控制台分别控制第一结垢模拟管道总成和第二结垢模拟管道总成上各自的第一恒温加热保温套的温度，实现对第一结垢模拟管道总成和第二结垢模拟管道总成内温度的调节。

更进一步地，所述步骤（43）中，利用操作控制台控制一管道压力控制机构，实现对第一结垢模拟管道总成和第二结垢模拟管道总成内压力的调节。

具体地，所述步骤（3）中，使用PHREEQC软件反演地下储层地热流体成分的过程如下：

（a）使用PHREEQC软件中的SOLUTION_1模块：在室温冷却下确定分离液体的温度和化学成分，并进行相关的形态饱和计算；

（b）使用PHREEQC软件中的SOLUTION_2模块：确定分离的蒸气在室温下冷凝和冷却的温度和化学成分，并进行相关的形态饱和计算；

（c）使用PHREEQC软件中的MIX_1模块：室温下将分离出的液体和冷凝蒸气混合在一起；

（d）使用PHREEQC软件中的REACTION_TEMPERATURE_1模块：将液体+冷凝蒸气混合物从室温加热到储层温度；

（e）使用PHREEQC软件中的EQUILIBRIUM_PHASES_1模块：用铝硅酸盐来平衡储层液体，通过溶解或沉淀来达到饱和；

（f）输出.out文件，获取地下储层地热流体成分。

基于上述分析方法，下面再介绍所用到的系统装置，包括用于采集地热流体样品的采集装置和用于模拟地热流体管道内结垢情况的模拟系统；所述模拟系统包括气体输入装置、液体进样装置、高温高压反应釜、管道结垢模拟装置、管道压力控制机构、操作控制台、液体成分分析仪、第二气水分离器，其中：

气体输入装置，用于向高温高压反应釜通入模拟所需的模拟气体；

液体进样装置，用于向高温高压反应釜通入模拟所需的模拟液；

高温高压反应釜，用于实现模拟气体与模拟液混合反应形成模拟所需的地热流体；

管道结垢模拟装置，用于模拟地热流体在管道内的结垢；该管道结垢模拟装置包括结构完全相同的第一结垢模拟管道总成和第二结垢模拟管道总成；所述第一结垢模拟管道总成包括结垢模拟管道，包覆在结垢模拟管道外部的橡胶套管，以及包覆在橡胶套管外部的第一恒温加热保温套；所述第一结垢模拟管道总成上的结垢模拟管道与高温高压反应釜之间、第一结垢模拟管道总成上的结垢模拟管道与第二结垢模拟管道总成上的结垢模拟管道之间均通过一根流体输出管连接，并且每根流体输出管上均设有一个比例卸荷阀；

操作控制台，分别与高温高压反应釜、管道压力控制机构以及第一结垢模拟管道总成和第二结垢模拟管道总成上各自的第一恒温加热保温套连接，用于控制调整高温高压反应釜、第一结垢模拟管道总成、第二结垢模拟管道总成中各自的温度和压力；

液体成分分析仪，与第二结垢模拟管道总成上的结垢模拟管道连接，用于初步分析地热流体中的离子组成；

第二气水分离器，与液体成分分析仪连接，用于对地热流体进行气水分离，以便分析流体成分组成。

具体地，所述采集装置包括用于接入地热井井口的连接管道，设置在连接管道上的球阀，与连接管道连接的第一气水分离器，分别设置在第一气水分离器上的温度计和压力表，与第一气水分离器中的液体分离口连接的液体样品收集瓶，与第一气水分离器中的气体分离口连接的紫铜冷却盘管，与紫铜冷却盘管连接的冷凝罐，以及与冷凝罐连接的气体采样瓶；所述紫铜冷却盘管和冷凝罐浸泡在一盛有冷却水的冷却罐体内。

进一步地，所述气体采样瓶浸泡在一盛有地热水的水桶内。

具体地，所述气体输入装置包括若干存储了不同气体的气体瓶，以及进气口通过管道同时与所有气体瓶连接的气体混合装置；所述气体混合装置与每个气体瓶连接的管道上均依次设有气体流量计和泄压阀。

具体地，所述高温高压反应釜包括同时与气体混合装置出气口和液体进样装置出液口连接的反应釜釜体，设置在反应釜釜体开口处的保温盖，用于使反应釜釜体内的气体与液体充分混合的无级变速搅拌机构，以及包覆在反应釜釜体外的第二恒温加热保温套；所述操作控制台同时与无级变速搅拌机构、第二恒温加热保温套、第一恒温加热保温套连接；所述反应釜釜体与第一结垢模拟管道总成上的结垢模拟管道连接。

