張 恒，胡亞召，云智漢，屈澤偉（四川省地質(zhì)工程勘察院，成都 610072）

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水文地球化學(xué)模擬技術(shù)在康定某高溫地?zé)峋Y(jié)垢研究中的應(yīng)用*

張 恒，胡亞召?，云智漢，屈澤偉
（四川省地質(zhì)工程勘察院，成都 610072）

摘 要：結(jié)垢是地?zé)崃黧w開采過程中經(jīng)常面臨的重要問題之一。本文運用水文地球化學(xué)模擬技術(shù)，對康定某高溫地?zé)峋Y(jié)垢問題進(jìn)行了分析研究。研究結(jié)果表明，該地?zé)峋陂_采過程中隨著地?zé)崃黧w溫度、pH、壓力、氧化還原環(huán)境等條件變化，發(fā)生嚴(yán)重的結(jié)垢現(xiàn)象，主要結(jié)垢物類型為碳酸鹽類垢物，其次為金屬鐵類垢物，而硅酸鹽類垢物和硫酸鹽類垢物較少或沒有，與實際相吻合。該方法可以通過水化學(xué)指標(biāo)分析結(jié)垢物種類、結(jié)垢趨勢，為地?zé)豳Y源合理開發(fā)利用提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：結(jié)垢；高溫地?zé)崃黧w；水文地球化學(xué)模擬；康定

0 前 言

結(jié)垢問題是地?zé)崃黧w經(jīng)常面臨的重要問題之一。地?zé)崴谛纬蛇^程中，溶解了多種礦物質(zhì)，高礦化度地?zé)崴跍囟?、pH、壓力、氧化還原環(huán)境等條件變化時，部分礦物成分達(dá)到飽和狀態(tài)，發(fā)生沉淀聚集，附著在井壁、管道內(nèi)側(cè)及其他設(shè)備上，減小了井管過水?dāng)嗝?，顯著降低了地?zé)崮艿睦眯?。例如西藏羊八井地?zé)犭娬驹诔跗诎l(fā)電過程中結(jié)垢最為嚴(yán)重的是地?zé)峋畠?nèi)的井管在3 ～ 5天就能將直徑200 mm的井管堵死，那曲地?zé)犭娬疽蚪Y(jié)垢而停止利用［1］。目前國內(nèi)外有關(guān)學(xué)者在地?zé)衢_發(fā)利用過程中，研究得出了很多可行、具有理論指導(dǎo)價值的結(jié)論。韋梅華等［2］采用拉申指數(shù)和雷茲諾指數(shù)等指數(shù)判定法，對四川省康定地?zé)釁^(qū)4個地?zé)峋?個溫泉熱水的碳酸鈣結(jié)垢趨勢進(jìn)行了計算和判定，得出了硫酸鈣和硅酸鹽的結(jié)垢趨勢。王延欣等［3］根據(jù)拉申指數(shù)和雷茲諾指數(shù)判斷腐蝕結(jié)垢趨勢，同時對結(jié)垢成分進(jìn)行了XRD分析，明確了結(jié)垢原因和防垢措施。云智漢等［4］應(yīng)用水文地球化學(xué)模擬和室內(nèi)模擬耦合方法，對引起咸陽地?zé)崴毓喽氯膯栴}進(jìn)行了研究。SATMAN等［5］研究了熱儲構(gòu)造內(nèi)方解石沉積原因及其對流動的影響。FLORENT等［6］、APPELO［7］和MARIMUTHU等［8］利用PHREEQC模擬軟件計算礦物飽和指數(shù)、并分析地下水與流經(jīng)圍巖之間的水-巖相互作用。DELALANDE等［9］采用PHREEQC地?zé)崃黧w化學(xué)軟件模擬計算地?zé)崃黧w成分的飽和狀態(tài)，預(yù)測結(jié)垢趨勢。

研究區(qū)高溫地?zé)峋畠?nèi)地?zé)崃黧w處于相對封閉、高溫高壓環(huán)境，地?zé)崃黧w開采中從井底到井口發(fā)生閃蒸，溫度降低，壓力減小，氣體逸散，氧化還原環(huán)境改變［10］，水中某些成分達(dá)到飽和狀態(tài)，發(fā)生嚴(yán)重結(jié)垢現(xiàn)象，開發(fā)利用地?zé)豳Y源前分析結(jié)垢成因迫在眉睫。

