砂巖熱儲(chǔ)地?zé)嵛菜毓鄳腋∥锒氯芯?/h1>
2021-03-29 02:04:16高宗軍何雪琴張平平秦耀軍
地下水 2021年1期
高宗軍，夏 璐，何雪琴，張平平，秦耀軍
(1.山東科技大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266590 ；2.中鐵四局集團(tuán)第四工程有限公司，安徽 合肥 230012；3.山東省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第二水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì)，山東 德州 253000))
隨著地?zé)崴拇罅块_采，引發(fā)了一系列像熱污染、化學(xué)污染、水資源浪費(fèi)、熱能資源浪費(fèi)、地?zé)崴幌陆?、潛在的地質(zhì)災(zāi)害和資源枯竭等環(huán)境問題，給人民的生活帶來了嚴(yán)重的影響。據(jù)國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)[1-5]，地?zé)崴斯せ毓喾椒ㄊ墙鉀Q上述環(huán)境問題的有效措施之一。地?zé)崴娜斯せ毓嗍侵笇⒁呀?jīng)利用過的地?zé)嵛菜俅位刈⑷霟醿?chǔ)層中，這樣不僅避免了地?zé)嵛菜陔S意排放后造成的污染問題，還可有效恢復(fù)地下熱水的水位，使地下熱水的開發(fā)利用得以良性循環(huán)。我國早在20世紀(jì)70年代就在北京、天津、河北的保定、滄州、衡水、陜西的西安、咸陽、河南開封、山東的德州、東營、等地相繼進(jìn)行了砂巖熱儲(chǔ)地?zé)峄毓喾矫娴南嚓P(guān)探索，但是基于對(duì)砂巖熱儲(chǔ)回灌綜合技術(shù)難點(diǎn)的認(rèn)知程度低、開發(fā)條件差，鉆探施工和地面配套工藝設(shè)計(jì)不合理和運(yùn)行過程中缺乏合理方案和措施，致使發(fā)生了回灌井堵塞的問題[6-7]。
堵塞是指由物理、化學(xué)、生物因素而導(dǎo)致的滲透介質(zhì)孔隙度和滲透性降低的現(xiàn)象，按其成因的性質(zhì)，可分為物理堵塞、化學(xué)堵塞和生物堵塞三大類[8-9]。物理堵塞是地表回灌系統(tǒng)和深井回灌系統(tǒng)發(fā)生堵塞的最常見情況。由物理作用所導(dǎo)致的的現(xiàn)象叫物理堵塞，其中的物理作用又可分懸浮物累積、氣體充填和壓力變化3種。其中懸浮物堵塞是回灌系統(tǒng)中最突出最典型的堵塞現(xiàn)象[10-11]。通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)看出[12-15]，研究懸浮物堵塞主要是實(shí)驗(yàn)室條件下砂槽砂柱試驗(yàn)，這往往與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際地層存在很大差異。所以本文在前人研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合德州市德城區(qū)魯北院內(nèi)地?zé)峄毓嗑畬?shí)際地層粒徑特征，以相同粒徑石英砂作為入滲介質(zhì)，粘性土顆粒為懸浮物，開展定水頭條件下所含懸浮物對(duì)含水層堵塞的影響?？梢姳疚拈_展砂巖熱儲(chǔ)地?zé)嵛菜毓辔锢響腋∥锒氯芯烤哂兄匾睦碚摷皩?shí)際意義。
