地热钻井权威浅谈地热井腐蚀及结垢问题

   

    地热能是蕴藏于地球深处的热能。按照现有开发技术的可能性，地热能资源的范围一般的范围一般指在地壳表层以下5000米以内岩石和地热流体所含的热量。中国是以中低温为主的地热资源大国，全国地热资源潜力接近全球的8%。中国地热资源遍布全国各地。据估算，中国深度2000米以内的地热资源所含的热 能相当于2500万亿吨标准煤，初步估计可以开发其中的500亿吨。

    可再生能源系指具有自我恢复原有特性并可持续利用的一次能源，包括太阳能、风能、水能、生物质能、地热能、海洋能等非化石能源。地热能是一种可 再生能源，可用于地热发电和直接利用。我国在地热能开发利用技术及装备方面取得了长足进步，特别是在地热供热专用技术和装备方面基本接近国际水平。但是，在世界范围内还存在一些技术瓶颈，严重制约着地热能的高效和经济利用，尤其是地热腐蚀和结垢问题。

    一、地热开发利用的腐蚀问题

    地热流体的腐蚀主要是电化学腐蚀，其腐蚀性成分主要有氯离子、溶解氧、硫酸根离子、氢离子、硫化氢、二氧化碳、氨、总固形物等，其中以氯离子的腐蚀性为最强，是引起碳钢、不锈钢及其它合金的孔蚀和缝隙腐蚀的重要条件。

    一般采用Langlier 饱和指数法、Ryznar 稳定指数法和Larson 指数法等判断地热水的腐蚀性。但是，氯离子对金属的腐蚀作用还与温度有关。温度越高，腐蚀作用越强。另外，地下深层地热水自然状态下通常不含氧，流出地面 后空气中的氧会溶解入地热水，溶解氧也是地热水中最常见、最重要的腐蚀性物质。生产实践表明，即使被判断为不具有腐蚀或轻微腐蚀的地热水，由于存在溶解氧 和地热水温较高等原因，实际生产中的腐蚀程度要严重得多。

    二、地热开发利用的结垢问题

    地热水结垢是地热系统运行中普遍存在的现象，是影响地热直接利用系统正常运行的重要问题之一。地热水流经岩层时，在高温、高压的作用下，溶解了多种可 溶性矿物质，当其通过系统时，附着在系统设备和管道的内表面上，形成垢层。垢层的出现和增厚使系统内地热流体的流动阻力增大，出水量下降。而换热器加热壁 面上的结垢会导致传热效率下降，能耗增加，并有可能形成垢下腐蚀等，因此，直接影响地热利用系统的正常高效运行。地热水垢虽然有多种形式，但最普遍存在的 是碳酸钙垢。据调研，日本、冰岛以及我国西藏、北京、天津、河南、辽宁等国家和地区的地热系统都存在不同程度的结垢现象。

    三、地热防腐技术

    1、采用防腐涂层

    地大热能地热开发研究人员介绍采用防腐涂层对碳钢材料进行保护，以实现既防腐又经济的目的，应用于地热深井泵泵管及地热板式换热器上。 Sugama 等在低碳钢换热器管内表面上涂覆聚苯硫醚聚合物（polyphenylenesulphide，PPS）复合涂层，其中以聚四氟乙烯 （polytetrafluoroethylene，PTFE）作为抗氧化剂，碳化硅（silicon carbide，SiC）作为导热剂，富含氧化铝的铝酸钙（aluminumoxide-rich calcium aluminate，ACA）作为抗磨损剂，用于高温地热系统的抗腐蚀、抗氧化、抗磨损和抗垢。冼泰来发明了一种新地热发电厂耐腐蚀多功能真空循环水仓， 为了防止地热腐蚀，整个水仓涂有一层防腐涂层。

    2、设备及管道选材上考虑采用防腐材质

    采用非金属管材，如聚氯乙烯和玻璃钢管等，不易腐蚀，但非金属管材还存在承压、耐热、老化、接头处理、造价等一些技术问题。也可以采用不锈钢及钛材， 但是在高氯离子含量条件下，不锈钢的耐腐蚀性并不比碳钢强，溶解氧的存在会大大加快不锈钢的腐蚀速率；

    采用钛材不但造价高，而且对于换热器的传热效率低。 也有研制铸铁盒式抗腐蚀换热器，当流速降低时，尽管其抗腐蚀性能比不锈钢板式换热器高，但是传热系数比板式换热器下降得快。当然，整个地热系统采用耐腐蚀 金属材料，可使地热系统非常可靠，但这种措施成本过高。

    3、充氮（隔氧密封）注硫（添加防腐抑制剂）技术

    针对一些防止氧腐蚀方法的不足和地热供水系统氧腐蚀的问题，提出在地热井口充氮气和在供水管道内注亚硫酸钠化学药剂法去除氧腐蚀的技术。但是这种方法需要向地热井不断补充氮气，消耗氮气资源；充氮装置要严格密封；向地热水添加的亚硫酸钠药剂易氧化；地热水利用系统是开放系统，排水量大，必须考虑添加化 学药剂的成本；向地热水添加化学药剂亚硫酸钠，药物的积累可能污染地下水源。这些不足削弱了生产上实施的可行性。

    湖北地大热能科技有限公司以“地热服务全球”为理念，多年来致力于地热开发整体规划，积极促进地热能的高效利用，通过地热勘察、地热钻井等地热资源开发手段，将地热能广泛应用于温泉规划、地热供暖、地热发电、地热农业。

    同时，为提高地热能源的利用率，地大热能为客户提供地热开发一站式服务，为客户提供地热能综合开发的整体方案，形成地热能开发的全套热规划系统，使地热资源能够从高温到低温，从出水到尾水，按部就班地得到充分的利用，争取将地热能在利用过程中的热效率损耗降至最低，极大地提高地热能的利用效率，科学合理高效环保低利用地热资源这种清洁的绿色能源。