进一步地，所述第一结垢模拟管道总成上的结垢模拟管道与第二结垢模拟管道总成上的结垢模拟管道之间的流体输出管采用弯管形式。

具体地，所述管道压力控制机构包括同时与第一结垢模拟管道总成和第二结垢模拟管道总成上各自的橡胶套管连接的恒压泵，以及与恒压泵连接、为其提供动力的空气压缩机；所述恒压泵与操作控制台连接。

作为优选，所述结垢模拟管道由热储围岩岩石或金属制成。

再进一步地，所述结垢模拟管道内壁上还涂覆有防腐涂层。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

（1）模拟地热流体结垢的关键在于模拟管道中的流动过程中的温压状态改变对流通性质的影响，本发明便是以此模拟为基础设计了一套模拟分析方案来探究地热流体在管道中的结垢机理，不仅模拟效果明显，更加符合地热井中实际生产情况，而且可准确预知地下管道结垢位置、结垢速率、结垢量等情况，达到定量分析和评价地热结垢的目的，进而为后续地热井开发除垢、阻垢提供了更为准确的参考和指导。

（2）本发明先采用PHREEQC反演获得热储流体成分，然后再以此配置模拟液和气体，确保了后续模拟过程与结果更加符合实际情况，并且在模拟储层流体至地表的流体运移全过程更合理。

（3）本发明采用二级串联结垢模拟管道设计，并通过操作控制台的控制，实现逐级递减的温度和压力条件，由此可以模拟流体由储层至地表的温压变化，显著提高了模拟的准确性与精度。

（4）本发明可以使用热储围岩岩石制成空心管道，模拟地热流体在储层中的状况，也可使用金属制成（如哈氏合金）空心管道，用于探究地热流体对管道的腐蚀情况。同时，为了探究不同涂层材料的防腐和防垢性能，在管道上还可增加相应的涂层材料，例如在碳钢基换热器传热表面上涂覆PPS和掺杂PTFE的PPS涂层，用于地热环境中防垢防腐。如此，本发明在模拟过程中可考虑裸管金属壁面以及涂有防腐防垢涂层材料表面的腐蚀、结垢过程差异，从而使得模拟更加全面，更利于对地热流体的全面分析。

附图说明

图1为本发明-实施例中采集装置的结构示意图。

图2为本发明-实施例中模拟系统的结构示意图。

图3为本发明-实施例的流程示意图。

图4为本发明-实施例中热储地热流体反演的PHREEQC软件操作流程图。

图5为本发明-实施例中K⁺离子浓度随温度变化曲线图。

图6为本发明-实施例中Ca²⁺离子浓度随温度变化曲线图。

图7为本发明-实施例中Na⁺离子浓度随温度变化曲线图。

图8为本发明-实施例中Mg²⁺离子浓度随温度变化曲线图。

图9为本发明-实施例中HCO₃ ^-离子浓度随温度变化曲线图。

图10为本发明-实施例中K⁺离子浓度随水岩比变化曲线图。

图11为本发明-实施例中Ca²⁺离子浓度随水岩比变化曲线图。

图12为本发明-实施例中Na⁺离子浓度随水岩比变化曲线图。

图13为本发明-实施例中Mg²⁺离子浓度随水岩比变化曲线图。

图14为本发明-实施例中HCO₃ ^-离子浓度随水岩比变化曲线图。

其中，附图标记对应的名称为：

1-地热井井口采样阀；2-球阀；3-第一气水分离器；4-温度计；5-压力表；6-液体分离口；7-气体分离口；8-液体样品收集瓶；9-冷却水入口；10-紫铜冷却盘管；11-冷凝罐；12-冷却水出口；13-气体采样瓶；14-水桶；15-气体瓶；16-泄压阀；17-气体流量计；18-气体混合装置；19-液体进样装置；20-进气管道；21-无级变速搅拌控制器；22-保温盖；23-操作控制台；24-温控线；25-第二恒温加热保温套；26-搅拌轴；27-反应釜釜体；28-流体输出管道；29-比例卸荷阀；30-压力传感器；31-第一恒温加热保温套；32-橡胶套管；33-结垢模拟管道；34-液体成分分析仪；35-第二气水分离器；36-液体取样口；37-气体取样口；38-空气压缩机，39-恒压泵。

