含水层人工回灌物理堵塞的实验与数值模拟

以地表水体和雨洪水作为回灌水源,人工补给地下含水层过程中会发生含水层堵塞问题(特别是物理堵塞),将严重影响人工回灌的效果.采用模拟实验系统研究了悬浮固体颗粒对含水介质堵塞的机理,并用数学模型预测了含水介质物理堵塞的发生和发展过程.研究表明,含水介质的渗透性在回灌初期不断下降,随着回灌时间的延长逐渐趋于稳定;另外,悬浮物堵塞会导致介质的非均质性,渗透距离越小的砂层,堵塞越严重.建议将回灌液悬浮物浓度控制在25mg/L之内,在雨季悬浮物浓度较高时要进行周期性反冲洗,其频率为1次/d.     

超深层孔隙型热储地热尾水回灌堵塞机理

超深层孔隙型地下热水回灌难的问题已成为制约关中盆地地下热水可持续开发利用的瓶颈.本文以超深层孔隙型地热流体为载体,以热储原水-回灌尾水-热储介质-堵塞垢物之间水岩作用下矿物组分溶解沉淀规律为基础,以咸阳回灌1号井为例,应用室内堵塞实验模拟及水文地球化学模拟耦合方法,展开超深层孔隙型地热尾水回灌堵塞机理研究.结果表明:造成堵塞的主要因素有物理、化学、气体、微生物等,其中物理堵塞形式主要为颗粒运移和悬浮物堵塞,颗粒运移受回灌流速和储层物性影响明显,温度、压力是悬浮物堵塞的主控因素,而粘土膨胀影响甚微;化学堵塞程度随温度升高而加剧,主要化学沉淀为碳酸盐垢,且在回灌初期-中期达到沉淀量最大值;气体堵塞在回灌初期影响较大,之后随温度升高而减小;微生物堵塞的主要细菌类型为腐生菌,其堵塞程度与环境开放程度有关.     

城市雨水地下回灌过程中悬浮物表面堵塞规律

雨洪资源地下回灌是缓解城市供水压力、解决地下水过量开采引起环境负效应的有效途径之一,但堵塞问题却是制约回灌技术推广的关键问题。基于前人理论,研究了入渗介质与悬浮物粒径中值之比(D₅₀/d₅₀)对堵塞层空间分布的影响。以建立表面堵塞预测模型为目的,利用城市雨水回灌细粒石英砂介质开展室内实验,观测雨水回灌的表面堵塞过程并获取渗透性变化的观测数据。根据物理、化学与生物堵塞的产生条件及堵塞特点,判断雨水回灌产生的堵塞性质为物理堵塞。引入过滤模型描述堵塞的发展过程,确定了模型用于模拟细砂表面堵塞的参数值：孔隙堵塞系数（α）为0.15 m²/kg,阻力增长系数（f′R′）为20 000 m/kg。在不改变以上2个参数值的条件下,用该模型模拟不同悬浮物粒径悬浊水回灌细粒石英砂的堵塞过程,取得了较好的拟合效果。此过滤模型可以用于模拟入渗介质与悬浮物粒径D₅₀/d₅₀值小于5的表面堵塞的发展过程,可定量预测堵塞对回灌速率的影响。     

