馬玖辰 ，武春彬，劉雪玲，張志剛

（1.天津城建大學(xué) 能源與安全學(xué)院，天津 300384；2.天津大學(xué) 中低溫?zé)崮芨咝Ю媒逃恐攸c(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 30072）

1 引 言

我國(guó)環(huán)渤海低平原區(qū)地下淺層具有豐富的咸水資源，據(jù)估算咸水資源總儲(chǔ)量在2 500×108m3[1]，僅天津市所在濱海平原區(qū)，淺層地下咸水分布面積達(dá)到6 922 km2，占全市總面積2/3 以上[2]。淺層咸水所在地層主要為第四系上更新統(tǒng)（Q3）以及全新統(tǒng)（Q4），以沖積三角洲相沉積及海相沉積為主，具有儲(chǔ)量大、分布廣、埋藏淺、易開(kāi)采、補(bǔ)給快、抽灌便捷、封閉條件好的特點(diǎn)，有利于地下儲(chǔ)能利用。然而基于咸水層特殊的含水介質(zhì)礦物構(gòu)成與水質(zhì)特性，一旦隨意開(kāi)采、盲目利用，則會(huì)造成儲(chǔ)能區(qū)域水文地質(zhì)環(huán)境改變，導(dǎo)致地下水資源的空間分布與更新演化規(guī)律都發(fā)生巨大變化[3]。

根據(jù)Dillon 對(duì)于26 個(gè)發(fā)生回灌堵塞儲(chǔ)能系統(tǒng)的調(diào)研，發(fā)現(xiàn)由懸浮物在含水介質(zhì)中絮凝、沉積引起孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生變化而導(dǎo)致的表層和內(nèi)部堵塞占到50%[4]。Zamani 等[5]通過(guò)對(duì)前人的研究成果進(jìn)行總結(jié)認(rèn)為，懸浮顆粒運(yùn)移、沉積作用會(huì)改變多孔介質(zhì)的孔隙結(jié)構(gòu)、孔隙度以及壓力梯度等參數(shù)，從而降低含水層滲透性以及抽注水井的工作效率。Ahfir等[6]針對(duì)不同的多孔介質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)對(duì)懸浮顆粒遷移和沉積的影響展開(kāi)研究，發(fā)現(xiàn)含水層內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化影響懸浮顆粒與介質(zhì)骨架之間的碰撞。Bauer 等[7]采用隨機(jī)模型研究了顆粒的宏觀遷移特性，得出滲流張量變化取決于懸浮顆粒大小以及注入點(diǎn)的位置。國(guó)內(nèi)學(xué)者多采用石英砂、玻璃珠等理想多孔介質(zhì)與人造懸浮顆粒為試驗(yàn)材料進(jìn)行物理模擬試驗(yàn)，根據(jù)不同層位滲透系數(shù)的變化特征，確定含水介質(zhì)滲透系數(shù)變化的急劇下降區(qū)、緩慢下降區(qū)和穩(wěn)定不變區(qū)[8]；對(duì)懸浮顆粒在不同多孔介質(zhì)中的沉積機(jī)制進(jìn)行分析，擬合滲透系數(shù)衰減模型[9]；針對(duì)不同濃度的懸浮顆粒在不同的滲流速度下，分析懸浮顆粒的濃度對(duì)遷移與沉積過(guò)程的影響，確定顆粒濃度的臨界值[10]。張我華等[11]基于孔隙率和損傷變量之間的定量關(guān)系，從連續(xù)損傷力學(xué)的角度對(duì)多孔介質(zhì)巖土材料的滲流力學(xué)特性進(jìn)行了研究，提出了孔隙介質(zhì)完備有效的達(dá)西定律模型。孔令偉等[12]通過(guò)引入粒間狀態(tài)參量概念，探討砂土滲透系數(shù)的細(xì)粒效應(yīng)及其與表征砂土各種狀態(tài)參數(shù)的相互關(guān)聯(lián)性。