1 研究區(qū)概況
地?zé)峋毓嘣囼?yàn)場(chǎng)地位于德州市德城區(qū)魯北地質(zhì)工程勘察院院內(nèi)。德州市位于山東省西北部，黃河下游北側(cè)，北以漳衛(wèi)新河為界，與河北省滄州市為鄰；西以衛(wèi)運(yùn)河為界，與河北省衡水市毗連；西南與聊城市接壤；南隔黃河與濟(jì)南市相望；東臨濱州市。該井回灌目的層為新近紀(jì)館陶組細(xì)砂巖，其層段為1 290.40～1 494.40 m。該層段細(xì)砂巖發(fā)育，單層厚度較大，最大厚度81.40 m，滲透性及富水性較好，地層水礦化度較高。主要巖性為上部以灰白、淺灰色細(xì)、細(xì)砂巖及棕紅色夾灰綠色泥巖為主，呈交互層狀。下部為灰白色細(xì)砂巖及中砂巖為主，夾棕紅色泥巖。與下伏沙河街組成角度不整合接觸。
2 試驗(yàn)裝置與方法
2.1 試驗(yàn)材料及回灌水源
根據(jù)研究區(qū)熱儲(chǔ)介質(zhì)巖性與粒徑分布特征，本研究供試砂樣采用標(biāo)準(zhǔn)石英砂，該石英砂的SiO2含量在99%以上，粒徑范圍在0.125～0.180 mm。
為真實(shí)模擬研究區(qū)地?zé)嵛菜袘腋∥锾卣?，研究以現(xiàn)場(chǎng)尾水中懸浮物粒徑分布為依據(jù)，配制實(shí)驗(yàn)室回灌水的方法?；毓嗨▋刹糠郑核礊槭姓詠硭粦腋∥餅檎承酝令w粒，回灌水中加入10 ml/L的次氯酸鈉，消除微生物的影響。
2.2 試驗(yàn)裝置
試驗(yàn)裝置由有機(jī)玻璃制成，高30 cm，內(nèi)徑6 cm，外側(cè)設(shè)有1個(gè)溢流口、5個(gè)測(cè)壓孔，測(cè)壓孔自上而下依次間距2 cm、2 cm、2 cm、10 cm，砂柱實(shí)際填充高度18 cm(見圖1)。
圖1 一維砂柱裝置示意圖
2.3 實(shí)驗(yàn)步驟與方法
(1)裝樣：將清洗風(fēng)干的砂樣分層裝入有機(jī)玻璃柱，按等容重將其壓實(shí)，過程中向砂柱緩慢注入自來水，逐步完成飽水裝柱過程。
(2)連接側(cè)壓排：將測(cè)壓板與對(duì)應(yīng)的五個(gè)沙柱測(cè)壓孔連。
(3)飽水和測(cè)壓管校正：從沙柱頂部緩慢注水，直至測(cè)壓板上五個(gè)測(cè)壓管水位在同一水平面(偏差小于±3 mm)。若不在同一水平面上說明此時(shí)沙柱中測(cè)壓管堵塞、有氣泡存在或者儀器有漏水。這時(shí)需要進(jìn)行排氣或者重新連接儀器來進(jìn)行校正。
(4)回灌水配制：分別配制懸浮物濃度為0 mg/L 、20 mg/L、50 mg/L、60 mg/L和100 mg/L的回灌水，進(jìn)行不同懸浮物濃度實(shí)驗(yàn)。配制懸浮物粒徑為0.050 mm和0.038 mm的回灌水進(jìn)行不同懸浮物粒徑實(shí)驗(yàn)。
