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摘要：结垢问题是地热开发利用中普遍存在的问题，本文以许家湖地区地热流体为例，分析了该区地热流体结垢性，为地热资源的开发利用提供了依据。
关键词：结垢；碳酸钙垢；硫酸钙垢；硅酸盐垢
中图分类号：TK268文献标识码： A
Shandong province Yishui County Xu Jia Hu
geothermal fluid scaling evaluation
GAO Qing, PENG Wen-quan, WANG Feng, SUN Peng
(No.1 Exploration Institute of Geology and Mineral Resources, Shandong Jinan 250014, China)
Abstract: The scaling problem is a common problem in the development and utilization of geothermal energy, In this paper, Xu Jia Hu area of geothermal fluid as an example,Analysis of the geothermal fluid scaling, It provides the basis for the development and utilization of geothermal resource.
Key words: scaling；Calcium carbonate scale；Calcium sulphate scale；Silicate scale
結垢问题是地热开发腐蚀与利用中普遍存在的问题。由于地热流体矿化度较高，当溶解在地热流体中的固体物质超过其饱和度时，又发生结垢问题。因此，在开发地热资源之前先正确地评价地热流体的结垢问题是非常必要的。地热流体结垢按其主要化学成分可分为碳酸钙垢、硫酸钙垢、硅酸盐垢等。
1地热田概况
许家湖地热田位于山东省沂水县境内，面积为18.29km2，目前共有3口地热井，即DR1、DR2和DR3。据国土资源部地下水矿泉水及环境监测中心水质检测报告，水质见表1。
表1DR1、DR2、DR3孔水质分析一览表
2碳酸钙垢
2.1碳酸钙垢的成垢机理及影响碳酸钙垢形成的主要因素
碳酸钙水垢的成因是水中的钙离子（Ca2+）浓度与碳酸根离子（CO32-）浓度的乘积超过了碳酸钙的溶解度积，使碳酸钙从溶液中析出，附着在金属表面上。金属表面粗糙不平或附有一层氧化膜时，垢的附着能力就越强。
影响碳酸钙形成的主要因素有pH值，压力（CO2分压），温度和共存盐度（总固形物）。
pH值：地热流体的pH值控制了CO32-与HCO3-的分配，当pH值升高时（即H+浓度下降），CO32-浓度上升，从而碳酸钙垢层容易生成。
压力：在大多数地热流体中，pH值由CO2的分压所控制，当地热流体喷出地面时，往往因压力下降而导致CO2溢出，使气体的pH值升高，从而造成碳酸钙垢的沉积。
温度：碳酸钙的溶解度随着水温的升高而降低，因此，当水中CO2及其它组分浓度一定时，碳酸钙不会因为简单的冷却而析出。
总固形物：碳酸钙的溶解度随盐浓度的增加而加大。水中含盐量越高，碳酸钙积垢的可能性越小。
2.2碳酸钙的结垢趋势判断
a、当地热流体中氯离子含量小于25%毫摩百分数时，可参照工业用锅垢总量来衡量地热流体的结垢性：
若锅垢总量H0﹤125，称为锅垢很少的地热流体；
若锅垢总量H0=125～250，称为锅垢少的地热流体；
若锅垢总量H0=250～500，称为锅垢多的地热流体；
若锅垢总量H0≥500，称为锅垢很多的地热流体。
锅垢总量的计算：
H0=S+C+36rFe2++17rAl3++20rMg2++59rCa2+
式中：S——地热流体中的悬浮物含量（mg/L）；
C——胶体含量C=SiO2+Fe2O3+Al2O3（mg/L）；
r——表示离子含量的每升毫克当量数。
据DR2、DR3井的水质检测报告可知，两眼地热井的地热流体中氯离子含量小于25%毫摩百分数，经计算DR2的锅垢总量H0=1405.64；DR3的锅垢总量H0=928.85，两眼井的地热流体锅垢总量H0都大于500，因此DR2和DR3井的地热流体为结垢很多的地热流体。
b、当地热流体中氯离子含量大于25%毫摩百分数时，用拉申指数（LI）评价碳酸钙结垢趋势与实际较相符。拉申指数表达式为：
式中：
LI——拉申指数；
