我国藏南、川西等地区存在丰富的地热资源,高效开发与利用地热资源能够助力我国双碳目标的实现,贯彻落实可持续发展战略。但当前这些地区由于地热流体中富含大量CO₂而导致在开采过程中出现碳酸钙结垢堵塞问题,严重阻碍了地热资源的开发与利用。 本文针对川西康定DZK02地热井在放喷试验期间观测到的严重碳酸钙结垢堵塞问题,采用“资料搜集-理论分析-程序开发-数值模拟-对比分析”相结合的研究方法,系统探究了碳酸钙结垢堵塞的形成机理,建立了地热生产管道碳酸钙结垢堵塞的水热运移与化学反应的多场耦合数学模型;开发了地热井及生产管道内碳酸钙结垢堵塞数值模拟程序;该程序可精确刻画地热井内富含CO₂的地热流体的多相流动、CO₂脱气影响下的水文地球化学作用、碳酸钙矿物的动力学生长,以及钙垢以颗粒或结晶形式在生产管道壁上的沉积、管道内运移等一系列动态过程。经过与场地数据和模型的对比验证,证明所开发程序的准确性和可靠性,能够有效模拟地热系统生产性能的演化过程,量化生产管道内碳酸钙结垢特征,为碳酸钙结垢堵塞问题的分析评价提供了高效准确的数值模拟工具。利用该程序对DZK02地热井井底水热与化学条件进行了估算,探究储层衰竭对地热井生产性能与结构特征变化的影响规律,并模拟探究了适合DZK02井的防除垢手段,为该井乃至存在类似结垢问题的地热生产系统提供科学依据与理论基础。 通过对DZK02地热井进行概化,建立一维井眼模型,利用本次开发的数值模拟工具研究得到DZK02地热井井底温度为130℃,井底地热流体钙浓度在0.84~1.31 mmol/kgw之间,相对应的井底CO₂分压在15.44~25.44 bar之间,井底总压力在11.28~11.41 MPa之间,地热流体p H值大约在5.76~5.51之间,闪蒸与结垢的起始位置分别位于井下223.8 m与191.2 m;DZK02地热井碳酸钙垢堵塞最严重的部位在靠近地热井口的地面管道内,碳酸钙主要以颗粒垢形式沉积。 生产管道内碳酸钙的结垢起始位置位于闪蒸点上方一定距离,井底CO₂分压(P_CO2)越高,闪蒸和结垢起始位置越深,并且二者距离与井底CO₂分压呈正相关关系,井底压力下降同样加深了闪蒸深度与结垢起始位置,但对二者距离无影响,储层热衰竭与井底压力下降虽然能在一定程度上降低地热生产管道的结垢程度,但同时削弱了地热井的生产性能,缩短了可自主喷发的持续时间。 通过后续防除垢研究表明,在井内闪蒸位置以0.4 kg/s的速率注入质量分数为3%的盐酸可做到对DZK02地热井的不关井实时防垢;仅增大地表管线管径或者在打井前期计划部署更小井径的地热井能够有效提高生产系统运行时间,提升产流温度与气化程度的稳定性,加深闪蒸深度与结垢起始位置,其中增大地面管线管径可显著提高生产系统产流流量,但这两种方案都会加重地热井内的碳酸钙结垢程度,增加除垢成本与难度;若将地面管线管径调整为160 mm并在闪蒸位置以1.0 kg/s注入3%的盐酸,即可做到实时防垢,并将产流流量提升2.76倍。