一种模拟地热井碳酸盐结垢的系统及其模拟方法

1.本发明涉及地热流体管道内结垢模拟技术领域，具体地说，是涉及一种模拟地热井碳酸盐结垢的系统及其模拟方法。


背景技术：

2.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）。
3.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。
4.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。
5.因此，地热井结垢问题成为了亟待解决的难题。为此，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。
6.并且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；而如果管道的结垢物不能完全清除，那么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。
7.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。


技术实现要素：

8.本发明的目的在于提供一种模拟地热井碳酸盐结垢的系统及其模拟方法，能够很好地实现高温高压条件下地热井碳酸盐结垢的模拟。
9.为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种模拟地热井碳酸盐结垢的系统，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、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反应气体；液体进样装置，用于向高温高压反应釜通入模拟所需的反应流体；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；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；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，从而确定模拟情况。
10.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。
11.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。
12.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。
13.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。
14.作为优选，所述结垢模拟管道由热储围岩岩石或金属制成。
15.作为优选，所述结垢模拟管道内壁上还涂覆有防腐涂层。
16.基于上述系统结构，本发明还提供了模拟地热井碳酸盐结垢的方法，包括以下步骤：（1）利用气体输入装置向高温高压反应釜通入模拟所需的反应气体，并利用液体进样装置向高温高压反应釜通入模拟所需的反应流体；（2）利用操作控制台控制第二恒温加热保温套调节反应釜釜体中的温度，并控制无级变速搅拌机构工作，使气体与液体混合反应形成模拟所需的地热流体；（3）利用操作控制台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；（4）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；（5）地热流体由气水分离器进行气水分离后分别收集气体和液体，用于分析流体成分；（6）循环步骤（1）~（5），并连续分析流体成分，确认结垢情况，最终完成地热井碳酸盐结垢的模拟。
17.具体地，所述步骤（3）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以及管道压力控制机构，使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。
18.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系统来探究地热流体在管道中的结垢机理，实现高温高压条件下地热井碳酸盐结垢的模拟，可为后续地热井开发防垢除垢技术提供参考。
19.（2）本发明中的高温高压反应釜，采用静密封结构和无级变速搅拌机构，由于其无
接触的传递力矩，结合静密封设计，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，进而能够确保气体与液体充分混合形成模拟所需的地热流体。
20.（3）本发明中的管道结垢模拟装置采用二级串联结垢模拟管道设计，并在各反应串联管道之间设置了比例卸荷阀，不同的反应釜具有不同的温压条件，由此可以模拟流体由储层至地表的温压变化，并且第一结垢模拟管道总成和第二结垢模拟管道总成之间采用弯管形式连接，还可以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。因此，本发明显著提高了模拟的准确性与精度。
21.（4）本发明中的管道结垢模拟装置还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，在操作控制台控制下，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。
22.并且，本发明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，还能够显著延长系统的使用寿命。
23.（5）本发明中的结垢模拟管道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），用于探究地热流体对管道的腐蚀情况。并且，当结垢模拟管道采用热储围岩岩石制成时，结垢模拟管道与橡胶套管始终存在一个压力差，橡胶套管压力始终大于结垢模拟管道，这样可以防止流体在强压力作用下从岩石空隙中溢出，同时，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。因此，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，使得模拟更加全面。
24.（6）本发明在输入流体成分中的气路上，使用气体流量计严格控制各种气体的进入量，可以使最终获得的流体更加准确，符合预设的地热流体成分。
附图说明
25.图1为本发明-实施例的结构示意图。
26.其中，附图标记对应的名称为：1-气体瓶；2-泄压阀；3-气体流量计；4-气体混合装置；5-液体进样装置；6-进气管道；7-无级变速搅拌控制器；8-保温盖；9-操作控制台；10-温控线；11-第二恒温加热保温套；12-搅拌轴；13-反应釜釜体；14-流体输出管；15-比例卸荷阀；16-压力传感器；17-第一恒温加热保温套；18-橡胶套管；19-结垢模拟管道；20-液体成分分析仪；21-气水分离器；22-液体取样口；23-气体取样口；24-空气压缩机，25-恒压泵。