(5)回灌：測(cè)試滲透系數(shù)變化：實(shí)驗(yàn)保持進(jìn)、出水水頭差(ΔH)為19 cm，用濃度為0 mg/L消毒水對(duì)實(shí)驗(yàn)砂柱進(jìn)行回灌，監(jiān)測(cè)測(cè)壓板水位及出口流量，記錄下滲透系數(shù)，以此作為懸浮物回灌時(shí)的介質(zhì)的初始滲透系數(shù)(K0)。然后打開曝氣泵攪動(dòng)，盡量使配置的懸濁液濃度保持穩(wěn)定，避免懸浮物過量下沉而影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果。每隔一段時(shí)間讀取各測(cè)壓管的水頭值，用秒表和量筒讀取出水口流量。計(jì)算回灌過程中不同時(shí)段砂柱各層的滲透系數(shù)K；待滲透系數(shù)K穩(wěn)定后，終止試驗(yàn)。其中，滲透系數(shù)K用達(dá)西定律(式(1))求得：
(1)
式中：Q為出水口的流量(ml/s)；L為砂柱頂?shù)變蓽y(cè)壓管之間的距離(cm)；Δh為頂?shù)變蓽y(cè)壓管間的水頭差(cm)；d為砂柱的內(nèi)徑。
為了更直觀，計(jì)算相對(duì)滲透系數(shù)K＇(式(2))來反映系統(tǒng)的堵塞程度。
K＇=K/K0
(2)
式中：K0為回灌前砂柱的初始滲透系數(shù)，K為回灌過程中任意時(shí)刻的砂柱滲透系數(shù)。
3 結(jié)果分析
3.1 懸浮物濃度
采用懸浮物濃度為50 mg/L，粒徑分別0.050 mm與0.038 mm的回灌水進(jìn)行回灌實(shí)驗(yàn)。圖2為熱儲(chǔ)介質(zhì)滲透系數(shù)隨時(shí)間變化圖，其中空白試驗(yàn)是以市政自來水回灌熱儲(chǔ)介質(zhì)后的相對(duì)滲透系數(shù)變化曲線。由圖2可知，空白試驗(yàn)熱儲(chǔ)介質(zhì)整柱相對(duì)滲透系數(shù)基本不變，且回灌前期(0～51 h)，懸浮物粒徑為0.038 mm回灌水回灌的相對(duì)滲透系數(shù)從1降到0.35，而以懸浮物粒徑為0.050 mm的回灌水回灌相對(duì)滲透系數(shù)降低到0.25，均呈現(xiàn)快速下降趨勢(shì)，且明顯前者相對(duì)滲透系數(shù)降低幅度大于后者；回灌后期(51～99 h)回灌不同粒徑懸浮物回灌水后的熱儲(chǔ)介質(zhì)其相對(duì)滲透系數(shù)均降低至0.05后基本維持穩(wěn)定狀態(tài)。由此表明，在懸浮物造成的物理堵塞過程中，懸浮物粒徑的大小可以影響熱儲(chǔ)介質(zhì)堵塞發(fā)生時(shí)間，懸浮物粒徑越大堵塞發(fā)生時(shí)間越早。
圖2 不同浮物粒徑下相對(duì)滲透系數(shù)隨時(shí)間變化圖
3.2 懸浮物濃度
配制懸浮物濃度為0 mg/L、20 mg/L、50 mg/L、60 mg/L和100 mg/L的回灌水進(jìn)行回灌試驗(yàn)。由圖3可知，整個(gè)回灌過程中，不同濃度的回灌水回灌熱儲(chǔ)介質(zhì)后，除空白對(duì)照實(shí)驗(yàn)外，其它整柱相對(duì)滲透系數(shù)均呈現(xiàn)“快速下降-基本穩(wěn)定”趨勢(shì)，最終都穩(wěn)定在0.2左右，但不同懸浮物濃度降至穩(wěn)定相對(duì)滲透系數(shù)所需時(shí)間不同，100 mg/L、60 mg/L、50 mg/L、20 mg/L相對(duì)滲透系數(shù)穩(wěn)定時(shí)間分別為33.8 h、47 h、70 h、82 h。回灌前期回灌水懸浮物濃度高，相對(duì)滲透系數(shù)降低幅度越大，堵塞用時(shí)越短，但最終都趨于穩(wěn)定狀態(tài)。由此表明，在懸浮物造成的物理堵塞過程中，懸浮物濃度可以影響熱儲(chǔ)介質(zhì)堵塞發(fā)生時(shí)間，回灌水中懸浮物濃度越高，物理堵塞發(fā)生時(shí)間越短。