Cl——氯化物或卤化物浓度，以等当量的CaCO3表示（mg/L）；
SO4——硫酸盐浓度，以等当量的CaCO3表示（mg/L）；
ALK——总碱度，以等当量的CaCO3表示（mg/L）。
当LI>0.5时，不结垢；当LI<0.5时可能结垢。
据DR1井的水质检测报告可知，该地热井的地热流体中氯离子含量大于25%毫摩百分数，据计算DR1的 LI值为7.82大于0.5，故DR1的地热流体在开发利用过程中不会产生碳酸钙结垢问题。
3、硫酸钙垢
在热水温度小于100℃状态下，CaSO4垢主要是以二水硫酸钙（CaSO4·2H2O）的形式沉淀。其沉淀的机理是，当流体中硫酸钙分子浓度超过其容积度，二水硫酸钙就沉淀。判定硫酸钙生成趋势定性估算采用相对饱和度(R·S)计算，其表达式：
R·S=
式中：
k——与温度和水中总固形物含量有关的常数。
当R·S<1时，无CaSO4·2H2O垢生成；
当R·S>1时，可生成CaSO4·2H2O垢。
经计算DR1、DR3井的地热流体无硫酸钙垢生成，DR2井的地热流体生成硫酸钙垢（见表2）。
表2 DR1、DR2、DR3地热流体中硫酸钙结垢性评价表
4、硅酸盐垢
硅酸盐垢的结垢比较复杂，其垢通常含有40%～50%二氧化硅，24%～30%铁和铝的氧化物，以及10%～20%的氧化钠，硅酸盐垢的结垢通常采用二氧化硅的相对饱和度(R·S)计算，其表达式为：
如果R·S<1，无硅酸盐垢生成；R·S>1时，可能生成硅酸盐垢。
经计算，DR1 DR2、DR3地热流体中R·S都小于1， 所以DR1、DR2、DR3均无硅酸盐垢生成（见表3）。
除上述三种结垢外，DR3井的地热流体中的铁含量较高，当热水遇氧气时氧化成棕红色三价铁沉淀，因此在地热流体利用过程中，应进行除铁处理。
表3DR1、DR2、DR3地热流体中硅酸盐结垢性评价表
5结论
DR1井地热流体在开发利用过程不会产生碳酸钙结垢问题，DR2、DR3井地热流体为结垢很多的地热流体；DR1、DR3井地热流体无硫酸盐垢生成，DR2井地热流体有硫酸盐垢生成；DR1、DR2、DR3井地热流体无硅酸盐垢生成。同时对地热资源的开发利用提供了依据。
参考文献
[1] 孟宪级，白丽萍，齐金生.地热水结构趋势的判断[J].工业水处理，1997。
[2]马晓东，周长祥，王强等.聊城东部地热田地质特征研究 [J].山东科技大学学报，2008年。
作者: 高庆(1976-)男,工程师，主要从事水工环地质勘查工作。
关键词：结垢；碳酸钙垢；硫酸钙垢；硅酸盐垢
中图分类号：TK268文献标识码： A
Shandong province Yishui County Xu Jia Hu
geothermal fluid scaling evaluation
GAO Qing, PENG Wen-quan, WANG Feng, SUN Peng
(No.1 Exploration Institute of Geology and Mineral Resources, Shandong Jinan 250014, China)
Abstract: The scaling problem is a common problem in the development and utilization of geothermal energy, In this paper, Xu Jia Hu area of geothermal fluid as an example,Analysis of the geothermal fluid scaling, It provides the basis for the development and utilization of geothermal resource.
Key words: scaling；Calcium carbonate scale；Calcium sulphate scale；Silicate scale
結垢问题是地热开发腐蚀与利用中普遍存在的问题。由于地热流体矿化度较高，当溶解在地热流体中的固体物质超过其饱和度时，又发生结垢问题。因此，在开发地热资源之前先正确地评价地热流体的结垢问题是非常必要的。地热流体结垢按其主要化学成分可分为碳酸钙垢、硫酸钙垢、硅酸盐垢等。
1地热田概况
许家湖地热田位于山东省沂水县境内，面积为18.29km2，目前共有3口地热井，即DR1、DR2和DR3。据国土资源部地下水矿泉水及环境监测中心水质检测报告，水质见表1。
表1DR1、DR2、DR3孔水质分析一览表
2碳酸钙垢
2.1碳酸钙垢的成垢机理及影响碳酸钙垢形成的主要因素