具体实施方式
27.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
28.本实施例提供了一种可以模拟地热井碳酸盐结垢的系统，其结构上主要由气体输入装置、液体进样装置5、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9、液体成分分析仪20、气水分离器21组成，如图1所示。
29.气体输入装置用于向高温高压反应釜通入模拟所需的反应气体（如地热气体的特征组分二氧化碳与硫化氢），该气体输入装置包括若干存储了不同气体的气体瓶1，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4；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2和气体流量计3。气体流量计严格控制各种气体的进入量，可以实现各种气体的准确配比，使最终获得的流体更加准确。
30.液体进样装置5用于向高温高压反应釜通入模拟所需的反应流体。本实施例中的反应流体为地表条件下采集并用气水分离装置分离出的水样。
31.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4出气口和液体进样装置出液口连接的反应釜釜体13，设置在反应釜釜体13开口处的保温盖8，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13外的第二恒温加热保温套11。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7与搅拌轴12的设计，实现无接触的传递力矩，如此，在结合保温盖8、第二恒温加热保温套11的设计后，本实施例中的高温高压反应釜以静密封的方式，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，进而能够确保气体与液体充分混合形成模拟所需的地热流体。
32.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并且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1所示。其中，第一结垢模拟管道总成包括结垢模拟管道19，包覆在结垢模拟管道19外部的橡胶套管18，以及包覆在橡胶套管18外部的第一恒温加热保温套17。第二结垢模拟管道总成构造与第一结垢模拟管道总成相同，在此不再重复介绍。
33.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13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14连接，并且每根流体输出管上均设有一个比例卸荷阀15，如图1所示。本实施例中的结垢模拟管道19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。
34.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25，以及与恒压泵25连接、为其提供动力的空气压缩机24。恒压泵25与操作控制台9连接。
35.操作控制台9分别与高温高压反应釜中的无级变速搅拌控制器7和第二恒温加热保温套11、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9通过压力传感器16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16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9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。
36.液体成分分析仪20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。而气水分离器21则与液体成分分析仪20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，从而确定模拟情况。
37.下面针对上述系统模拟地热井碳酸盐结垢的过程以及模拟效果进行介绍。
38.本实施例中，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，液体进样装置5中存储的反应流体来自于羊八井地热田采集的地热流体并用气水分离装置分离出的水样，羊八井地热田存在的结垢物类型主要为碳酸钙垢。
39.首先，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，根据羊八井地热田采集的地热流体并用气水分离装置分离出的气样，将各气体按照比例通过气体流量计3通入至气体混合装置4中，充分混合后配置成反应气体，然后打开阀门，经由进气管道6向高温高压反应釜通入模拟所需的反应气体。同时，利用液体进样装置5向高温高压反应釜通入模拟所需的反应流体。
40.接着，利用操作控制台9控制第二恒温加热保温套11调节反应釜釜体13中的温度，并控制无级变速搅拌机构工作（搅拌轴12搅拌），在适宜温度和搅拌条件下，使气体与液体混合反应形成模拟所需的地热流体。
41.而后，利用操作控制台9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9控制恒压泵25，可以对第一结垢模拟管道总成和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24则为恒压泵25提供动力。
42.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再接着，利用液体成分分析仪20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，最后由气水分离器21进行气水分离后分别收集气体和液体（气水分离器上分别设有液体取样口22和气体取样口23），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，然后将各结垢模拟管道卸下，刮取管道中的结垢产物，并使用xrd对结垢产物成分进行分析，可以发现，结垢产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。
43.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，而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‑ 2ca
2
ꢀ→ꢀ
2caco
3 h2o co2ca
2 co
32
‑ꢀ
→ꢀ
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。
44.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。