具体实施方式

下面结合附图说明和实施例对本发明作进一步说明，本发明的方式包括但不仅限于以下实施例。

实施例1

本实施例提供了一种分析地热流体在管道内结垢情况的方法，其在硬件上需要涉及到两个系统装置，一个为采集装置，一个为模拟系统。

下面分别对上述采集装置和模拟系统的结构进行介绍。

如图1所示，本实施例中的采集装置用于采集地热流体样品，其结构上包括用于接入地热井井口的连接管道，设置在连接管道上的球阀2，与连接管道连接的第一气水分离器3，分别设置在第一气水分离器上的温度计4和压力表5，与第一气水分离器3中的液体分离口6连接的液体样品收集瓶8，与第一气水分离器3中的气体分离口7连接的紫铜冷却盘管10，与紫铜冷却盘管10连接的冷凝罐11，以及与冷凝罐11连接的气体采样瓶13。所述紫铜冷却盘管10和冷凝罐11浸泡在一盛有冷却水的冷却罐体内，气体采样瓶13放置在水桶14内。

如图2所示，本实施例中的模拟系统用于模拟地热流体管道内结垢情况，其结构上主要由气体输入装置、液体进样装置19、高温高压反应釜、管道结垢模拟装置、管道压力控制机构、操作控制台23、液体成分分析仪34、第二气水分离器35组成。

具体来说，气体输入装置用于向高温高压反应釜通入模拟所需的模拟气体，该气体输入装置包括若干存储了不同气体的气体瓶15，以及进气口通过管道同时与所有气体瓶连接的气体混合装置18；每个气体瓶与气体混合装置连接的管道上均依次设有泄压阀16和气体流量计17。在输入流体成分中的气路上，本实施例使用气体流量计严格控制各种气体的进入量，使得最终获得的流体更加准确，更符合预设的地热流体成分。

液体进样装置19用于向高温高压反应釜通入模拟液。

高温高压反应釜用于实现气体与液体混合反应形成模拟所需的地热流体。该高温高压反应釜包括同时与气体混合装置18出气口和液体进样装置出液口连接的反应釜釜体27，设置在反应釜釜体27开口处的保温盖22，用于使反应釜釜体内的气体与液体充分混合的无级变速搅拌机构，以及包覆在反应釜釜体27外的第二恒温加热保温套25。本实施例中的无级变速搅拌机构采用无级变速搅拌控制器21与搅拌轴26的设计，实现无接触的传递力矩，如此，在结合保温盖22、第二恒温加热保温套25的设计后，本实施例中的高温高压反应釜以静密封结构设计形式和无接触的传递力矩，能彻底解决搅拌存在的泄漏问题，使整个介质和搅拌部件完全处于绝对密封的状态中进行工作，进而能够确保模拟气体与模拟液充分混合反应形成更接近于实际情况的地热流体。

管道结垢模拟装置用于模拟地热流体在管道内的结垢。该管道结垢模拟装置包括相互连接的第一结垢模拟管道总成和第二结垢模拟管道总成，如图2所示。其中，第一结垢模拟管道总成包括结垢模拟管道33，包覆在结垢模拟管道33外部的橡胶套管32，以及包覆在橡胶套管32外部的第一恒温加热保温套31。第二结垢模拟管道总成构造与第一结垢模拟管道总成的结构完全相同，在此不再重复介绍。本实施例中，管道结垢模拟装置采用了复合套管构造设计，内层为可替换的用于模拟结垢反应的管道，中间层为橡胶套管，用于加压，最外层为恒温加热保温套，可用于管道加热与保温，提供反应所需的温度，模拟不同深度下的温度条件，各管道的压力则由管道压力控制机构控制。

本实施例中，第一结垢模拟管道总成上的结垢模拟管道与反应釜釜体27之间、第一结垢模拟管道总成上的结垢模拟管道与第二结垢模拟管道总成上的结垢模拟管道之间均通过一根流体输出管28连接，并且每根流体输出管上均设有一个比例卸荷阀29，如图2所示。另外，本实施例中的结垢模拟管道33采用热储围岩岩石制成，可以模拟地热流体在储层中流动的状况，此时橡胶套管将起到加压作用，可以防止流体在强压力作用下从岩石空隙中溢出。管道压力控制机构包括同时与第一结垢模拟管道总成和第二结垢模拟管道总成上各自的橡胶套管连接的恒压泵39，以及与恒压泵39连接、为其提供动力的空气压缩机38。恒压泵39与操作控制台23连接。