碳酸钙水垢的成因是水中的钙离子（Ca2+）浓度与碳酸根离子（CO32-）浓度的乘积超过了碳酸钙的溶解度积，使碳酸钙从溶液中析出，附着在金属表面上。金属表面粗糙不平或附有一层氧化膜时，垢的附着能力就越强。
影响碳酸钙形成的主要因素有pH值，压力（CO2分压），温度和共存盐度（总固形物）。
pH值：地热流体的pH值控制了CO32-与HCO3-的分配，当pH值升高时（即H+浓度下降），CO32-浓度上升，从而碳酸钙垢层容易生成。
压力：在大多数地热流体中，pH值由CO2的分压所控制，当地热流体喷出地面时，往往因压力下降而导致CO2溢出，使气体的pH值升高，从而造成碳酸钙垢的沉积。
温度：碳酸钙的溶解度随着水温的升高而降低，因此，当水中CO2及其它组分浓度一定时，碳酸钙不会因为简单的冷却而析出。
总固形物：碳酸钙的溶解度随盐浓度的增加而加大。水中含盐量越高，碳酸钙积垢的可能性越小。
2.2碳酸钙的结垢趋势判断
a、当地热流体中氯离子含量小于25%毫摩百分数时，可参照工业用锅垢总量来衡量地热流体的结垢性：
若锅垢总量H0﹤125，称为锅垢很少的地热流体；
若锅垢总量H0=125～250，称为锅垢少的地热流体；
若锅垢总量H0=250～500，称为锅垢多的地热流体；
若锅垢总量H0≥500，称为锅垢很多的地热流体。
锅垢总量的计算：
H0=S+C+36rFe2++17rAl3++20rMg2++59rCa2+
式中：S——地热流体中的悬浮物含量（mg/L）；
C——胶体含量C=SiO2+Fe2O3+Al2O3（mg/L）；
r——表示离子含量的每升毫克当量数。
据DR2、DR3井的水质检测报告可知，两眼地热井的地热流体中氯离子含量小于25%毫摩百分数，经计算DR2的锅垢总量H0=1405.64；DR3的锅垢总量H0=928.85，两眼井的地热流体锅垢总量H0都大于500，因此DR2和DR3井的地热流体为结垢很多的地热流体。
b、当地热流体中氯离子含量大于25%毫摩百分数时，用拉申指数（LI）评价碳酸钙结垢趋势与实际较相符。拉申指数表达式为：
式中：
LI——拉申指数；
Cl——氯化物或卤化物浓度，以等当量的CaCO3表示（mg/L）；
SO4——硫酸盐浓度，以等当量的CaCO3表示（mg/L）；
ALK——总碱度，以等当量的CaCO3表示（mg/L）。
当LI>0.5时，不结垢；当LI<0.5时可能结垢。
据DR1井的水质检测报告可知，该地热井的地热流体中氯离子含量大于25%毫摩百分数，据计算DR1的 LI值为7.82大于0.5，故DR1的地热流体在开发利用过程中不会产生碳酸钙结垢问题。
3、硫酸钙垢
在热水温度小于100℃状态下，CaSO4垢主要是以二水硫酸钙（CaSO4·2H2O）的形式沉淀。其沉淀的机理是，当流体中硫酸钙分子浓度超过其容积度，二水硫酸钙就沉淀。判定硫酸钙生成趋势定性估算采用相对饱和度(R·S)计算，其表达式：
R·S=
式中：
k——与温度和水中总固形物含量有关的常数。
当R·S<1时，无CaSO4·2H2O垢生成；
当R·S>1时，可生成CaSO4·2H2O垢。
经计算DR1、DR3井的地热流体无硫酸钙垢生成，DR2井的地热流体生成硫酸钙垢（见表2）。
表2 DR1、DR2、DR3地热流体中硫酸钙结垢性评价表
4、硅酸盐垢
硅酸盐垢的结垢比较复杂，其垢通常含有40%～50%二氧化硅，24%～30%铁和铝的氧化物，以及10%～20%的氧化钠，硅酸盐垢的结垢通常采用二氧化硅的相对饱和度(R·S)计算，其表达式为：
如果R·S<1，无硅酸盐垢生成；R·S>1时，可能生成硅酸盐垢。
经计算，DR1 DR2、DR3地热流体中R·S都小于1， 所以DR1、DR2、DR3均无硅酸盐垢生成（见表3）。
除上述三种结垢外，DR3井的地热流体中的铁含量较高，当热水遇氧气时氧化成棕红色三价铁沉淀，因此在地热流体利用过程中，应进行除铁处理。
表3DR1、DR2、DR3地热流体中硅酸盐结垢性评价表
5结论
DR1井地热流体在开发利用过程不会产生碳酸钙结垢问题，DR2、DR3井地热流体为结垢很多的地热流体；DR1、DR3井地热流体无硫酸盐垢生成，DR2井地热流体有硫酸盐垢生成；DR1、DR2、DR3井地热流体无硅酸盐垢生成。同时对地热资源的开发利用提供了依据。
参考文献
[1] 孟宪级，白丽萍，齐金生.地热水结构趋势的判断[J].工业水处理，1997。
[2]马晓东，周长祥，王强等.聊城东部地热田地质特征研究 [J].山东科技大学学报，2008年。
作者: 高庆(1976-)男,工程师，主要从事水工环地质勘查工作。