對(duì)于含水層內(nèi)部產(chǎn)生固體顆粒造成空間結(jié)構(gòu)改變的研究則集中于在水動(dòng)力與水化學(xué)作用下含水介質(zhì)中膠體的釋放、運(yùn)移領(lǐng)域[13]。Santos 等[14]針對(duì)含水介質(zhì)物理化學(xué)條件變化引起膠體的沉積展開(kāi)研究，認(rèn)為沉積往往發(fā)生在離子濃度較高的部分。Subba 等[15]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)得到不同滲流溶液鹽度變化率引起的含水介質(zhì)中黏粒釋放總量與釋放速率均不相同。國(guó)內(nèi)學(xué)者通過(guò)批試驗(yàn)與一維砂（土）柱試驗(yàn)對(duì)于含水層內(nèi)部水動(dòng)力[16]與水化學(xué)條件（離子強(qiáng)度[17]、pH 值[18]、鈉吸附比[19]等）變化引起含水介質(zhì)中膠體顆粒的釋放、遷移過(guò)程展開(kāi)研究,識(shí)別不同膠體釋放的差異性，分析釋放過(guò)程中含水介質(zhì)滲透性變異特征。

綜上所述，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于回灌溶液攜帶顆粒物質(zhì)以及滲流溶液化學(xué)條件改變?cè)斐珊畬訚B透性能變化進(jìn)行了深入研究，然而針對(duì)地下含水層熱環(huán)境的變化導(dǎo)致含水介質(zhì)孔隙結(jié)構(gòu)改變的研究鮮見(jiàn)報(bào)道。本文通過(guò)構(gòu)建三維可控滲流系統(tǒng)，以天津市濱海地區(qū)代表性水樣、砂樣為試驗(yàn)材料，從介觀尺度（≤10-5m）研究回灌溶液溫度、鹽度等宏觀參數(shù)變化與咸水層中微納米顆粒分散、遷移、絮凝過(guò)程的內(nèi)在關(guān)聯(lián)；探索顆粒物質(zhì)重組所引起的含水介質(zhì)孔隙結(jié)構(gòu)演化規(guī)律；確定在不同儲(chǔ)能模式下垂直于地下水流方向的低滲透帷幕的形成機(jī)制與區(qū)域。

2 試驗(yàn)系統(tǒng)與材料

2.1 試驗(yàn)系統(tǒng)

為確保利用有限空間有效再現(xiàn)不同儲(chǔ)能模式的含水介質(zhì)孔隙結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)演化過(guò)程，以咸水層儲(chǔ)能野外試驗(yàn)系統(tǒng)為原型，基于試驗(yàn)?zāi)Ｐ团c原型中滲流、傳熱與傳質(zhì)過(guò)程具有相似數(shù)學(xué)模型，按照相似準(zhǔn)則，依據(jù)方程分析法原理設(shè)計(jì)、建立三維可控定水頭供液滲流系統(tǒng)[20]，試驗(yàn)系統(tǒng)如圖1 所示。

圖1 儲(chǔ)能試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic of energy storage experiment

砂箱主體為采用8 mm 厚的有機(jī)玻璃板粘結(jié)而成的1 200 mm×300 mm×650 mm 的長(zhǎng)方體，選用角鋼作為加強(qiáng)筋，確保填充過(guò)程中不會(huì)由于承重受壓而發(fā)生變形或開(kāi)裂。在砂箱填充區(qū)兩端對(duì)稱設(shè)置100 mm 長(zhǎng)的進(jìn)（出）液區(qū)，其構(gòu)造完全相同以便根據(jù)試驗(yàn)要求靈活調(diào)換供、回水位置，改變滲流方向。在進(jìn)（出）液區(qū)與含水介質(zhì)填充區(qū)之間分別安裝粘貼有300 目濾布的壁厚8 mm、鉆滿孔眼（φ 5 mm）的有機(jī)玻璃板，確保含水層中滲流溶液水平均勻面狀流動(dòng)，同時(shí)避免填充介質(zhì)隨滲流液流失對(duì)含水介質(zhì)內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞。在砂箱填充區(qū)一側(cè)分別距隔板100～900 mm 之間有機(jī)玻璃板上并列鉆間隔100 mm 的采樣孔（φ 8 mm）4 排，每排間距100 mm，試驗(yàn)過(guò)程中用以監(jiān)測(cè)滲流液中顆粒質(zhì)量濃度變化過(guò)程。另一側(cè)有機(jī)玻璃板上距砂箱底部150 mm與350 mm 處并列打兩排間距200 mm 的測(cè)試孔（φ 8 mm），將砂箱填充區(qū)分為6個(gè)滲流單元，測(cè)試孔分別與精度為±1 mm 的測(cè)壓管連接，測(cè)量砂箱中不同垂直高度的各滲流單元水頭變化。