砂岩热储回灌对储层影响评价——以鲁西北坳陷地热区为例

地热流体经供暖利用后尾水温度降低,经过滤、排气处理后的尾水中仍含有不同粒径的悬浮物、气体,因此回灌不可避免的会对储层造成负面影响,如堵塞储层导致回灌量衰减、热储温度降低甚至产生热突破等,这严重阻碍了地热回灌的长期可持续运行。评价回灌对储层的影响,对下一步全面推进、科学回灌及合理可持续开发利用、保护地热资源具有重要意义。本文以近几年鲁西北坳陷区开展的馆陶组热储回灌试验为基础,设立了一套评价指标,即用回灌前、后水质的变化率评价回灌对热储流体的影响,温度的变化率评价回灌对热储温度的影响,单位涌水量变化率、渗透系数的比值和单位回灌量比值评价回灌堵塞程度并确定了分级标准。评价结果表明,回灌不会改变储层流体的化学类型;回灌堵塞主要发生在回灌井周围,相比回灌前,回灌后回灌井的单位涌水量降低14.3%～59.0%、渗透系数为原来的41%～86%,末期单位回灌量为初期回灌量的51%～92%,回灌堵塞程度为轻度到严重。采灌井距180～500m,历经一个供暖季回灌对热储温度的影响较小,但回灌导致回灌井周边热储温度明显降低,历经一个非回灌期224d,从35. 7℃恢复到40. 53℃,恢复速率为0. 036～0. 022℃/d,还需658d才能恢复到原热储温度(55℃)。本区热储水位仍呈下降趋势,但回灌可延缓热储水位的下降速度。     

地下水人工回灌过程中多孔介质悬浮物堵塞实验

地下水人工回灌技术的发展与推广常因其回灌过程中物理、化学及生物作用产生的入渗介质堵塞现象而受到严重制约。针对堵塞现象中最常见且最主要的悬浮物堵塞问题,采用室内模拟实验方法,通过将悬浊水连续注入均质的石英砂柱中,来刻画多孔介质中悬浮物堵塞的现象及发生的过程,并分析其发展规律,同时量化计算了堵塞速率。实验结果表明：回灌15 h左右表层介质渗透系数开始降低,即堵塞在表层开始发生,并随时间增加不断向深部发展;连续回灌100 h后表层渗透系数趋于稳定,进入介质内部悬浮物的量减少,内部堵塞发展也趋于稳定,此时堵塞主要在入渗深度10 cm左右的范围内。计算不同堵塞层的堵塞速率λ:表层0～1 cm的λ最大,为0.038 3 h^-1,λ随入渗深度增加而减小。对于介质整体的渗透性而言,其降低明显滞后于表层介质,但随时间发展主要受堵塞层的控制。     

地下水位抬升对人工回灌中悬浮物堵塞的影响

为了研究人工回灌条件下地下水位抬升对悬浮颗粒在含水层中的迁移-沉积的影响机理,在室内模拟实验中,采用100 mg/L的金刚砂悬浊水回灌中粒石英砂介质,分别研究了不同抬升速率(0、2、4cm/h)条件下人工回灌过程中的悬浮物堵塞规律。实验结果表明:地下水位抬升速率对堵塞位置和堵塞位置处悬浮物的级配影响不大,悬浮物主要淤积在0~2cm深度处;在26h前地下水位抬升引起的入渗量比地下水位固定的入渗量小,在26h后二者相反;水位抬升使介质表层堵塞发展速度减慢,非堵塞层渗流状态出现非饱和时刻滞后;在堵塞层0~2cm处地下水位抬升使堵塞速率小于地下水位固定的堵塞速率。     

考虑尺寸排除效应颗粒迁移模型的建立

以地下水源热泵回灌中的物理堵塞问题作为研究背景,建立一种基于质量平衡方程来模拟多孔介质中颗粒迁移和沉积造成孔隙损伤的数学模型,同时考虑了多孔介质孔隙中悬浮颗粒浓度随时间的动态变化,引入了流量折减系数 和进入系数 这两个变量,充分考虑了尺寸排除效应的影响。堵塞的发生往往是由一个颗粒所引起的,即一个颗粒堵塞一个孔隙,反之亦然。研究结果为解决回灌井物理堵塞的室内外试验研究提供理论依据。     

配伍性实验在西安市地热水回灌试验中的应用

西安市地热田储层为砂岩孔隙型储层,孔隙度和渗透率都比较低,很容易发生回灌堵塞现象。对西安市同层回灌水和异层回灌水的配伍性进行研究,配伍性实验结果表明:西安市地热尾水回灌到回灌井后主要的结垢类型为CaCO3,结垢量小于100 mg/L,配伍性较好,不会大量结垢而导致地热储层堵塞。     

