滨海咸水储层渗透性变化及储热特性研究

There is abundant brine in Binhai, Tianjin, with large reserves and wide-ranging distribution. It has the characteristic of changable water quality and complex ingredients. Up to now, there has been few literature reported the study on permeability and heat transfer characteristics in brine aquifer, and it is lack of engineering standars in design and application in brine energy storage projects. Main topics of this research project are to study permeability change and heat transfer characteristics when re-injected fluid temperature and concentration changed in brine aquifer thermal energy storage system. When re-injected fluid temperature and concentration change, there is colloid releasing and porous media structure will be re-structured. Experimental study will be carried out to find out how permeability coefficient and thermal dispersion are influenced. Using revised model of water-heat-salt control equations, simulating the flow and heat transfer processes, prdicting the out-flow flux and temperature and the temperature field, simulating the temperature field evolution process during funcion time and interval. Then analyzing the capacity and characteristic of heat/cold storage in brine aquifer, putting forward evaluation mehtod and optimization rules. The results from this study will provide theoretical guidance for exploitation of brine aquifer and using saline water.

天津滨海地下咸水资源储量大、分布广，但水质复杂、矿化度高，目前对咸水储层渗透性变化和换热特性的研究较少，咸水储热工程的设计和运行缺乏统一的工程规范。项目主要研究咸水储热过程中，回灌流体温度和浓度变化引起的渗透性变化及换热特性改变的机理和变化规律。项目从流体温度、浓度变化对储层内胶体释放的影响，造成储层多孔介质结构改变后，储层内渗透系数和热弥散系数的影响进行实验研究，得到渗透系数和热扩散系数与流体温度、浓度和水头之间的关系。通过考虑盐分影响的咸水层水－热－盐耦合运移方程，对流体在咸水层内的运移和换热过程进行模拟计算。针对"冬采夏灌"和"夏采冬灌"的双向循环蓄热模式，预测流体的出口流量、温度以及地下温度场的分布；模拟咸水层储能过程中地下温度场在运行期、间歇期的演变过程，对咸水层的储热特性、储热能力进行研究。提出咸水层储热的评价指标和优化利用方法，为咸水层的开发利用提供理论基础和指导。

含水层储能与热泵技术相结合，有效解决了建筑物供暖和空调问题。但滨海地区由于地下咸水及含水介质中粘土矿物的存在，回灌流体参数的变化会引起储层粘土颗粒的释放、迁移和沉积，导致含水层渗流和换热特性的改变。为了开发和利用咸水储层，提高储能效率，项目针对天津滨海地区咸水层的水质及粘土矿物成分，对咸水层作为储能介质时，回灌流体参数和粘土矿物成分对储层渗流和传热特性的影响进行了研究。设计并搭建了一维渗流砂柱实验台，在原砂中添加一定比例的粘土矿物，在含水层储能过程中回灌流体的盐度范围内，对不同粘土矿物成分及含量、回灌盐度、回灌水头和回灌温度下，砂样的渗流和传热性能进行了实验测试，得到了渗透系数随回灌盐度和回灌温度变化的函数关系，以及不同回灌水头下热扩散系数与回灌溶液温度间的函数关系。结果表明增加粘土矿物成分，降低回灌盐度、提高回灌温度可导致储层渗透性的显著降低，回灌水头对渗透性变化的影响较小。其中粘土矿物成分对砂样渗透性能的影响最大，当砂样中含有0.5%的蒙脱石可导致储层渗透性能降低55.3%，随着粘土矿物含量的增多，储层渗透性能降低越显著。由于储层渗流特性的改变，回灌流体在含水层内的渗流速度降低，削弱了回灌流体与含水介质间的热量传递，储层的热扩散系数降低，热量运移减慢。利用实验得到的渗透系数和热扩散系数，对不同粘土矿物成分和回灌盐度、温度和流量下，咸水储层的温度变化进行了数值模拟，计算了系统的储能效率。计算结果表明适当增加储层内的粘土矿物、降低回灌流体的盐度和流量，可减小储层温度变化，延迟采井发生热突破的时间，提高系统的储能效率。回灌温度的升高降低了储层的渗透性，减弱了储层内的热量传递；但是回灌流体与含水介质间的温差增大，加强了储层内的热量传递。因此，随着回灌温度的升高，咸水储层的储能效率呈现先升高，后降低的趋势。项目研究结果为咸水储层的开发利用提供了基础数据，可指导实际储能系统的设计。