為確?；毓嗳芤簻囟葷M足儲(chǔ)能試驗(yàn)要求，選用GDH-2010 系列高精度恒溫水浴作為冷熱源設(shè)備。該恒溫水浴容積為10 L，自帶循環(huán)泵流量為6 L/min，控制溫度范圍為-20～100 ℃。由于水浴循環(huán)泵提供的流量超出試驗(yàn)中砂箱所需的供液量，系統(tǒng)設(shè)置溶液回收器通過(guò)溢流管回收高出供液水頭的溶液，再經(jīng)過(guò)潛水泵輸送回恒溫水浴。砂箱裝置、溶液回收器以及連接管道外部貼有5 mm 的橡塑發(fā)泡保溫材料。

2.2 試驗(yàn)材料

基于儲(chǔ)能試驗(yàn)中采用原水回灌、原砂填充的原則，砂樣與地下咸水均采集于天津?yàn)I海新區(qū)于家堡地下埋深40 m 處的咸水層。地下咸水提取后，為確保水樣中化學(xué)成分不發(fā)生變化，在儲(chǔ)水容器中加入適量穩(wěn)定劑就地密封保存。咸水樣品水質(zhì)分析結(jié)果見(jiàn)表1，咸水樣品的pH 值為7.13，礦化度為17 569 mg/L，固形物為171 99.8 mg/L。咸水層砂樣采集后就地蠟封，采用吸管法分析砂樣的顆粒組成，顆粒級(jí)配上屬于細(xì)砂與粉細(xì)砂，重度為1.787 kN/m3；采用Dmax 12kW 粉末衍射儀對(duì)砂樣礦物種類(lèi)的相對(duì)含量進(jìn)行X 射線衍射分析，砂樣顆粒組成及礦物種類(lèi)分析見(jiàn)表2。

表1 咸水水質(zhì)成分表Table 1 Water constituents in the brackish aquifer

表2 咸水層砂樣機(jī)械組成與礦物種類(lèi)Table 2 Particle size distribution and mineral composition of sand samples from brackish aquifer

3 試驗(yàn)方案與測(cè)試方法

首先取出蠟封的天然咸水層砂樣，干燥后過(guò)30目砂石篩去除雜質(zhì)。采用濕裝法等重度填充砂箱，含水層填充高度為450 mm，每填充30 mm 砂樣，均勻噴淋地下咸水溶液并壓實(shí)，確保每層含水介質(zhì)重度（1.78±0.1 kg/L）相同，在含水層上部裝填50 mm的黏土層與100 mm 礫石作為隔水層將含水介質(zhì)與外界隔離，同時(shí)具有一定承壓能力。采用在砂箱內(nèi)壁貼砂和加肋方法解決由于填充不均勻，邊界上的滲流速度大于含水介質(zhì)內(nèi)部流速，形成流動(dòng)短路問(wèn)題。圖2為未裝保溫材料的砂箱實(shí)體照片。砂箱裝填結(jié)束，以140 mm 水頭差向砂箱通入15 ℃地下咸水進(jìn)行飽水，同時(shí)采用水環(huán)式真空泵通過(guò)采樣孔排氣。當(dāng)流出溶液的體積和溫度值基本保持穩(wěn)定，采樣孔及測(cè)壓管內(nèi)無(wú)氣泡與固體顆粒出現(xiàn)，則認(rèn)為滲流砂箱飽水完成。

