THM耦合作用下填砾抽灌同井流/热贯通及温度锋面运移机理研究

Thermal transfixion is the bottleneck problem of pumping and recharging well filled with gravel (PRWFG) as well as restricts the sustainable development of the system. This is the key issue distilled from practice; it is also a prospective subject with theoretical and practical value. In this project, theoretical and experimental study will be carried out to explore the formation rule of flow transfixion in leaky aquifer, which is influenced by PRWFG under THM (thermo-hydro-mechanical) coupling effect. The influential mechanism of flow transfixion will be revealed which is affected by correlative factors, such as recharging groundwater temperature, leaky aquifer head, and porous media skeleton stress. Using superposition influence factors method step by step, the experiments will reveal the dispersion miscible displacement mechanism caused by molecular diffusion, thermal dispersion and non-isothermal seepage, when the groundwater of PRWFG recirculates to the aquifer. Meanwhile, the basic data of temperature frontal surface formation and migration under THM coupling effect will be obtained, the heat and mass coupled transfer model of temperature frontal surface during groundwater recirculation process will be established. Finally, the change regulation of the thermal well influential scope will be revealed, while the formation mechanism of thermal transfixion in PRWFG will be explored. In order to develop the potential of energy saving and emission reduction, the influencing key parameters of forming thermal transfixion will be obtained. This proposal aims to innovate and improve the THM coupling theory of groundwater seepage, and break through the technical bottleneck of PRWFG which has great academic value. Furthermore, the theoretical foundation and the technical support of groundwater healthy operation will be proved in future.

热贯通是制约填砾抽灌同井可持续发展的瓶颈问题，这是从实践中提炼出来的关键性研究课题，也是一项具有理论和应用价值的前瞻性课题。本项目通过理论分析与小型实验系统测试，探索THM耦合作用下填砾抽灌同井流贯通在越流含水层中的形成规律，揭示地下水回灌温度、越流含水层水头、多孔介质骨架应力等参数对流贯通的影响机理；采用分步叠加影响因素的实验方法，揭示填砾抽灌同井地下水回灌过程中由于分子扩散、热弥散和非等温渗流产生的弥散可混驱替机理，获取THM耦合作用下温度锋面形成与运移的基础数据，建立地下水回灌过程中温度锋面热质耦合传递的数学模型；最终揭示热源井热影响范围的变化规律，探明填砾抽灌同井热贯通的形成机理，获得影响其形成的关键参数，深度挖掘填砾抽灌同井节能减排潜力。本项目对创新和完善地下水渗流THM耦合理论、突破填砾抽灌同井技术瓶颈具有重要学术价值，而且为今后我国地下水健康运行提供理论依据和技术支持。

填砾抽灌同井作为一种初投资小、换热效率高的地下水源热泵系统，在地源热泵行业发展初期备受青睐，但热贯通造成的系统效率下降一直制约着它的可持续发展。为此，本项目首先通过理论分析，将伯努利方程中的水头损失与流体在多孔介质中的流动损失联系起来，获得不可压缩流体在不可变形多孔介质中的运动方程，并利用表皮效应对目前存在的循环单井、抽灌同井和填砾抽灌同井近井壁处的渗透系数进行统一，获得相互转化关系，而后建立了填砾抽灌同井稳态无越流承压含水层的降深方程，从理论层面深刻认识其流动特性。其次，根据上海地区弱透水层的水文地质参数与特点，制备、测试、模拟该弱透水层在不同条件下的应力、应变及破坏情况，获得流贯通研究所需的边界条件；通过承压含水层非等温渗流作用下温度锋面运移试验研究，获得不同温度梯度、浓度梯度和速度梯度下示踪剂分布情况，定量分析指进现象与冷/热驱替效应；通过试验验证的数学模型，分析了填砾抽灌同井与多级回灌型填砾抽灌同井运行引起的温度场、速度场、流贯通和热贯通的定量变化。研究结果表明，在填砾抽灌同井流贯通强度为100%时，热贯通发生时间为2.5 min，完全形成时间为12 min，抽水温度变化较剧烈的时刻与热贯通形成发展的时刻基本一致。在非等温渗流速度大于1×10-3 m/s的区域，速度锋面运移较温度锋面运移快；反之，温度锋面运移快于速度锋面运移。在THM耦合作用下，定量测试填砾抽灌同井引起承压含水层的响应特性过程中，发生出砂、局部坍塌与固体颗粒迁移问题，最后本项目拓展测试了悬浊液回灌砂箱试验台情况，研究结果表明，回灌压力和固体颗粒骨架结构是影响近井壁处外源颗粒运移的重要因素。在实际填砾抽灌同井项目中，完成目标含水层勘测后，可设计较大回灌压力，以降低外源颗粒在近井壁处沉积风险，该处同时是治理恢复堵塞的关键环节；对于回水过滤处理程度，也可根据当地含水层条件选择合理的过滤膜精度。