圖3 不同懸浮物濃度下相對(duì)滲透系數(shù)隨時(shí)間變化圖
3.3 懸浮物堵塞位置
圖4(a)，(b)為不同懸浮物粒徑下深度0～2 cm和深度2～16 cm的相對(duì)滲透系數(shù)在回灌初期(0～30 h)變化圖，由圖可知，表層0～2 cm兩種粒徑的相對(duì)滲透系數(shù)分別從1降到0.4和0.3，而2～16 cm兩種粒徑的相對(duì)滲透系數(shù)分別從1降到0.7和0.6，對(duì)比圖(a)，圖(b)可以看出，不管哪種粒徑下，在相同時(shí)間內(nèi)表層0～2 cm相對(duì)滲透系數(shù)下降幅度明顯大于2～16 cm。且對(duì)比圖5(c)、(d)不同懸浮物濃度下不同位置的兩個(gè)圖可以看出相同規(guī)律，相同時(shí)間下，表層0～2 cm相對(duì)滲透系數(shù)降幅速度明顯大于2～16 cm，表明堵塞主要發(fā)生在表層，在一定程度上抑制了顆粒向下遷移。
圖4 不同懸浮物粒徑下(a)表層(0～2 cm)；(b)表層(2～16 cm)相對(duì)滲透系數(shù)隨時(shí)間變化圖
圖5 不同懸浮物濃度下(c)表層(0～2 cm)；(d)表層(2～16 cm)相對(duì)滲透系數(shù)隨時(shí)間變化圖
4 結(jié)語
本文通過物理模擬試驗(yàn)，可以得出如下結(jié)論：
(1)通過不同懸浮物粒徑回灌試驗(yàn)：懸浮物粒徑的大小可以影響熱儲(chǔ)介質(zhì)堵塞發(fā)生時(shí)間，懸浮物粒徑越大堵塞發(fā)生時(shí)間越早。
(2)通過不同懸浮物濃度回灌試驗(yàn)：懸浮物濃度也可以影響熱儲(chǔ)介質(zhì)堵塞發(fā)生時(shí)間，回灌水中懸浮物濃度越高，物理堵塞發(fā)生時(shí)間越短。
(3)回灌不同懸浮物粒徑與濃度試驗(yàn)時(shí)，均可以看出，在相同時(shí)間內(nèi)，表層0～2 cm相對(duì)滲透系數(shù)降幅速度明顯大于2～16 cm。表明堵塞主要發(fā)生在表層，在一定程度上抑制了顆粒向下遷移。
試驗(yàn)對(duì)砂巖熱儲(chǔ)地?zé)嵛菜毓鄳腋∥锒氯归_了研究，針對(duì)懸浮物堵塞試驗(yàn)研究成果，結(jié)合研究區(qū)現(xiàn)狀，可引出一些針對(duì)性的治理措施：控制回灌水源中懸浮物濃度和懸浮物粒徑大小。首先可以設(shè)計(jì)一級(jí)除砂器來降低懸浮物濃度，即在尾水過濾之前先去除水中比重較大的懸浮物，這樣既可以減少過濾器的過濾壓力及過濾成本，也可以提高回灌速度。然后，尾水進(jìn)入二級(jí)過濾器，因?yàn)榇殖昂笪菜斜戎鼗蛄捷^小的顆粒依舊存在于尾水中，依然會(huì)造成物理堵塞。所以，設(shè)計(jì)尾水進(jìn)入二級(jí)過濾器，二級(jí)過濾器依據(jù)所測(cè)得懸浮物粒徑范圍設(shè)計(jì)粗過濾器和精過濾器，粗過濾器的設(shè)計(jì)過濾級(jí)為50 μm，精過濾器的設(shè)計(jì)過濾級(jí)為10 μm，濾器的個(gè)數(shù)可以根據(jù)尾水回灌量確定。另外需要注意在尾水回灌中應(yīng)盡量避免回灌量大于其最大允許回灌量，這樣才能保證回灌的效果。