本文利用美國地質(zhì)調(diào)查局研發(fā)的PHREEQC 2.8軟件，采用水文地球化學(xué)模擬技術(shù)，對康定某高溫地?zé)峋Y(jié)垢機理進(jìn)行分析研究。該項技術(shù)在國內(nèi)外中低溫研究中較成熟，但在高溫地?zé)嵫芯恐欣幂^少，特別是在川西高原高溫地?zé)峋芯恐袑偈状螒?yīng)用。與以往相比，本文以期查明結(jié)垢物種類及結(jié)垢趨勢，以及結(jié)垢形成的主要、次要因素，為研究川西高原地?zé)峤Y(jié)垢規(guī)律提供指導(dǎo)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于四川省甘孜州康定縣城北（圖1），構(gòu)造上處于深大斷裂鮮水河斷裂東側(cè)分支斷裂雅拉河斷裂帶上，優(yōu)勢裂隙發(fā)育方向主要為北北西和北東向，與雅拉河斷裂大角度相交，為溫泉地?zé)崴纬商峁┝搜a給通道和儲存空間。研究區(qū)地層巖性大致以雅拉河為界，分別形成東、西兩大不同建造性質(zhì)的分區(qū)，東部以三疊系中統(tǒng)雜谷腦組變質(zhì)砂板巖為主，西部以燕山晚期中粒黑云母花崗巖及混合巖為主。

研究區(qū)高溫地?zé)峋? 847 m，鉆遇地層為三疊系中統(tǒng)雜谷腦組變質(zhì)砂板巖，放噴井口溫度115℃，井口壓力達(dá)0.34 Mpa，pH 7.8，礦化度2 378.9 mg/L。兩次放噴試驗在放噴約48 h時，管壁結(jié)垢厚度達(dá)3 cm，見圖2，導(dǎo)致放噴管過水?dāng)嗝婕眲p小，大大降低了地?zé)崃黧w出口流量，影響地?zé)豳Y源的綜合開發(fā)利用。

圖1 研究區(qū)交通位置圖Fig. 1 Traffic location map of the study area

圖2 放噴管口結(jié)垢Fig. 2 Scaling in outlet of the blowout tube

2 水文地球化學(xué)模擬結(jié)垢機理

水文地球化學(xué)模擬是在化學(xué)平衡和熱力學(xué)平衡基礎(chǔ)上，將地質(zhì)學(xué)、化學(xué)、數(shù)學(xué)、熱力學(xué)、化學(xué)動力學(xué)、地下水動力學(xué)、生物學(xué)及環(huán)境科學(xué)、計算機語言等多學(xué)科基礎(chǔ)理論結(jié)合起來的一種方法，用于處理熱儲水-巖-氣之間及在不同環(huán)境下所發(fā)生的各種地球化學(xué)作用的一種有力方法［10］。

本文水文地球化學(xué)模擬結(jié)垢物類型和趨勢可通過地下熱水的飽和狀態(tài)來判斷和研究，主要采用礦物飽和指數(shù)法進(jìn)行評價。飽和指數(shù)［11］的定義為：

式中：K為礦物溶解反應(yīng)的平衡常數(shù)；IAP表示礦物溶解反應(yīng)中相關(guān)離子的活度積。當(dāng)SI > 0時，礦物相對于水溶液處于過飽和狀態(tài)，有發(fā)生沉淀的趨勢；SI < 0，表示該礦物相對于水溶液未達(dá)到飽和狀態(tài)；而當(dāng)?shù)V物的飽和指數(shù)SI = 0時，表示水溶液與礦物正好處于平衡狀態(tài)［11］。

2.1 飽和指數(shù)計算結(jié)果

為保證水化學(xué)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性和代表性，委托具有相應(yīng)檢測資質(zhì)的四川省地質(zhì)工程勘察院環(huán)境工程中心采集水樣，及時送實驗室進(jìn)行檢測分析，檢測結(jié)果見表 1。根據(jù)地?zé)峋|(zhì)檢測分析資料，利用PHREEQC軟件中的飽和指數(shù)模塊輸入水質(zhì)檢測數(shù)據(jù)計算出25種礦物飽和指數(shù)結(jié)果見表2和圖3。

計算結(jié)果顯示，方解石、白云石、霰石、微斜長石、綠簾石、針鐵礦及綠泥石處于過飽和狀態(tài)；高嶺石、鈣長石、硬石膏、鈉長石、天青石、石膏、鹽巖、伊利石、磁鐵礦和蒙脫石在熱儲中處于不飽和狀態(tài)；基本處于飽和狀態(tài)有玉髓、石英、白云母、正長石、重晶石、螢石、無定型SiO2和菱鍶礦。

表1 水質(zhì)檢測分析結(jié)果［3］Table 1 Analysis of the results of water quality testing

表2 地?zé)峋嗟V物飽和指數(shù)計算結(jié)果Table 2 The results of geothermal fluid minerals saturation index calculation

圖3 地?zé)峋嗟V物飽和指數(shù)圖Fig. 3 The figure of geothermal well minerals saturation index