操作控制台23分别与高温高压反应釜中的无级变速搅拌控制器21和第二恒温加热保温套25、以及第一结垢模拟管道总成和第二结垢模拟管道总成上各自的第一恒温加热保温套连接，用于控制调整高温高压反应釜、第一结垢模拟管道总成、第二结垢模拟管道总成中各自的温度和压力。并且操作控制台23通过压力传感器30分别与第一结垢模拟管道总成和第二结垢模拟管道总成上各自的结垢模拟管道和橡胶套管连接，压力传感器30可以采集结垢模拟管道和橡胶套管的压力并传输至操作控制台23处理，从而实现对第一结垢模拟管道总成、第二结垢模拟管道总成的压力调整。

液体成分分析仪34与第二结垢模拟管道总成上的结垢模拟管道连接，用于初步分析地热流体中的离子组成。而第二气水分离器35则与液体成分分析仪34连接，用于对地热流体进行气水分离，以便分析流体成分组成。

下面对地热流体在管道内结垢进行模拟并分析结垢情况的流程进行介绍，如图3所示，主要分为三个部分，分别为：一、采集地热流体样品并反演地下储层地热流体成分；二、模拟地热流体在管道内的结垢；三、分析地热流体在管道内的结垢情况。

一、采集地热流体样品并反演地下储层地热流体成分

本实施例选取中国西藏羊八井地热田进行采样分析，羊八井地热田位于西藏拉萨市当雄县，是西藏非火山高温地热场之一，也是中国地热系统中热储温度最高的地热田，其ZK4002探井所记录井下最高温度达329.8℃，同时，羊八井地热田开采过程中存在严重的地热水结垢问题，高温高压条件下，地热水溶解有大量的矿化物，开采过程中，大量晶体析出，形成污垢，堵塞管道。羊八井地热田存在的结垢物类型主要为碳酸钙垢。

以下是采样过程：

选取羊八井地热田结垢较为严重，具有代表性的#13地热生产井，使用第一气水分离器3对地热流体样品进行采集。将第一气水分离器3安装在地热井井口采样阀1上，然后用乳胶管连接第一气水分离器3、紫铜冷却盘管10与冷凝罐11和集气管，同时采集地热流体水-气分离后形成的热水样品和蒸气样品，并现场记录地热流体在井口的水-气分离压力，计算水气分离温度。

1）水样采集

完全打开气体分离口7，排出第一水气分离器中的蒸气。接好管路，先打开液体分离口6，流出水样后，使用液体样品收集瓶8采集样品。

2）气样采集

完全打开液体分离口6，排出第一水气分离器中的地热水。接好管路后，打开气体分离口7、冷却水入口9、冷却水出口12，接通冷却水，地热流体经紫铜冷却盘管10冷却，确定分离口为干蒸气后，利用气体采样瓶13，使用排水集气法采集气体样品，使用排水集气法时，水桶14中使用的水为地热井中的地热水，避免对气体样品造成污染，确保后续对气样气体组分分析的准确性。

以下是反演过程：

首先，按上述地表地热流体样品采集流程采集羊八井地热田的地热流体，并使用离子色谱仪（DX-120）和电感耦合等离子体发射光谱仪（IRIS Intrepid II XSP）分析水溶液离子成分，并使用MAT 271气体成分质谱计分析气体组分。

流体从深层储层向地表运移过程中发生的地球化学反应（如沸腾、脱气、混合和结垢）会改变原始流体的化学成分。沸腾脱气会造成蒸气损失和离子含量富集；结垢会造成矿质损失；混合会造成稀释。由于上述地热样品都是在地表条件下采集的，不能代表储层中真正的流体组成。

因此，为了模拟地热流体由储层至地表过程中在管道内的结垢情况，并定量评价其结垢能力，需要根据地表样品的地球化学数据重建深层储层流体组成。

以SOLVEQ程序为基础，校正流体脱气过程，进而实现流体组分重建。结果表明:储层温度为220℃~260℃，初始pH值为5.3~6.7；流体为HCO₃-Cl-Na型和Cl-HCO₃-Na型，流体中含有大量的水相CO₂，可能是潜在方解石垢的碳源。

根据获取的储层温度，使用PHREEQC Interactive的以下模块执行计算，反演储层流体成分组成，本实施例热储地热流体反演的PHREEQC软件操作流程如图4所示：