人工回灌物理堵塞特征试验及渗滤经验公式推导

人工回灌是提高水资源利用水平的重要工程措施,然而回灌过程中的堵塞问题会影响入渗效率和入渗工程的使用寿命。为了深入研究堵塞的机理,以控制堵塞问题,通过砂柱试验模拟了地下水人工回灌物理堵塞过程,通过测定含水率的变化分析了由堵塞引起的砂柱饱和-非饱和状态的转化。试验中出流速率经过了迅速增大到一峰值后快速减小,然后又缓慢变小的过程,即：仅经过72 h的回灌,砂柱的出流速率减小为2.18 m/d;72 h后砂样出流速率的减小明显放缓;192 h时,砂样出流速率为0.81 m/d,约为出流速率最大值的1/10。试验结果表明：回灌水悬浮物颗粒进入砂样空隙中引起渗透性减弱,和逐渐沉积在砂柱顶部形成的淤泥层是造成堵塞的直接原因,而淤泥层的形成是造成渗滤速率迅速下降的关键因素;淤泥层的弱透水性使砂样由上至下含水率发生了变化,导致了砂样导水率和水力梯度都降低,促使回灌渗滤速率迅速减小;回灌时间越长,淤泥层厚度越大,出流速率越小。由10组对比试验的结果,综合考虑引起雨洪渗滤系统堵塞的各种因素,建立了无砾石滤料雨洪水回灌过程计算渗滤速率变化的经验模型,拟合结果决定性系数为0.932。     

注入水中悬浮物对低渗透油藏储层堵塞规律

注入水中悬浮颗粒和悬浮油滴能够严重堵塞低渗透油藏储层,造成渗透率下降,导致注水难、采油难。开展悬浮颗粒和悬浮油滴对低渗透储层堵塞规律的研究对提高油田注水效果有着重要的指导作用。对悬浮颗粒和悬浮油滴分别设计了5种粒径、3种质量浓度的岩心流动及反排解堵实验,并结合岩心的孔喉特征分析了堵塞规律。结果表明:悬浮颗粒或悬浮油滴对储层的堵塞存在贯穿性堵塞、浅部堵塞、贯穿性堵塞向浅部堵塞过渡3种形式;质量浓度和粒径在不同堵塞形式中对堵塞存在主次的影响作用;在过渡阶段,堵塞最严重、解堵效果最差。悬浮颗粒在过渡阶段的粒径范围较窄,且接近喉道直径;悬浮油滴在过渡阶段的粒径范围较宽,且大于喉道直径;悬浮颗粒的解堵效果明显弱于悬浮油滴。建议低渗透油田在达到配注量的同时,悬浮颗粒或悬浮油滴质量浓度尽量小、粒径范围尽量集中且远离过渡阶段。针对安塞油田,建议悬浮颗粒质量浓度≤2mg/L、粒径4μm;悬浮油滴质量浓度5mg/L、粒径≤3.16μm。     

雄县地热田示踪试验的解释及分析

雄县地热田在2009--2010年地热回灌期间开展了示踪试验。示踪试验过程中没有从生产井和观测井群所取水样中检测到示踪剂,但是基于生产井和回灌井之间流动通道的若干假设,对示踪剂回收的浓度及峰值的出现时间进行了模拟预测,对通道的流体流速进行了估计。并且运用水平裂隙介质模型对由于长期地热采暖尾水回灌可能引起的热储冷却进行了预测,为回灌井和生产井的合理井间距的选择,提供一定的依据。     

地热对井运行系统中回灌井堵塞原因浅析及预防措施

人工回灌做为提高地热资源利用率、防止地面沉降、减少尾水排放、实现地热资源的可持续利用的最有效手段,已在地学界达成共识。基岩岩溶裂隙型热储对井回灌取得的良好效果使人们看到了回灌技术的广阔应用前景,但有些热储尤其是孔隙型热储回灌量的衰减问题一直未能得到彻底解决,各种因素引起的堵塞是主要原因。本文根据天津市历年的回灌试验,就造成地热回灌堵塞的多种原因进行了分析,并提出了可能的解决办法。     