2.2 地?zé)峋Y(jié)垢機理研究

研究地?zé)峋_采過程中的結(jié)垢機理，首先要確定開采過程中的反應(yīng)性礦物。反應(yīng)性礦物包括地層常見礦物、對地?zé)崃黧w化學(xué)組分貢獻(xiàn)較大礦物以及在開采過程中可能與溶解沉淀關(guān)系密切的礦物［10］。根據(jù)礦物性質(zhì)及元素組成的不同，我們把選取的反應(yīng)性礦物主要劃分為四類：碳酸鹽類礦物、金屬化合物、硅酸鹽類礦物及硫酸鹽類礦物［2］。本文分別對這四類礦物結(jié)垢機理進(jìn)行研究。

2.2.1 碳酸鹽類垢物

在地?zé)崃黧w開采過程中，影響最大的水垢普遍是碳酸鈣垢物和碳酸鎂垢物。水中的CO32-離子會參與碳酸的離解平衡和碳酸鈣（碳酸鎂）的沉淀溶解平衡兩方面的反應(yīng)。當(dāng)反應(yīng)達(dá)到平衡時，水中溶解的碳酸鈣、二氧化碳和碳酸氫鈣量保持不變，這時不會產(chǎn)生結(jié)垢現(xiàn)象。但是當(dāng)溫度、壓力、pH、CO2、鹽含量、氧化還原電位等因素發(fā)生變化時，溶解平衡發(fā)生變化會導(dǎo)致碳酸鹽沉淀的生成［12］。

根據(jù)水文地球化學(xué)模擬結(jié)果（圖4），該高溫地?zé)峋_采過程中碳酸鹽類礦物飽和指數(shù)SI始終大于0.5，根據(jù)冰島碳酸鹽礦物沉淀研究的判斷經(jīng)驗［13］，碳酸鹽礦物在該高溫地?zé)峋邪l(fā)生沉淀趨勢，為主要結(jié)垢礦物。當(dāng)溫度升高、pH增大、CO2分壓減小，碳酸鹽類礦物飽和指數(shù)增大，趨于沉淀。

圖4 地?zé)峋妓猁}類礦物飽和指數(shù)與溫度和pH的關(guān)系Fig. 4 The relationship of carbonate minerals saturation index with temperature and pH

2.2.2 金屬類垢物

該地?zé)峋_采過程中主要金屬類垢物為鐵類垢物，包括針鐵礦、磁鐵礦和黃鐵礦。鐵離子的來源，其一是水中溶解的鐵離子，其二是鐵質(zhì)井管的腐蝕產(chǎn)物［9］。鐵離子在熱水中極少并呈懸浮物狀態(tài)出現(xiàn)。

影響鐵類礦物溶解沉淀的因素主要有溫度、pH和氧化還原電位Eh。鐵類垢物在熱水輸送管道壁隨處可見，根據(jù)水文地球化學(xué)模擬結(jié)果（圖5和 圖6），在地?zé)崃黧w開采過程中，隨著熱儲流體溫度的降低，鐵礦物飽和指數(shù)變大，沉淀趨勢增加，故在井下及熱儲內(nèi)鐵類礦物不易沉淀，在井上及管道附近易于沉淀；開采過程中，隨著CO2逸出，pH增大，鐵類礦物飽和指數(shù)逐漸增大；氧化還原環(huán)境對鐵礦物飽和狀態(tài)影響較大，隨著Eh的增大，鐵類礦物的飽和指數(shù)隨著 Eh增大而增大，故隨著地?zé)崴拈_采，熱儲環(huán)境逐漸由還原環(huán)境變?yōu)檠趸h(huán)境，鐵類垢物增加，同時，CO2逸出過程中伴隨著對金屬管壁的腐蝕，加快了金屬垢物的形成。

圖5 地?zé)峋F類礦物飽和指數(shù)與溫度和pH的關(guān)系Fig. 5 The relationship of ferrous minerals saturation index with temperature and pH

圖6 地?zé)峋F類礦物飽和指數(shù)與Eh的關(guān)系Fig. 6 The relationship of ferrous minerals saturation index with Eh

2.2.3 硅酸鹽類垢物

地?zé)崴泄杷猁}類主要為二氧化硅，當(dāng)二氧化硅達(dá)到過飽和狀態(tài)時，過量的二氧化硅便以無定形二氧化硅形態(tài)析出，析出的二氧化硅并不下沉卻以膠體顆粒懸浮水中。如果熱水中含有金屬離子，無定型二氧化硅會作為晶核吸附金屬離子形成堅硬的硅酸鹽垢［10］。