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隨著地?zé)崴拇罅块_采，引發(fā)了一系列像熱污染、化學(xué)污染、水資源浪費(fèi)、熱能資源浪費(fèi)、地?zé)崴幌陆?、潛在的地質(zhì)災(zāi)害和資源枯竭等環(huán)境問題，給人民的生活帶來了嚴(yán)重的影響。據(jù)國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)[1-5]，地?zé)崴斯せ毓喾椒ㄊ墙鉀Q上述環(huán)境問題的有效措施之一。地?zé)崴娜斯せ毓嗍侵笇⒁呀?jīng)利用過的地?zé)嵛菜俅位刈⑷霟醿?chǔ)層中，這樣不僅避免了地?zé)嵛菜陔S意排放后造成的污染問題，還可有效恢復(fù)地下熱水的水位，使地下熱水的開發(fā)利用得以良性循環(huán)。我國早在20世紀(jì)70年代就在北京、天津、河北的保定、滄州、衡水、陜西的西安、咸陽、河南開封、山東的德州、東營、等地相繼進(jìn)行了砂巖熱儲(chǔ)地?zé)峄毓喾矫娴南嚓P(guān)探索，但是基于對(duì)砂巖熱儲(chǔ)回灌綜合技術(shù)難點(diǎn)的認(rèn)知程度低、開發(fā)條件差，鉆探施工和地面配套工藝設(shè)計(jì)不合理和運(yùn)行過程中缺乏合理方案和措施，致使發(fā)生了回灌井堵塞的問題[6-7]。
堵塞是指由物理、化學(xué)、生物因素而導(dǎo)致的滲透介質(zhì)孔隙度和滲透性降低的現(xiàn)象，按其成因的性質(zhì)，可分為物理堵塞、化學(xué)堵塞和生物堵塞三大類[8-9]。物理堵塞是地表回灌系統(tǒng)和深井回灌系統(tǒng)發(fā)生堵塞的最常見情況。由物理作用所導(dǎo)致的的現(xiàn)象叫物理堵塞，其中的物理作用又可分懸浮物累積、氣體充填和壓力變化3種。其中懸浮物堵塞是回灌系統(tǒng)中最突出最典型的堵塞現(xiàn)象[10-11]。通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)看出[12-15]，研究懸浮物堵塞主要是實(shí)驗(yàn)室條件下砂槽砂柱試驗(yàn)，這往往與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際地層存在很大差異。所以本文在前人研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合德州市德城區(qū)魯北院內(nèi)地?zé)峄毓嗑畬?shí)際地層粒徑特征，以相同粒徑石英砂作為入滲介質(zhì)，粘性土顆粒為懸浮物，開展定水頭條件下所含懸浮物對(duì)含水層堵塞的影響?？梢姳疚拈_展砂巖熱儲(chǔ)地?zé)嵛菜毓辔锢響腋∥锒氯芯烤哂兄匾睦碚摷皩?shí)際意義。
1 研究區(qū)概況
地?zé)峋毓嘣囼?yàn)場(chǎng)地位于德州市德城區(qū)魯北地質(zhì)工程勘察院院內(nèi)。德州市位于山東省西北部，黃河下游北側(cè)，北以漳衛(wèi)新河為界，與河北省滄州市為鄰；西以衛(wèi)運(yùn)河為界，與河北省衡水市毗連；西南與聊城市接壤；南隔黃河與濟(jì)南市相望；東臨濱州市。該井回灌目的層為新近紀(jì)館陶組細(xì)砂巖，其層段為1 290.40～1 494.40 m。該層段細(xì)砂巖發(fā)育，單層厚度較大，最大厚度81.40 m，滲透性及富水性較好，地層水礦化度較高。主要巖性為上部以灰白、淺灰色細(xì)、細(xì)砂巖及棕紅色夾灰綠色泥巖為主，呈交互層狀。下部為灰白色細(xì)砂巖及中砂巖為主，夾棕紅色泥巖。與下伏沙河街組成角度不整合接觸。