針對(duì)抽-注井固定與調(diào)換運(yùn)行模式開(kāi)展的兩組儲(chǔ)能試驗(yàn)均包括儲(chǔ)熱、間歇與儲(chǔ)冷3 個(gè)過(guò)程，其中儲(chǔ)熱試驗(yàn)與儲(chǔ)冷試驗(yàn)各歷時(shí)8 h，間隙期4 h，3 部分試驗(yàn)連續(xù)進(jìn)行。砂箱飽水后，首先通入溫度為60 ℃、20%地下原水和80%去離子水混合溶液開(kāi)展儲(chǔ)熱試驗(yàn)，固定模式中經(jīng)過(guò)4 h 間歇期，由原注水端回灌5 ℃、1:4 混合溶液；在調(diào)換模式中，由原出水口通入低溫混合溶液，將原入水端變?yōu)槌鏊?。試?yàn)中進(jìn)出溶液的水頭差值始終保持140 mm 不變，每10 min 采用秒表-量筒法測(cè)試砂箱流出液的流量，同時(shí)讀取各滲流單元測(cè)壓管水頭值，根據(jù)達(dá)西定律計(jì)算出不同時(shí)段各空間含水介質(zhì)滲透系數(shù)K，同時(shí)分別測(cè)試各滲流單元中滲流溶液的密度與黏滯系數(shù)，確定滲透率k。為消除兩組試驗(yàn)中砂箱填充、測(cè)試階段，由系統(tǒng)、偶然與過(guò)失誤差對(duì)試驗(yàn)結(jié)果所產(chǎn)生的影響，選擇與試驗(yàn)前飽水穩(wěn)定狀態(tài)的初始滲透率k0的比值相對(duì)滲透率k/k0作為評(píng)價(jià)含水介質(zhì)空間結(jié)構(gòu)變化的標(biāo)準(zhǔn)。

在砂樣填充過(guò)程中預(yù)先將K型熱電偶溫度傳感器固定，所有熱電偶在安裝前均進(jìn)行標(biāo)定，水平斷面測(cè)點(diǎn)布置如圖3 所示。試驗(yàn)中采用HACN1900C濁度計(jì)測(cè)量流出液以及各滲流段內(nèi)部溶液的濁度值，通過(guò)擬合的顆粒質(zhì)量濃度與濁度標(biāo)準(zhǔn)曲線確定顆粒含量，作為判定含水介質(zhì)顆粒重組與滲透性變化的依據(jù)[21]。

圖2 滲流砂箱裝置實(shí)體照片F(xiàn)ig.2 Photograph of the infiltration sand box

圖3 砂箱水平斷面溫度測(cè)點(diǎn)分布圖（單位：mm）Fig.3 Layout of temperature monitoring points in different horizontal sections of sand box(unit:mm)

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 孔隙結(jié)構(gòu)演化過(guò)程

在兩組同期采灌咸水層儲(chǔ)能試驗(yàn)中，儲(chǔ)熱階段含水介質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)與流出液微納米顆粒的質(zhì)量濃度變化趨勢(shì)相同，變化幅度基本一致；然而儲(chǔ)冷階段含水層滲透性能的變化規(guī)律在進(jìn)出液固定模式與調(diào)換模式下呈現(xiàn)顯著差異，試驗(yàn)結(jié)果如圖4 所示。在進(jìn)出液固定模式中，由于高溫、低鹽度混合溶液的注入，含水介質(zhì)中微納米顆粒從孔隙壁表面分離、脫落，隨著溶液滲流方向運(yùn)移。遷移過(guò)程中顆粒之間不斷碰撞，絮凝形成體積較大的黏團(tuán)發(fā)生沉積，堵塞有效過(guò)水?dāng)嗝妫斐缮跋湔w滲透率在試驗(yàn)進(jìn)行190 min 后降低，至儲(chǔ)熱過(guò)程結(jié)束下降至初始狀態(tài)的73%。伴隨含水介質(zhì)滲透性能下降，270 min時(shí)流出液中出現(xiàn)顆粒物質(zhì)，其質(zhì)量濃度達(dá)到峰值5.2 g/L 后迅速下降，儲(chǔ)熱試驗(yàn)結(jié)束降至1.2 g/L。

