同期采灌储能模式浅层咸水介质渗透性演化过程研究

马玖辰 ，武春彬，刘雪玲，张志刚

（1.天津城建大学 能源与安全学院，天津 300384；2.天津大学 中低温热能高效利用教育部重点实验室，天津 30072）

1 引 言

我国环渤海低平原区地下浅层具有丰富的咸水资源，据估算咸水资源总储量在2 500×108m3[1]，仅天津市所在滨海平原区，浅层地下咸水分布面积达到6 922 km2，占全市总面积2/3 以上[2]。浅层咸水所在地层主要为第四系上更新统（Q3）以及全新统（Q4），以冲积三角洲相沉积及海相沉积为主，具有储量大、分布广、埋藏浅、易开采、补给快、抽灌便捷、封闭条件好的特点，有利于地下储能利用。然而基于咸水层特殊的含水介质矿物构成与水质特性，一旦随意开采、盲目利用，则会造成储能区域水文地质环境改变，导致地下水资源的空间分布与更新演化规律都发生巨大变化[3]。

根据Dillon 对于26 个发生回灌堵塞储能系统的调研，发现由悬浮物在含水介质中絮凝、沉积引起孔隙结构发生变化而导致的表层和内部堵塞占到50%[4]。Zamani 等[5]通过对前人的研究成果进行总结认为，悬浮颗粒运移、沉积作用会改变多孔介质的孔隙结构、孔隙度以及压力梯度等参数，从而降低含水层渗透性以及抽注水井的工作效率。Ahfir等[6]针对不同的多孔介质内部结构对悬浮颗粒迁移和沉积的影响展开研究，发现含水层内部结构的变化影响悬浮颗粒与介质骨架之间的碰撞。Bauer 等[7]采用随机模型研究了颗粒的宏观迁移特性，得出渗流张量变化取决于悬浮颗粒大小以及注入点的位置。国内学者多采用石英砂、玻璃珠等理想多孔介质与人造悬浮颗粒为试验材料进行物理模拟试验，根据不同层位渗透系数的变化特征，确定含水介质渗透系数变化的急剧下降区、缓慢下降区和稳定不变区[8]；对悬浮颗粒在不同多孔介质中的沉积机制进行分析，拟合渗透系数衰减模型[9]；针对不同浓度的悬浮颗粒在不同的渗流速度下，分析悬浮颗粒的浓度对迁移与沉积过程的影响，确定颗粒浓度的临界值[10]。张我华等[11]基于孔隙率和损伤变量之间的定量关系，从连续损伤力学的角度对多孔介质岩土材料的渗流力学特性进行了研究，提出了孔隙介质完备有效的达西定律模型。孔令伟等[12]通过引入粒间状态参量概念，探讨砂土渗透系数的细粒效应及其与表征砂土各种状态参数的相互关联性。

对于含水层内部产生固体颗粒造成空间结构改变的研究则集中于在水动力与水化学作用下含水介质中胶体的释放、运移领域[13]。Santos 等[14]针对含水介质物理化学条件变化引起胶体的沉积展开研究，认为沉积往往发生在离子浓度较高的部分。Subba 等[15]通过现场试验得到不同渗流溶液盐度变化率引起的含水介质中黏粒释放总量与释放速率均不相同。国内学者通过批试验与一维砂（土）柱试验对于含水层内部水动力[16]与水化学条件（离子强度[17]、pH 值[18]、钠吸附比[19]等）变化引起含水介质中胶体颗粒的释放、迁移过程展开研究,识别不同胶体释放的差异性，分析释放过程中含水介质渗透性变异特征。

综上所述，国内外学者对于回灌溶液携带颗粒物质以及渗流溶液化学条件改变造成含水层渗透性能变化进行了深入研究，然而针对地下含水层热环境的变化导致含水介质孔隙结构改变的研究鲜见报道。本文通过构建三维可控渗流系统，以天津市滨海地区代表性水样、砂样为试验材料，从介观尺度（≤10-5m）研究回灌溶液温度、盐度等宏观参数变化与咸水层中微纳米颗粒分散、迁移、絮凝过程的内在关联；探索颗粒物质重组所引起的含水介质孔隙结构演化规律；确定在不同储能模式下垂直于地下水流方向的低渗透帷幕的形成机制与区域。

2 试验系统与材料

2.1 试验系统

为确保利用有限空间有效再现不同储能模式的含水介质孔隙结构动态演化过程，以咸水层储能野外试验系统为原型，基于试验模型与原型中渗流、传热与传质过程具有相似数学模型，按照相似准则，依据方程分析法原理设计、建立三维可控定水头供液渗流系统[20]，试验系统如图1 所示。