① 使用SOLUTION_1模块：在室温冷却下确定分离液体的温度和化学成分，并进行相关的形态饱和计算，其中：

对化学组分浓度的计算公式如下：

式中，C _f、C _w、C _g分别为地热流体、热水、地热蒸气中的化学组分浓度；β为地热蒸气的摩尔分数，地热蒸气摩尔分数可通过采样时获得的井口水汽分离温度（压力）以及井口地热流体在水汽分离前的热焓值求得，具体计算公式如下：

式中，H _f为井口地热流体在水气分离前的热焓值，采样时地热流体从热储上升到井口一般为快速的绝热过程，因此该热焓值即为热储内地热流体的热焓值，可通过实测井温计算或地热水样品的地球化学温度估算；H _w和H _g为采样温度或压力下地热水样品和地热蒸汽样品的热焓值；

对矿物饱和度指数的计算公式如下：

式中，SI为矿物饱和度指数，Q为离子活度积，K为平衡常数；当SI>0.50时，会发生结垢，当SI< 0.36时，一般不发生结垢；

② 使用SOLUTION_2模块：定义分离的蒸气在室温下冷凝和冷却的温度和化学成分，并进行相关的形态饱和计算；

③ 使用MIX_1模块：室温下将分离出的液体和冷凝蒸气混合在一起；

④ 使用REACTION_TEMPERATURE_1模块：将液体+冷凝蒸气混合物从室温加热到储层温度；

⑤ 使用EQUILIBRIUM_PHASES_1模块：用选定的铝硅酸盐(钠长石)来平衡储层液体，通过溶解或沉淀来达到饱和；

⑥ 输出.out文件，获取热储流体组成成分，结果如表1所示。

表1 西藏羊八井储层组分重建结果

二、模拟地热流体在管道内的结垢

首先，根据上述反演流程获取的地热水样的离子组成，配置对应的矿化度模拟液，并存储至液体进样装置19中；同时，根据气体组分配置模拟气体，并存储至气体输入装置中。本实施例的气体输入装置中的气体瓶数量为三个，分别存储氮气、二氧化碳、硫化氢。

在模拟开始前，先通入氮气，使其贯通整个管道，将系统内部的气体吹走，避免干扰。而后，将气体按照比例通过气体流量计17通入至气体混合装置18中，充分混合后打开阀门，经由进气管道20向高温高压反应釜通入模拟气体，并利用液体进样装置19向高温高压反应釜通入模拟液。

接着，利用操作控制台23控制第二恒温加热保温套25调节反应釜釜体27中的温度，并控制无级变速搅拌机构工作（搅拌轴26搅拌），在适宜温度和搅拌条件下，使模拟气体与模拟液混合反应形成模拟所需的地热流体。

而后，利用操作控制台23控制第一结垢模拟管道总成和第二结垢模拟管道总成形成逐级递减的温压条件，模拟地热流体由地表采集处的温压条件至后续管道中的温压条件变化，然后地热流体依次流过第一结垢模拟管道总成和第二结垢模拟管道总成上各自的结垢模拟管道。具体地说，上述过程中，温度控制方面，通过操作控制台对第一结垢模拟管道总成和第二结垢模拟管道总成上各自的第一恒温加热保温套温度的控制，可实现第一结垢模拟管道总成和第二结垢模拟管道总成处于不同的温度条件。而压力控制方面，当系统压力高于设定压力时，比例卸荷阀打开，系统卸荷，流体由第一结垢模拟管道总成进入第二结垢模拟管道总成；当系统压力跌落至设定压力以下时关闭。本实施例中的比例卸荷阀也可采用由单向阀和比例卸荷阀相互连接所形成的单向比例卸荷阀组合形式，这样一来，单向阀的存在可以防止流体倒灌回第一结垢模拟管道总成中。通过操作控制台23控制恒压泵39，可以对第一结垢模拟管道总成进入第二结垢模拟管道总成输入不同的压力（即：调节恒压泵压力数值以达到控制各模拟管道压力数值），如此即可最终形成逐级递减的温压条件。空气压缩机38则为恒压泵39提供动力。

另外，本实施例中的第一结垢模拟管道总成上的结垢模拟管道与第二结垢模拟管道总成上的结垢模拟管道之间的流体输出管可以采用弯管形式，从而模拟地热流体在地表管道流动过程中复杂的管道情况以及在流速发生变化时对结垢的影响。在不考虑其它因素的情况下，水的流速越小，结垢趋势越大。高流速下流体中的固体颗粒被携带流动，不易沉积；当流速降低时，介质中携带的固体颗粒和微生物排泄物更加容易沉积下来，管道结垢的概率也明显加大，特别是在结构突变的部位。并且，流速的突变也会导致结垢加剧。流速的突变会导致压力改变，当流速突增，会引起局部脱气，使得CO₂分压降低，发生以下反应，平衡向右移动，脱气引起 CaCO₃结垢：