水文地球化學(xué)模擬結(jié)果表明（圖7），硅酸鹽類礦物中綠簾石、綠泥石和微斜長石為過飽和狀態(tài)，可能是熱水懸浮物的主要來源；石英及白云母等礦物達(dá)飽和狀態(tài)，其析出物可能以膠體懸浮于熱水中或與金屬離子結(jié)合成硅酸鹽垢。結(jié)合高溫地?zé)峋Y(jié)垢物檢測結(jié)果，其硅酸鹽類結(jié)垢物較少。

圖7 地?zé)峋杷猁}類礦物飽和指數(shù)與溫度和pH的關(guān)系Fig. 7 The relationship of silicate minerals saturation index with temperature and pH

2.2.4 硫酸鹽類垢物

硫酸鹽類垢物主要的存在形式有三種，分別為石膏（CaSO4）、重晶石（BaSO4）和天青石（SrSO4）。

影響硫酸鹽類礦物溶解沉淀的因素主要有溫度、pH和鹽含量等。通過水文地球化學(xué)模擬計算（圖8），隨著溫度的增加，天青石和石膏的飽和指數(shù)增大，重晶石飽和指數(shù)減小，但在地?zé)峋疁囟冗_(dá)到115℃時，硫酸鹽類礦物飽和指數(shù)始終小于零，呈溶解狀態(tài)；同時隨著pH增大、CO2分壓減小，石膏、天青石和重晶石溶解趨勢增加，但是鹽含量越大，硫酸鹽類礦物的飽和指數(shù)越大，目前該地?zé)峋€未檢出硫酸鹽類垢物。

圖8 地?zé)峋蛩猁}類礦物飽和指數(shù)與溫度和pH的關(guān)系Fig. 8 The relationship of sulphate minerals saturation index with temperature and pH

實際情況下，礦物溶解沉淀并不由某一因素單獨控制，地?zé)崃黧w包括其溫度、pH、CO2分壓等組成了一個水溶液系統(tǒng)，在地下熱水開采過程中，熱水封存條件改變，隨著 CO2分壓的減小，溶液 pH增大，同時由于熱交換作用，熱儲流體溫度也會降低，因此是多種因素共同控制了地?zé)峋肝锏男纬伞?/p>

3 模擬結(jié)果分析

通過水文地球化學(xué)模擬分析研究，表明影響高溫地?zé)峋Y(jié)垢的主要為碳酸鹽類垢物，其次為金屬鐵類垢物，而硅酸鹽類垢物和硫酸鹽類垢物較少或沒有。圖9為結(jié)垢樣檢測結(jié)果，表明結(jié)垢物主要為碳酸鈣垢物（其中鈣離子占40.072%，碳酸根離子占59.878%），其次為少量的鐵離子（占0.047%），所測其余離子含量較少，與水文地球化學(xué)模擬結(jié)果具有一致性。

圖9 結(jié)垢樣檢測分析統(tǒng)計Fig. 9 Statistical analysis of the scaling sample testing

4 結(jié) 論

本文通過水文地球化學(xué)模擬計算，模擬結(jié)果較好地反映了地?zé)峋陂_采過程中隨著地?zé)崃黧w溫度、pH、壓力、氧化還原環(huán)境等條件的變化，引起了一系列綜合復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)過程，并形成多樣結(jié)垢物，其中主要為碳酸鹽類垢物，其次為金屬鐵類垢物，而硅酸鹽類垢物和硫酸鹽類垢物較少或沒有，與實際情況定性吻合。研究發(fā)現(xiàn)，由于高溫閃蒸作用，使壓力減少、氣體釋放、溫度降低，是導(dǎo)致川西康定高溫地?zé)峋Y(jié)垢嚴(yán)重的主因，pH、氧化還原環(huán)境條件變化為次要因素。因此，水文地球化學(xué)模擬可以通過水化學(xué)指標(biāo)分析結(jié)垢物種類、結(jié)垢趨勢等，在利用高溫地?zé)豳Y源過程中，盡可能采取封閉式循環(huán)環(huán)境，減少外界因素的影響，盡量較少結(jié)垢物的產(chǎn)生，為地?zé)豳Y源合理開發(fā)利用提供理論依據(jù)。

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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

中圖分類號：TK52

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

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

文章編號：2095-560X（2016）02-0111-07

* 收稿日期：2016-01-06

修訂日期：2016-03-03

通信作者：?胡亞召，E-mail：191022462@qq.com

作者簡介：

張 恒（1977-），男，碩士，高級工程師，主要從事水文地質(zhì)、工程地質(zhì)及環(huán)境地質(zhì)研究。

胡亞召（1983-），男，碩士，工程師，主要從事水文地質(zhì)、工程地質(zhì)及環(huán)境地質(zhì)研究。