图1 储能试验系统示意图Fig.1 Schematic of energy storage experiment

砂箱主体为采用8 mm 厚的有机玻璃板粘结而成的1 200 mm×300 mm×650 mm 的长方体，选用角钢作为加强筋，确保填充过程中不会由于承重受压而发生变形或开裂。在砂箱填充区两端对称设置100 mm 长的进（出）液区，其构造完全相同以便根据试验要求灵活调换供、回水位置，改变渗流方向。在进（出）液区与含水介质填充区之间分别安装粘贴有300 目滤布的壁厚8 mm、钻满孔眼（φ 5 mm）的有机玻璃板，确保含水层中渗流溶液水平均匀面状流动，同时避免填充介质随渗流液流失对含水介质内部孔隙结构产生破坏。在砂箱填充区一侧分别距隔板100～900 mm 之间有机玻璃板上并列钻间隔100 mm 的采样孔（φ 8 mm）4 排，每排间距100 mm，试验过程中用以监测渗流液中颗粒质量浓度变化过程。另一侧有机玻璃板上距砂箱底部150 mm与350 mm 处并列打两排间距200 mm 的测试孔（φ 8 mm），将砂箱填充区分为6个渗流单元，测试孔分别与精度为±1 mm 的测压管连接，测量砂箱中不同垂直高度的各渗流单元水头变化。

为确保回灌溶液温度满足储能试验要求，选用GDH-2010 系列高精度恒温水浴作为冷热源设备。该恒温水浴容积为10 L，自带循环泵流量为6 L/min，控制温度范围为-20～100 ℃。由于水浴循环泵提供的流量超出试验中砂箱所需的供液量，系统设置溶液回收器通过溢流管回收高出供液水头的溶液，再经过潜水泵输送回恒温水浴。砂箱装置、溶液回收器以及连接管道外部贴有5 mm 的橡塑发泡保温材料。

2.2 试验材料

基于储能试验中采用原水回灌、原砂填充的原则，砂样与地下咸水均采集于天津滨海新区于家堡地下埋深40 m 处的咸水层。地下咸水提取后，为确保水样中化学成分不发生变化，在储水容器中加入适量稳定剂就地密封保存。咸水样品水质分析结果见表1，咸水样品的pH 值为7.13，矿化度为17 569 mg/L，固形物为171 99.8 mg/L。咸水层砂样采集后就地蜡封，采用吸管法分析砂样的颗粒组成，颗粒级配上属于细砂与粉细砂，重度为1.787 kN/m3；采用Dmax 12kW 粉末衍射仪对砂样矿物种类的相对含量进行X 射线衍射分析，砂样颗粒组成及矿物种类分析见表2。

表1 咸水水质成分表Table 1 Water constituents in the brackish aquifer

表2 咸水层砂样机械组成与矿物种类Table 2 Particle size distribution and mineral composition of sand samples from brackish aquifer

3 试验方案与测试方法

首先取出蜡封的天然咸水层砂样，干燥后过30目砂石筛去除杂质。采用湿装法等重度填充砂箱，含水层填充高度为450 mm，每填充30 mm 砂样，均匀喷淋地下咸水溶液并压实，确保每层含水介质重度（1.78±0.1 kg/L）相同，在含水层上部装填50 mm的黏土层与100 mm 砾石作为隔水层将含水介质与外界隔离，同时具有一定承压能力。采用在砂箱内壁贴砂和加肋方法解决由于填充不均匀，边界上的渗流速度大于含水介质内部流速，形成流动短路问题。图2为未装保温材料的砂箱实体照片。砂箱装填结束，以140 mm 水头差向砂箱通入15 ℃地下咸水进行饱水，同时采用水环式真空泵通过采样孔排气。当流出溶液的体积和温度值基本保持稳定，采样孔及测压管内无气泡与固体颗粒出现，则认为渗流砂箱饱水完成。