Ca(HCO₃)₂→CaCO₃↓+CO₂↑+H₂O。

三、分析地热流体在管道内的结垢情况

利用液体成分分析仪34初步分析流经第二结垢模拟管道总成后的地热流体中的离子组成，最后由第二气水分离器35进行气水分离后分别收集气体和液体（第二气水分离器上分别设有液体取样口36和气体取样口37），用于分析流体成分（检测气体组分和液体内各离子浓度的变化）。通过连续分析流体成分，使用PHREEQC软件计算流体中各物质形态以及矿物饱和度指数，可以判断结垢趋势。

连续采集八次液体和气体，然后将结垢模拟管道卸下，观察结垢状态，并称量管道反应前后重量，计算结垢速率；同时，对结垢模拟管道等距刮取结垢产物，以判断结垢位置与结垢量，最后使用XRD对结垢产物成分进行分析，确认结垢产物成分。经分析可知，结垢物成分主要为碳酸钙，这与生产井结垢物具有一致性，表明模拟成功。而通过分析结垢趋势、结垢状态、结垢速率、结垢位置、结垢量以及结垢产物成分，可以全面了解地热流体在管道内的结垢情况。并且，本实施例采用的复合套管构造设计，在模拟结束后仅需更换结垢模拟管道，不仅更有利于观察结垢发生位置与管道内结垢情况，而且在节省管道整体替换成本的基础上，还能够显著提升装置的使用寿命。

此外，还可以使用金属（如哈氏合金）制成结垢模拟管道，用于探究地热流体对管道的腐蚀情况，并且为了探究不同涂层材料的防腐和防垢性能，在结垢模拟管道上还可增加相应的涂层材料，例如在碳钢基换热器传热表面上涂覆PPS和掺杂PTFE的PPS涂层，用于地热环境中防垢防腐。酸性地热流体具有较强的腐蚀性，其对管道的腐蚀不仅破坏了管道内部的平整性，影响流体传输效率，并且腐蚀过程会消耗地热流体中的H⁺、pH升高，发生以下反应：

2HCO₃ ^- + 2Ca²⁺→ 2CaCO₃ +H₂O+CO₂

Ca²⁺ +CO₃ ^2-→CaCO₃↓

该反应提高了流体的碱度，促进了碳酸钙的沉淀，并且管道腐蚀产生的坑洞会为结垢物的附着提供着位点。

实施例2

本实施例的目的在于通过水岩反应模拟储层真实流体组成及其结垢情况，以及矿物蚀变模拟，从而得到更为准确、更接近热储真实流体组成成分的地热流体模拟液，并使用反应后的流体来模拟后续管道结垢情况。

本实施例的流程与实施例1记载的流程相同，区别在于反应釜釜体中参与水岩反应的是热储围岩以及采集的地热流体不同。下面介绍模拟高温下发生的矿物蚀变。

实验所用材料主要为水样、岩样与二氧化碳，水样选取13号地热井水样，岩样根据储层岩性与当地露头选取卓如果花岗岩岩样，气体使用二氧化碳气体与氮气。

根据羊八井热储温度曲线，地下400m温度为159.5℃，因此本次实验设置3个温度梯度，分别为200℃、250℃和300℃。根据实际地层压力，设置实验压力为15MPa、20MPa、25MPa，水岩比设计为10∶1、6∶1、2∶1三组。实验设计如表2所示，所设计实验组中，YBJ-13-0为原始未参与试验反应的13号地热井水样，YBJ-13-3为空白对照组，反应所用水样为去离子水。

表2 实验设计方案

实验步骤

（1）反应物料准备：水样、岩石样、CO₂气体；

（2）岩样处理：取反应所需岩石样品25g，研磨成粉，过200目筛网备用；

水样使用从地热井采集的未经气水分离的地热水100ml，不做其它处理；水化学成分见表3；气体使用GB/T23938-2009钢瓶中的高纯CO₂气体；

表3 地热井水化学成分

离子	K<sup>+</sup>	Ca<sup>2+</sup>	Na<sup>+</sup>	Mg<sup>2+</sup>	Cl<sup>-</sup>	NO<sub>3</sub><sup>-</sup>	HCO<sub>3</sub><sup>-</sup>	SO<sub>4</sub><sup>2-</sup>
									含量（mg/L）	31.6	2.84	339	0.01	314.8	0.3	334.1	38.6