东营市城区馆陶组热储回灌性能分析

东营市城区馆陶组热储为新近系松散碎屑岩层状热储,目前地热资源开采量约95万m3/a,回灌是解决热储压力下降与地热尾水排放对环境造成不良影响的最佳措施,该文采用自然回灌试验方法探讨回灌条件下馆陶组热储的渗透性能,并与德州市城区馆陶组热储压力回灌试验成果进行了对比,对该热储的回灌性能进行了分析,为指导该区地热回灌提供了科学依据。     

干湿交替条件下包气带土柱中氮素迁移转化规律实验

干湿交替的回灌方法常被用于解决地面回灌补给地下水的堵塞问题。研究干湿交替条件下地面回灌对地下水的影响对于指导再生水回灌地下水具有重要实际意义。通过室内土柱模拟实验,在入渗强度为10.5 mm/h的条件下,日均进水量3 888 mL;用干湿交替的地面回灌模式持续运行136 d,累计灌入氨氮含量为5 mg/L的模拟再生水23 894 L,研究包气带土柱对氨氮的去除效果及氮素在包气带中的迁移转化规律。研究表明,充分利用包气带的好氧、兼氧和厌氧环境,生物脱氮是地下水回灌过程中脱氮的主要途径。包气带对氨氮的去除机理主要为土壤对氨氮的吸附作用和微生物的降解作用。回灌过程中累积在土颗粒表面的氨氮在干期发生硝化作用,干湿交替会加强氮素在包气带的迁移转化,导致干期后的回灌初期大量硝态氮迁移到饱和带地下水中。     

陕西渭河盆地关中城市群地热尾水回灌试验研究

通过室内模拟实验,分析了地热回灌堵塞形成机理,提出了消除各种堵塞因子的方法,研制了由抽水系统、水处理系统、回灌系统和监测系统四部分组成的地热回灌系统装置。通过采取过滤、加压、化学除垢等方法进行的地热尾水回灌试验,取得了历史最大回灌量,验证了渭河盆地新近系热储层具有回灌性,为关中城市群地热资源可持续开发利用提供了科学依据。     

基于等效渗流通道模型的地热尾水回灌理论模型

深层地热能是一种清洁环保的可再生能源,尾水回灌是深层地热可持续开发利用的重要保证,但目前国内地热尾水回灌还处在起步阶段,地热尾水回灌方案优化设计的理论模型尚不成熟。文章结合示踪试验,提出了基于等效渗流通道模型的热储参数反演与开采井热突破预测的完整理论框架。应用多孔介质溶质运移理论,修正了等效渗流通道中的溶质浓度解析解,并联合移动渐近线法提出了热储参数反演理论模型;推导了等效渗流通道中的对流传热解析模型,可对开采井中的水温变化进行预测。依托山东省德州市平原县魏庄社区地热对井示踪试验,应用该理论框架进行了示踪试验反演及开采井热突破预测,并对影响开采井热突破的主要因素进行了敏感性分析。     