間歇期內(nèi)含水介質(zhì)中顆粒物質(zhì)重新分布與孔隙結(jié)構(gòu)變化并沒(méi)有因?yàn)榛毓噙^(guò)程的結(jié)束而終結(jié)，儲(chǔ)冷試驗(yàn)開(kāi)始后k/k0下降至70%。正向通入5 ℃低鹽度混合溶液后，在水動(dòng)力作用下末端滲流單元中的部分顆粒物質(zhì)遷移出砂箱，致使儲(chǔ)冷試驗(yàn)進(jìn)行100 min后，流出液中再次出現(xiàn)顆粒物質(zhì)，當(dāng)濃度最大值達(dá)到1.2 g/L 后迅速下降，120 min 后降至0 g/L。同時(shí)k/k0在出現(xiàn)小幅回升后再次出現(xiàn)下降，至試驗(yàn)結(jié)束后穩(wěn)定在63%。

圖4 儲(chǔ)能試驗(yàn)中砂箱整體相對(duì)滲透率與流出液黏粒濃度變化曲線Fig.4 Relations between relative permeability and released clay particle concentration in the energy storage experiment

抽-注井調(diào)換運(yùn)行模式中，在儲(chǔ)熱階段砂箱k/k0降至72.8%。由于填充介質(zhì)個(gè)體差異以及試驗(yàn)過(guò)程中存在的系統(tǒng)誤差，釋放的顆粒質(zhì)量濃度峰值為5.6 g/L。由原出水口通入5 ℃低鹽度混合溶液50 min后，含水介質(zhì)整體滲透性能開(kāi)始緩慢下降，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)k/k0由70%下降至57%；在儲(chǔ)冷過(guò)程中，砂箱流出液中并沒(méi)有顆粒物質(zhì)出現(xiàn)。通過(guò)兩類(lèi)模式儲(chǔ)能試驗(yàn)，含水介質(zhì)滲透性能均無(wú)法通過(guò)儲(chǔ)熱、儲(chǔ)冷過(guò)程的交替運(yùn)行恢復(fù)到初始狀態(tài)，表明地下含水層微納米顆粒分布與孔隙結(jié)構(gòu)演化過(guò)程具有不可逆性。

4.2 微納米顆粒穩(wěn)定性影響因素

采用粉末衍射儀分別對(duì)含水介質(zhì)內(nèi)部滲流溶液以及流出液中微納米顆粒進(jìn)行X 射線掃描，測(cè)試結(jié)果表明，顆粒中次生黏土礦物分別占總質(zhì)量的86%、74%，各類(lèi)黏土礦物相對(duì)含量如表3 所示。利用場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡觀察微納米顆粒形貌特征，直徑為0.5～3 μm 的黏土礦物以及絮凝形成的黏團(tuán)附著在石英、斜長(zhǎng)石等原生礦物表面。放大掃描倍數(shù)，流出液中顆粒外貌形態(tài)基本呈橢圓片狀和類(lèi)球狀（見(jiàn)圖5），顆粒體積較大，總比表面積較低。然而，含水層內(nèi)滲流液中顆粒形貌則為薄片狀、環(huán)狀與鱗片狀（見(jiàn)圖6），不僅外比表面積很大，同時(shí)還具有很大的內(nèi)比表面，使其具有很強(qiáng)的漲塑性與粘結(jié)性，正是由于這種結(jié)構(gòu)特征使其更加容易絮聚、沉積，并在遷移過(guò)程中被含水介質(zhì)孔喉所捕獲。

表3 黏土礦物成分表Table 3 Clay mineral species of particles

圖5 儲(chǔ)能試驗(yàn)釋放顆粒120 000 倍電鏡圖Fig.5 Photograph of released particles magnified by scanning electron microscope by 120 000 times in the energy storage experiment