（3）投放反应物料：打开反应釜，岩石粉末25g直接投入反应釜，倒入地热水100ml，合上釜盖，使用螺栓紧固法兰，拧螺栓时对称拧紧。检查各阀门是否已关闭；

（4）接通冷凝水；

（5）打开阀门通入CO₂气体，通过流量计计算通入CO₂的量，当达到实验设定量时，关闭阀门；打开N₂钢瓶阀门，启动增压泵，按照实验要求设置增压泵增压比例，通过控制箱设定反应温度和搅拌机转速参数；

（6）记录升温、增压时间；

（7）反应48h；

（8）反应结束后，先进行冷却降温，待降至室温，观察压力表，将釜内的气体通过管路泄放到室外，使釜内压力降至常压，再将主螺栓、螺母对称地松开卸下，然后小心的取下釜盖置于支架上，卸盖过程中应特别注意保护釜体、釜盖的密封面。

打开釜盖，使用清洁后的镊子夹取反应后的固体置于称量纸上，称量重量，观察、描述、记录；用干净的洗耳球吸取反应后液体，盛于量筒中，记录反应后液体容量；

实验结果分析

实验后溶液各离子浓度测试数据如表所示，各离子浓度随温度变化如图5-9所示，各离子浓度随水岩比变化如图10-14所示，产生的水热蚀变矿物包括钙蒙脱石、伊利石和绿泥石，Ca²⁺与Mg²⁺是与3种水热蚀变矿物形成相关的主要离子，Ca²⁺也是形成结垢物水化学条件的关键离子，具体分析如表4所示。

表4实验水样测试分析结果（单位：mg/L）

1）由图5-9可知，Ca²⁺、Mg²⁺同时呈下降趋势，由于初始矿物组分中无包含Mg²⁺的矿物，表明溶液中的Mg²⁺一直被消耗，与Ca²⁺一起形成蒙脱石，反应机理见式（1）；在K⁺充足时，蒙脱石进一步转化为伊利石，见式（2）；绿泥石可能由云母类矿物蚀变产生也可以通过水-岩反应发生沉淀，见式（3）。

2）实验结果显示Na⁺浓度降低，部分次生钠长石在溶蚀坑中析出的主要原因在于钠长石的溶蚀作用是放热反应，高温下不宜于进行；并且反应液含有大量的Na⁺，有利于钠长石沉淀。

3）除上述反应之外，还发生钾长石和方解石的溶解，见式（4）、（5）。

长石类矿物＋H₂O＋Ca²⁺ ＋H⁺＋Mg²⁺→(K⁺，Na⁺)＋SiO₂＋蒙脱石 （1）

蒙脱石＋K⁺＋Al³⁺→伊利石＋Na⁺＋Ca²⁺＋Fe³⁺＋Mg²⁺＋Si⁴⁺ （2）

KAlSi₃O₈＋Fe²⁺＋Mg²⁺＋H₂O→绿泥石＋SiO₂＋H⁺＋K⁺ （3）

4H⁺＋4H₂O＋KAlSi₃O₈＝K⁺＋Al³⁺＋3H₄SiO₄ （4）

H⁺＋CaCO₃＝Ca²⁺＋HCO₃ ^- （5）

4）矿物溶解沉淀的速率与温度密切相关，温度越高钠长石沉淀越快，钾长石溶解速率越快，Ca²⁺，Mg²⁺下降越快，说明蒙脱石沉淀速率越快。

本发明以地热流体在管道内结垢模拟为基础，探究了地热流体在管道中的结垢机理，分析了地热井井筒结垢的温压状态影响因素以及判断地热流体结垢趋势，确定结垢的位置和速率，为后续地热井开发除垢、阻垢提供了更为准确的参考和指导。同时，本发明结合了PHREEQC软件模拟实验的化学反应过程，预测了不同温压条件下的水岩反应过程、水文地球化学演变规律。因此，本发明与现有技术相比，模拟更有效，分析的准确性更高，更有参考价值，技术进步十分明显，具有突出的实质性特点和显著的进步。

上述实施例仅为本发明的优选实施方式，不应当用于限制本发明的保护范围，凡在本发明的主体设计思想和精神上作出的毫无实质意义的改动或润色，其所解决的技术问题仍然与本发明一致的，均应当包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种分析地热流体在管道内结垢情况的方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）采集地热流体样品，并分离为水样和气样；