针对抽-注井固定与调换运行模式开展的两组储能试验均包括储热、间歇与储冷3 个过程，其中储热试验与储冷试验各历时8 h，间隙期4 h，3 部分试验连续进行。砂箱饱水后，首先通入温度为60 ℃、20%地下原水和80%去离子水混合溶液开展储热试验，固定模式中经过4 h 间歇期，由原注水端回灌5 ℃、1:4 混合溶液；在调换模式中，由原出水口通入低温混合溶液，将原入水端变为出水端。试验中进出溶液的水头差值始终保持140 mm 不变，每10 min 采用秒表-量筒法测试砂箱流出液的流量，同时读取各渗流单元测压管水头值，根据达西定律计算出不同时段各空间含水介质渗透系数K，同时分别测试各渗流单元中渗流溶液的密度与黏滞系数，确定渗透率k。为消除两组试验中砂箱填充、测试阶段，由系统、偶然与过失误差对试验结果所产生的影响，选择与试验前饱水稳定状态的初始渗透率k0的比值相对渗透率k/k0作为评价含水介质空间结构变化的标准。

在砂样填充过程中预先将K型热电偶温度传感器固定，所有热电偶在安装前均进行标定，水平断面测点布置如图3 所示。试验中采用HACN1900C浊度计测量流出液以及各渗流段内部溶液的浊度值，通过拟合的颗粒质量浓度与浊度标准曲线确定颗粒含量，作为判定含水介质颗粒重组与渗透性变化的依据[21]。

图2 渗流砂箱装置实体照片Fig.2 Photograph of the infiltration sand box

图3 砂箱水平断面温度测点分布图（单位：mm）Fig.3 Layout of temperature monitoring points in different horizontal sections of sand box(unit:mm)

4 试验结果与分析

4.1 孔隙结构演化过程

在两组同期采灌咸水层储能试验中，储热阶段含水介质的空间结构与流出液微纳米颗粒的质量浓度变化趋势相同，变化幅度基本一致；然而储冷阶段含水层渗透性能的变化规律在进出液固定模式与调换模式下呈现显著差异，试验结果如图4 所示。在进出液固定模式中，由于高温、低盐度混合溶液的注入，含水介质中微纳米颗粒从孔隙壁表面分离、脱落，随着溶液渗流方向运移。迁移过程中颗粒之间不断碰撞，絮凝形成体积较大的黏团发生沉积，堵塞有效过水断面，造成砂箱整体渗透率在试验进行190 min 后降低，至储热过程结束下降至初始状态的73%。伴随含水介质渗透性能下降，270 min时流出液中出现颗粒物质，其质量浓度达到峰值5.2 g/L 后迅速下降，储热试验结束降至1.2 g/L。

间歇期内含水介质中颗粒物质重新分布与孔隙结构变化并没有因为回灌过程的结束而终结，储冷试验开始后k/k0下降至70%。正向通入5 ℃低盐度混合溶液后，在水动力作用下末端渗流单元中的部分颗粒物质迁移出砂箱，致使储冷试验进行100 min后，流出液中再次出现颗粒物质，当浓度最大值达到1.2 g/L 后迅速下降，120 min 后降至0 g/L。同时k/k0在出现小幅回升后再次出现下降，至试验结束后稳定在63%。

图4 储能试验中砂箱整体相对渗透率与流出液黏粒浓度变化曲线Fig.4 Relations between relative permeability and released clay particle concentration in the energy storage experiment

抽-注井调换运行模式中，在储热阶段砂箱k/k0降至72.8%。由于填充介质个体差异以及试验过程中存在的系统误差，释放的颗粒质量浓度峰值为5.6 g/L。由原出水口通入5 ℃低盐度混合溶液50 min后，含水介质整体渗透性能开始缓慢下降，试验结束时k/k0由70%下降至57%；在储冷过程中，砂箱流出液中并没有颗粒物质出现。通过两类模式储能试验，含水介质渗透性能均无法通过储热、储冷过程的交替运行恢复到初始状态，表明地下含水层微纳米颗粒分布与孔隙结构演化过程具有不可逆性。

4.2 微纳米颗粒稳定性影响因素

采用粉末衍射仪分别对含水介质内部渗流溶液以及流出液中微纳米颗粒进行X 射线扫描，测试结果表明，颗粒中次生黏土矿物分别占总质量的86%、74%，各类黏土矿物相对含量如表3 所示。利用场发射扫描电子显微镜观察微纳米颗粒形貌特征，直径为0.5～3 μm 的黏土矿物以及絮凝形成的黏团附着在石英、斜长石等原生矿物表面。放大扫描倍数，流出液中颗粒外貌形态基本呈椭圆片状和类球状（见图5），颗粒体积较大，总比表面积较低。然而，含水层内渗流液中颗粒形貌则为薄片状、环状与鳞片状（见图6），不仅外比表面积很大，同时还具有很大的内比表面，使其具有很强的涨塑性与粘结性，正是由于这种结构特征使其更加容易絮聚、沉积，并在迁移过程中被含水介质孔喉所捕获。