圖6 儲(chǔ)能試驗(yàn)滲流液顆粒100 000 倍電鏡圖Fig.6 Photograph of released particles magnified by scanning electron microscope by 100 000 times in the infiltration flow in the energy storage experiment

顆粒物質(zhì)不僅具有比表面積大、吸附能力強(qiáng)等膠體特性，同時(shí)黏土礦物主要構(gòu)成為次生鋁硅酸鹽[22]，帶電特性源于晶格取代方式，其帶電固體表面與相鄰電解質(zhì)溶液形成雙電層結(jié)構(gòu)。根據(jù)膠體穩(wěn)定性原理，在水動(dòng)力坡度恒定情況下忽略滲流剪切應(yīng)力，因此，微納米顆粒之間的長(zhǎng)程范德華引力與擴(kuò)散雙電層排斥力成為粒子重新分布的力學(xué)誘導(dǎo)機(jī)制。以表面化學(xué)雙電層理論Gouy-Champman 模型與膠體穩(wěn)定性理論（DLVO）為基礎(chǔ)[23-24]，針對(duì)電鏡掃描所得顆粒形貌特征，建立片狀與球狀粒子之間總位能關(guān)系式見(jiàn)式（1）、（2）。

式中：VA為長(zhǎng)程范德華吸引力位能（J）；VR為雙電層排斥力位能（J）；A為Hamaker 常數(shù)（J）；D為平面狀粒子間距離（nm）；H0為球狀黏粒間最短距離（nm）；a為黏粒粒徑（nm）；n0為滲流溶液電解質(zhì)濃度（mol/m3）；k為Boltzmann 常數(shù)（K/J）；T為含水介質(zhì)溫度（K）；κ-1為Debye 長(zhǎng)度，表征擴(kuò)散雙電層的厚度（m）；ν0為粒子表面初始電位ψ0函數(shù)。

式中：ψ0為粒子表面初始電位（mV）；zi為滲流溶液 i 離子價(jià)位；ci為滲流溶液質(zhì)量摩爾濃度（mol/kg）；ε為介電常數(shù)（F/m）；NA為阿佛加德羅常數(shù)；e為電子的電量（C）。

Hamaker 常數(shù)A 是決定長(zhǎng)程范德華吸引力位能大小的關(guān)鍵因素。多孔介質(zhì)中顆粒的A 值稱之為有效常數(shù)A121（見(jiàn)式5）是由分散項(xiàng)A11、分散介質(zhì)A22的化學(xué)性質(zhì)以及粒子本身的物理性質(zhì)所共同決定的[25]。由于儲(chǔ)能過(guò)程中含水介質(zhì)礦物構(gòu)成及滲流溶液化學(xué)組分、離子價(jià)位均不變，對(duì)應(yīng)的A 也保持穩(wěn)定，則顆粒之間、顆粒與含水層孔隙壁面間的長(zhǎng)程范德華吸引力不發(fā)生變化。

在滲流溶液其他物理性質(zhì)參數(shù)不發(fā)生變化的工況下，將Debye 長(zhǎng)度κ-1與擴(kuò)散雙電層排斥力位能VR分別轉(zhuǎn)化為溫度T與溶液電解質(zhì)濃度 n0的關(guān)系式。

式中：K1、K2、K3、K4為正常數(shù)。

儲(chǔ)熱階段隨著高溫、低鹽度溶液的注入，含水層溫度升高，顆粒間擴(kuò)散雙電層厚度增大，擴(kuò)散雙電層排斥力上升。由于滲流溶液鹽度的下降，溶液中補(bǔ)償離子的濃度降低，顆粒表面的陽(yáng)離子逐漸由固定層進(jìn)入擴(kuò)散層，加劇擴(kuò)散雙電層厚度增加，導(dǎo)致受力平衡被打破，顆粒物質(zhì)從多孔介質(zhì)骨架上脫離，原本絮凝的黏團(tuán)分散，最終造成含水層孔隙結(jié)構(gòu)改變。儲(chǔ)冷階段中，由于滲流溶液溫度降低，粒子間擴(kuò)散雙電層厚度變薄，引起排斥力下降，分散、脫離的顆粒發(fā)生絮凝，致使孔隙有效過(guò)水?dāng)嗝孀冃?，滲透性能下降。