（2）分别分析水样的溶液离子成分和气样的气体组分；

（3）根据分析结果，使用PHREEQC软件反演地下储层地热流体成分，再根据反演结果配置相应的模拟液，同时，根据气体组分配置模拟气体；该步骤中，使用PHREEQC软件反演地下储层地热流体成分的过程如下：

（a）使用PHREEQC软件中的SOLUTION_1模块：在室温冷却下确定分离液体的温度和化学成分，并进行相关的形态饱和计算；

（b）使用PHREEQC软件中的SOLUTION_2模块：确定分离的蒸气在室温下冷凝和冷却的温度和化学成分，并进行相关的形态饱和计算；

（c）使用PHREEQC软件中的MIX_1模块：室温下将分离出的液体和冷凝蒸气混合在一起；

（d）使用PHREEQC软件中的REACTION_TEMPERATURE_1模块：将液体+冷凝蒸气混合物从室温加热到储层温度；

（e）使用PHREEQC软件中的EQUILIBRIUM_PHASES_1模块：用铝硅酸盐来平衡储层液体，通过溶解或沉淀来达到饱和；

（f）输出.out文件，获取地下储层地热流体成分；

（4）使模拟气体与模拟液混合反应形成模拟所需的地热流体，并模拟地热流体在管道内发生结垢，然后分析地热流体中的离子组成和流体成分；该步骤包括以下步骤：

（41）利用气体输入装置向反应釜釜体内通入模拟气体，并利用液体进样装置向反应釜釜体内通入模拟液；

（42）利用操作控制台控制反应釜釜体内的温度和搅拌速度，使模拟气体与模拟液混合反应形成模拟所需的地热流体；

（43）利用操作控制台分别控制第一结垢模拟管道总成和与之结构完全相同的第二结垢模拟管道总成，使二者形成逐级递减的温度和压力条件，以模拟地热流体由地表采集处的温压条件至后续管道中的温压条件变化，然后地热流体依次流过第一结垢模拟管道总成和第二结垢模拟管道总成；所述第一结垢模拟管道总成包括结垢模拟管道，包覆在结垢模拟管道外部的橡胶套管，以及包覆在橡胶套管外部的第一恒温加热保温套；所述第一结垢模拟管道总成上的结垢模拟管道与反应釜釜体之间、第一结垢模拟管道总成上的结垢模拟管道与第二结垢模拟管道总成上的结垢模拟管道之间均通过一根流体输出管连接，并且每根流体输出管上均设有由单向阀和比例卸荷阀相互连接所形成的单向比例卸荷阀；所述结垢模拟管道由热储围岩岩石或金属制成；

（44）利用液体成分分析仪初步分析流经第二结垢模拟管道总成后的地热流体中的离子组成；

（45）利用第二气水分离器对地热流体进行气水分离，然后分别收集气体和液体，用于分析流体成分；

（5）根据流体成分，使用PHREEQC软件计算流体中各物质形态以及矿物饱和度指数；

（6）循环步骤（4）、（5）五至十次，根据各物质形态以及矿物饱和度指数判断结垢趋势，然后将管道卸下，观察结垢状态，并称量管道反应前后重量，计算结垢速率，同时，对管道内等距刮取结垢产物，以判断结垢位置与结垢量，并使用XRD对结垢产物成分进行分析，确认结垢产物成分，完成地热流体在管道内结垢情况的分析。

2.根据权利要求1所述的一种分析地热流体在管道内结垢情况的方法，其特征在于，所述步骤（42）中，利用操作控制台控制包覆在反应釜釜体外的第二恒温加热保温套的温度，实现对反应釜釜体内温度的控制。

3.根据权利要求1所述的一种分析地热流体在管道内结垢情况的方法，其特征在于，所述步骤（42）中，利用操作控制台控制设置在反应釜釜体上的无级变速搅拌机构，实现搅拌速度的控制。

4.根据权利要求1所述的一种分析地热流体在管道内结垢情况的方法，其特征在于，所述步骤（43）中，利用操作控制台分别控制第一结垢模拟管道总成和第二结垢模拟管道总成上各自的第一恒温加热保温套的温度，实现对第一结垢模拟管道总成和第二结垢模拟管道总成内温度的调节。

5.根据权利要求1所述的一种分析地热流体在管道内结垢情况的方法，其特征在于，所述步骤（43）中，利用操作控制台控制一管道压力控制机构，实现对第一结垢模拟管道总成和第二结垢模拟管道总成内压力的调节。

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