表3 黏土矿物成分表Table 3 Clay mineral species of particles

图5 储能试验释放颗粒120 000 倍电镜图Fig.5 Photograph of released particles magnified by scanning electron microscope by 120 000 times in the energy storage experiment

图6 储能试验渗流液颗粒100 000 倍电镜图Fig.6 Photograph of released particles magnified by scanning electron microscope by 100 000 times in the infiltration flow in the energy storage experiment

颗粒物质不仅具有比表面积大、吸附能力强等胶体特性，同时黏土矿物主要构成为次生铝硅酸盐[22]，带电特性源于晶格取代方式，其带电固体表面与相邻电解质溶液形成双电层结构。根据胶体稳定性原理，在水动力坡度恒定情况下忽略渗流剪切应力，因此，微纳米颗粒之间的长程范德华引力与扩散双电层排斥力成为粒子重新分布的力学诱导机制。以表面化学双电层理论Gouy-Champman 模型与胶体稳定性理论（DLVO）为基础[23-24]，针对电镜扫描所得颗粒形貌特征，建立片状与球状粒子之间总位能关系式见式（1）、（2）。

式中：VA为长程范德华吸引力位能（J）；VR为双电层排斥力位能（J）；A为Hamaker 常数（J）；D为平面状粒子间距离（nm）；H0为球状黏粒间最短距离（nm）；a为黏粒粒径（nm）；n0为渗流溶液电解质浓度（mol/m3）；k为Boltzmann 常数（K/J）；T为含水介质温度（K）；κ-1为Debye 长度，表征扩散双电层的厚度（m）；ν0为粒子表面初始电位ψ0函数。

式中：ψ0为粒子表面初始电位（mV）；zi为渗流溶液 i 离子价位；ci为渗流溶液质量摩尔浓度（mol/kg）；ε为介电常数（F/m）；NA为阿佛加德罗常数；e为电子的电量（C）。

Hamaker 常数A 是决定长程范德华吸引力位能大小的关键因素。多孔介质中颗粒的A 值称之为有效常数A121（见式5）是由分散项A11、分散介质A22的化学性质以及粒子本身的物理性质所共同决定的[25]。由于储能过程中含水介质矿物构成及渗流溶液化学组分、离子价位均不变，对应的A 也保持稳定，则颗粒之间、颗粒与含水层孔隙壁面间的长程范德华吸引力不发生变化。

在渗流溶液其他物理性质参数不发生变化的工况下，将Debye 长度κ-1与扩散双电层排斥力位能VR分别转化为温度T与溶液电解质浓度 n0的关系式。

式中：K1、K2、K3、K4为正常数。

储热阶段随着高温、低盐度溶液的注入，含水层温度升高，颗粒间扩散双电层厚度增大，扩散双电层排斥力上升。由于渗流溶液盐度的下降，溶液中补偿离子的浓度降低，颗粒表面的阳离子逐渐由固定层进入扩散层，加剧扩散双电层厚度增加，导致受力平衡被打破，颗粒物质从多孔介质骨架上脱离，原本絮凝的黏团分散，最终造成含水层孔隙结构改变。储冷阶段中，由于渗流溶液温度降低，粒子间扩散双电层厚度变薄，引起排斥力下降，分散、脱离的颗粒发生絮凝，致使孔隙有效过水断面变小，渗透性能下降。

4.3 低渗透帷幕形成区域

试验结果表明，流出溶液中颗粒变化过程以及质量浓度可以作为判定含水介质渗透性变化的依据，但孔隙结构的变化程度则取决于含水介质内渗流溶液中的颗粒含量及矿物构成。由于含水介质渗透性能的变化规律具有很强的空间非均质性特征[26]，试验中分别测试各渗流单元沿垂直方向距底板400 mm与200 mm 上、下两层水平断面相对渗透率与温度变化过程。