4.3 低滲透帷幕形成區(qū)域

試驗(yàn)結(jié)果表明，流出溶液中顆粒變化過(guò)程以及質(zhì)量濃度可以作為判定含水介質(zhì)滲透性變化的依據(jù)，但孔隙結(jié)構(gòu)的變化程度則取決于含水介質(zhì)內(nèi)滲流溶液中的顆粒含量及礦物構(gòu)成。由于含水介質(zhì)滲透性能的變化規(guī)律具有很強(qiáng)的空間非均質(zhì)性特征[26]，試驗(yàn)中分別測(cè)試各滲流單元沿垂直方向距底板400 mm與200 mm 上、下兩層水平斷面相對(duì)滲透率與溫度變化過(guò)程。

試驗(yàn)結(jié)果如圖7 所示，兩組儲(chǔ)能模式下，在儲(chǔ)熱階段各滲流段相對(duì)滲透率以及溫度變化規(guī)律一致。以抽-注井調(diào)換模式為例，由于高溫、低鹽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，造成上層含水介質(zhì)溫度與鹽度首先變化，從而導(dǎo)致含水層滲透性能變化不同步。100～300 mm 段由于靠近注水端，上部含水層k/k0在試驗(yàn)進(jìn)行70 min 首先下降，至230 min 降至80.5%。當(dāng)釋放出的微納米顆粒隨滲流溶液遷移出該區(qū)域，含水介質(zhì)孔隙結(jié)構(gòu)再次出現(xiàn)變化，滲透性能開(kāi)始回升，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)達(dá)到110%。盡管下部含水層空間結(jié)構(gòu)變化滯后，釋放的顆粒與絮凝黏團(tuán)在重力作用下聚沉，使下層顆粒含量上升，在相同水動(dòng)力梯度下，遷移能力減弱，滲透率降低幅度增加，儲(chǔ)熱試驗(yàn)結(jié)束時(shí)穩(wěn)定在104%。砂箱前端釋放的顆粒在遷移過(guò)程中不斷絮凝形成遷移能力差、體積較大的黏團(tuán)，堵塞過(guò)水?dāng)嗝?，因此，隨著與注水端距離的增加，滲透性能降幅增大。至試驗(yàn)結(jié)束，700～900 mm 段上、下層含水介質(zhì)k/k0分別下降至41%、38%，并且均有繼續(xù)下降的趨勢(shì)。

滲流砂箱100～300 mm、700～900 mm 滲流單元由于距離注（出）水口比較近，間歇期間受到環(huán)境的影響，溫度均小幅下降。在抽-注井固定模式下，儲(chǔ)冷試驗(yàn)中回灌溶液鹽度不變，因此，滲流溶液密度效應(yīng)影響消失，100～300 mm 段上、下層溫度變化基本同步并且幅度一致。以上層含水介質(zhì)為例，由于靠近注水口，滲流速度較高，在水動(dòng)力作用下將孔隙間殘存的顆粒物質(zhì)遷移出去，導(dǎo)致滲透性能出現(xiàn)再次上升，試驗(yàn)進(jìn)行110 min 時(shí)k/k0由109%上升至115.2%。隨著低溫溶液注入，顆粒間擴(kuò)散雙電層排斥力減弱，絮凝形成體積較大的黏團(tuán)，孔隙間有效橫截面積減少，滲透性能降低，截至試驗(yàn)結(jié)束時(shí)穩(wěn)定在92%。

圖7 儲(chǔ)能試驗(yàn)不同滲流單元含水介質(zhì)相對(duì)滲透率與溫度變化曲線Fig.7 Relations between relative permeability and temperature in different infiltration regions in the energy storage experiment