地下水人工回灌堵塞问题研究进展

地下水人工回灌堵塞问题的产生与回灌水质、入渗介质的矿物成分及颗粒组成特征等多种因素有关,通常根据成因将堵塞分为物理堵塞、化学堵塞和生物堵塞3种类型。大颗粒悬浮物的物理堵塞效应与机理的研究比较成熟,但对于中间颗粒,尤其是胶体颗粒物的堵塞作用机制的研究还相对比较薄弱;化学堵塞的机理复杂,影响因素众多,水文地球化学模拟技术在化学堵塞机理的研究中显示了良好的应用前景;生物堵塞主要由回灌水中细菌和藻类等微生物的繁殖和代谢导致,大量的研究集中在细菌方面,对藻类引起的堵塞问题研究尚不深入;多种堵塞的相互作用过程和作用机理是目前研究的难点问题。堵塞预测的方法主要包括3种:①指标法(如MFI、悬浮物浓度、浊度、AOC、BFR等),简单实用,但不能对堵塞演化过程进行描述或对堵塞程度进行定量表达;②经验公式法,受特定场地的条件限制,难以直接推广和利用;③解析公式法,对堵塞机理的表达更加科学、合理,但模型的建立与求解难度较大。通过合理的水质预处理技术和合理的回灌工艺,可以有效延迟堵塞发生的时间、减缓堵塞累积的程度。开发快速、高效、简单的堵塞处理技术对于延长工程使用寿命和降低经济成本具有重要的现实意义。     

水源热泵井回灌堵塞颗粒迁移模型的建立

以地下水源热泵井回灌中的物理堵塞问题作为研究背景,建立基于质量平衡方程来模拟多孔介质中颗粒的迁移方程和颗粒的沉积造成孔隙损伤的数学模型。该模型充分考虑了颗粒流动速度修正系数、孔隙率修正系数以及颗粒在孔隙里发生捕获率3个因素;模型的建立考虑孔隙率变化的情况,在物质的迁移和堵塞的过程中,孔隙率的变化往往也是个动态的变化过程;与传统的过滤模型相比,考虑了速度折减系数和流量折减系数后新建模型更加系统、全面。该模型为解决回灌井物理堵塞的室内外试验研究提供理论依据。     

地下水人工回灌气相堵塞特征的试验研究

地下水人工回灌可以高效地利用雨季丰沛的水量来缓解地下水过量开采造成的海水入侵、泉水断流等环境水文地质问题,但回灌堵塞一直是制约人工回灌效率的关键问题。针对雨洪水回灌携带的大量气泡问题,设计室内砂柱试验模拟装置,利用曝气水进行人工回灌,定时记录试验过程中测压管读数及出流流量,利用达西定律计算各层渗透系数,研究气相堵塞的发展过程和规律。结果表明:回灌过程中由于气相堵塞导致含水层渗透系数随时间呈指数衰减,气相堵塞主要发生在介质浅表层（0~30 cm）,且随时间有向下发展的趋势,堵塞速率随深度的增加逐渐减小,在回灌过程中适时停灌进行排气有利于减小气相堵塞对回灌效率的影响。     

黄河口有机碳的时空输运特征及其影响因素分析

通过2004年4月,2004年9月,2005年9月,2006年4月4个航次,结合2003年8月对河道感潮带的连续同步观测,对低流量下黄河口有机碳的输运特征进行了考察。结果发现:黄河输入至河口的悬浮物中颗粒有机碳(POC)含量约为0.51%,主要以陆源输入为主,几乎不受季节变化影响,由于大量POC含量低的陆源泥沙的稀释作用,浮游植物对总颗粒有机碳的贡献只有在悬浮物含量(TSS)<200mg/L时才能显现出来;黄河口TSS超过455mg/L时,有机碳入海以颗粒有机碳为主;反之,以溶解有机碳为主。黄河口悬浮物在低盐度区沉降作用前后的中值粒径降低,Φ>16μm的悬浮物的沉降作用比Φ<16μm的悬浮物更为剧烈,POC含量随悬浮物粒径的降低而升高,黄河携带的颗粒有机碳80%以上集中在Φ<16μm的TSS中;低流量下,黄河口最大混浊带对POC的过滤效率为65%,混浊带对POC的过滤效应能造成黄河口POC的有效通量被高估;由于受黄河口沉积物向水体解析DOC的影响,在盐度小于10时,DOC几乎不受海水稀释作用的影响,但在盐度大于10的区域DOC与盐度表现出良好的负相关关系,黄河口枯、丰水期淡水端溶解有机碳的有效浓度分别高于实测最高值20%和10%左右,从而造成黄河口DOC有效通量被低估。