试验结果如图7 所示，两组储能模式下，在储热阶段各渗流段相对渗透率以及温度变化规律一致。以抽-注井调换模式为例，由于高温、低盐度溶液的密度小于咸水的密度，混合溶液回灌初期位于咸水上部，造成上层含水介质温度与盐度首先变化，从而导致含水层渗透性能变化不同步。100～300 mm 段由于靠近注水端，上部含水层k/k0在试验进行70 min 首先下降，至230 min 降至80.5%。当释放出的微纳米颗粒随渗流溶液迁移出该区域，含水介质孔隙结构再次出现变化，渗透性能开始回升，试验结束时达到110%。尽管下部含水层空间结构变化滞后，释放的颗粒与絮凝黏团在重力作用下聚沉，使下层颗粒含量上升，在相同水动力梯度下，迁移能力减弱，渗透率降低幅度增加，储热试验结束时稳定在104%。砂箱前端释放的颗粒在迁移过程中不断絮凝形成迁移能力差、体积较大的黏团，堵塞过水断面，因此，随着与注水端距离的增加，渗透性能降幅增大。至试验结束，700～900 mm 段上、下层含水介质k/k0分别下降至41%、38%，并且均有继续下降的趋势。

渗流砂箱100～300 mm、700～900 mm 渗流单元由于距离注（出）水口比较近，间歇期间受到环境的影响，温度均小幅下降。在抽-注井固定模式下，储冷试验中回灌溶液盐度不变，因此，渗流溶液密度效应影响消失，100～300 mm 段上、下层温度变化基本同步并且幅度一致。以上层含水介质为例，由于靠近注水口，渗流速度较高，在水动力作用下将孔隙间残存的颗粒物质迁移出去，导致渗透性能出现再次上升，试验进行110 min 时k/k0由109%上升至115.2%。随着低温溶液注入，颗粒间扩散双电层排斥力减弱，絮凝形成体积较大的黏团，孔隙间有效横截面积减少，渗透性能降低，截至试验结束时稳定在92%。

图7 储能试验不同渗流单元含水介质相对渗透率与温度变化曲线Fig.7 Relations between relative permeability and temperature in different infiltration regions in the energy storage experiment

700～900 mm 单元含水介质中由储热期所通入的高温水被低温回灌水与砂箱末端的低温水环绕包围，因此，在储冷试验开始后，该渗流段含水层温度发生小幅上升后开始缓慢下降。对比储冷试验结束时各渗流单元渗透性能变化，700～900 mm 段上、下层含水介质k/k0分别降至38%、34%，同时含水介质中微纳米颗粒浓度最高，上层为2.47 g/L，下层则达到2.96 g/L（见图8(a)）。根据试验结果可得每经历一次储能过程，距抽水井较近的含水层中微纳米颗粒含量就会相应增大，从而导致该区域的渗透性能进一步降低，在抽水井附近区域形成低渗透帷幕，并且具有向抽水井缓慢迁移的趋势。

在抽-注井调换模式中，储冷试验进行20 min后，700～900 mm 渗流单元上、下层k/k0经过60 min分别由40%、37%上升至58%、55%。随着该段含水介质温度迅速下降而逐渐降低，截止试验结束时分别降至44%、41%。100～300 mm 渗流单元含水介质渗透性能随着储冷试验的进行缓慢下降，下层含水介质至试验结束时由103%降低至93%，温度则稳定在40 ℃上下。试验结果表明，500～700 mm渗流段在储冷试验结束时上、下层含水层k/k0降幅最大，分别降至42%、39%；与之对应，含水介质中微纳米颗粒含量最高（见图8(b)）。由于低渗透帷幕带形成于该区域，不仅减缓咸水层渗流溶液流动速度，同时有效减小了热（冷）量扩散范围。在帷幕带两边以高（低）温注水井为中心形成了高渗透性的热（冷）溶液库，利用地下咸水层空间结构变化的特性，增加储能利用效率。

图8 储能试验结束时砂箱各渗流单元颗粒含量Fig.8 Particle concentration in different infiltration regions at the end of the energy storage experiment

5 结 论

（1）不同咸水层储能模式下，回灌溶液温度、盐度物性参数变化是引起介观尺度上黏土矿物表面扩散双电层排斥力变化，导致含水介质微纳米颗粒重新分布的诱导机制。

（2）在抽-注井固定与调换模式中，经过完整的储能周期，砂箱整体k/k0分别降至63%、57%。尽管含水介质物性参数变化所引起的颗粒之间分散、聚沉现象本质是可逆过程，但颗粒物质重组所造成的含水层孔隙结构变化具有不可逆性，含水介质渗透性能无法通过储热与储冷过程交替运行恢复到初始状态。

（3）在抽-注井固定与调换模式中，含水介质渗透率变化在水平与垂直方向具有空间非均质性特征，低渗透帷幕带分别形成于700～900 mm与500～700 mm 渗流单元。该区域含水介质渗透性能最差，微纳米颗粒质量浓度最高，空间结构变化显著。

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