700～900 mm 單元含水介質(zhì)中由儲(chǔ)熱期所通入的高溫水被低溫回灌水與砂箱末端的低溫水環(huán)繞包圍，因此，在儲(chǔ)冷試驗(yàn)開(kāi)始后，該滲流段含水層溫度發(fā)生小幅上升后開(kāi)始緩慢下降。對(duì)比儲(chǔ)冷試驗(yàn)結(jié)束時(shí)各滲流單元滲透性能變化，700～900 mm 段上、下層含水介質(zhì)k/k0分別降至38%、34%，同時(shí)含水介質(zhì)中微納米顆粒濃度最高，上層為2.47 g/L，下層則達(dá)到2.96 g/L（見(jiàn)圖8(a)）。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可得每經(jīng)歷一次儲(chǔ)能過(guò)程，距抽水井較近的含水層中微納米顆粒含量就會(huì)相應(yīng)增大，從而導(dǎo)致該區(qū)域的滲透性能進(jìn)一步降低，在抽水井附近區(qū)域形成低滲透帷幕，并且具有向抽水井緩慢遷移的趨勢(shì)。

在抽-注井調(diào)換模式中，儲(chǔ)冷試驗(yàn)進(jìn)行20 min后，700～900 mm 滲流單元上、下層k/k0經(jīng)過(guò)60 min分別由40%、37%上升至58%、55%。隨著該段含水介質(zhì)溫度迅速下降而逐漸降低，截止試驗(yàn)結(jié)束時(shí)分別降至44%、41%。100～300 mm 滲流單元含水介質(zhì)滲透性能隨著儲(chǔ)冷試驗(yàn)的進(jìn)行緩慢下降，下層含水介質(zhì)至試驗(yàn)結(jié)束時(shí)由103%降低至93%，溫度則穩(wěn)定在40 ℃上下。試驗(yàn)結(jié)果表明，500～700 mm滲流段在儲(chǔ)冷試驗(yàn)結(jié)束時(shí)上、下層含水層k/k0降幅最大，分別降至42%、39%；與之對(duì)應(yīng)，含水介質(zhì)中微納米顆粒含量最高（見(jiàn)圖8(b)）。由于低滲透帷幕帶形成于該區(qū)域，不僅減緩咸水層滲流溶液流動(dòng)速度，同時(shí)有效減小了熱（冷）量擴(kuò)散范圍。在帷幕帶兩邊以高（低）溫注水井為中心形成了高滲透性的熱（冷）溶液庫(kù)，利用地下咸水層空間結(jié)構(gòu)變化的特性，增加儲(chǔ)能利用效率。

圖8 儲(chǔ)能試驗(yàn)結(jié)束時(shí)砂箱各滲流單元顆粒含量Fig.8 Particle concentration in different infiltration regions at the end of the energy storage experiment

5 結(jié) 論

（1）不同咸水層儲(chǔ)能模式下，回灌溶液溫度、鹽度物性參數(shù)變化是引起介觀尺度上黏土礦物表面擴(kuò)散雙電層排斥力變化，導(dǎo)致含水介質(zhì)微納米顆粒重新分布的誘導(dǎo)機(jī)制。

（2）在抽-注井固定與調(diào)換模式中，經(jīng)過(guò)完整的儲(chǔ)能周期，砂箱整體k/k0分別降至63%、57%。盡管含水介質(zhì)物性參數(shù)變化所引起的顆粒之間分散、聚沉現(xiàn)象本質(zhì)是可逆過(guò)程，但顆粒物質(zhì)重組所造成的含水層孔隙結(jié)構(gòu)變化具有不可逆性，含水介質(zhì)滲透性能無(wú)法通過(guò)儲(chǔ)熱與儲(chǔ)冷過(guò)程交替運(yùn)行恢復(fù)到初始狀態(tài)。

（3）在抽-注井固定與調(diào)換模式中，含水介質(zhì)滲透率變化在水平與垂直方向具有空間非均質(zhì)性特征，低滲透帷幕帶分別形成于700～900 mm與500～700 mm 滲流單元。該區(qū)域含水介質(zhì)滲透性能最差，微納米顆粒質(zhì)量濃度最高，空間結(jié)構(gòu)變化顯著。

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