2 試驗(yàn)裝置與方法
2.1 試驗(yàn)材料及回灌水源
根據(jù)研究區(qū)熱儲(chǔ)介質(zhì)巖性與粒徑分布特征，本研究供試砂樣采用標(biāo)準(zhǔn)石英砂，該石英砂的SiO2含量在99%以上，粒徑范圍在0.125～0.180 mm。
為真實(shí)模擬研究區(qū)地?zé)嵛菜袘腋∥锾卣?，研究以現(xiàn)場(chǎng)尾水中懸浮物粒徑分布為依據(jù)，配制實(shí)驗(yàn)室回灌水的方法?；毓嗨▋刹糠郑核礊槭姓詠硭粦腋∥餅檎承酝令w粒，回灌水中加入10 ml/L的次氯酸鈉，消除微生物的影響。
2.2 試驗(yàn)裝置
試驗(yàn)裝置由有機(jī)玻璃制成，高30 cm，內(nèi)徑6 cm，外側(cè)設(shè)有1個(gè)溢流口、5個(gè)測(cè)壓孔，測(cè)壓孔自上而下依次間距2 cm、2 cm、2 cm、10 cm，砂柱實(shí)際填充高度18 cm(見圖1)。
圖1 一維砂柱裝置示意圖
2.3 實(shí)驗(yàn)步驟與方法
(1)裝樣：將清洗風(fēng)干的砂樣分層裝入有機(jī)玻璃柱，按等容重將其壓實(shí)，過程中向砂柱緩慢注入自來水，逐步完成飽水裝柱過程。
(2)連接側(cè)壓排：將測(cè)壓板與對(duì)應(yīng)的五個(gè)沙柱測(cè)壓孔連。
(3)飽水和測(cè)壓管校正：從沙柱頂部緩慢注水，直至測(cè)壓板上五個(gè)測(cè)壓管水位在同一水平面(偏差小于±3 mm)。若不在同一水平面上說明此時(shí)沙柱中測(cè)壓管堵塞、有氣泡存在或者儀器有漏水。這時(shí)需要進(jìn)行排氣或者重新連接儀器來進(jìn)行校正。
(4)回灌水配制：分別配制懸浮物濃度為0 mg/L 、20 mg/L、50 mg/L、60 mg/L和100 mg/L的回灌水，進(jìn)行不同懸浮物濃度實(shí)驗(yàn)。配制懸浮物粒徑為0.050 mm和0.038 mm的回灌水進(jìn)行不同懸浮物粒徑實(shí)驗(yàn)。
(5)回灌：測(cè)試滲透系數(shù)變化：實(shí)驗(yàn)保持進(jìn)、出水水頭差(ΔH)為19 cm，用濃度為0 mg/L消毒水對(duì)實(shí)驗(yàn)砂柱進(jìn)行回灌，監(jiān)測(cè)測(cè)壓板水位及出口流量，記錄下滲透系數(shù)，以此作為懸浮物回灌時(shí)的介質(zhì)的初始滲透系數(shù)(K0)。然后打開曝氣泵攪動(dòng)，盡量使配置的懸濁液濃度保持穩(wěn)定，避免懸浮物過量下沉而影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果。每隔一段時(shí)間讀取各測(cè)壓管的水頭值，用秒表和量筒讀取出水口流量。計(jì)算回灌過程中不同時(shí)段砂柱各層的滲透系數(shù)K；待滲透系數(shù)K穩(wěn)定后，終止試驗(yàn)。其中，滲透系數(shù)K用達(dá)西定律(式(1))求得：
(1)
式中：Q為出水口的流量(ml/s)；L為砂柱頂?shù)變蓽y(cè)壓管之間的距離(cm)；Δh為頂?shù)變蓽y(cè)壓管間的水頭差(cm)；d為砂柱的內(nèi)徑。
為了更直觀，計(jì)算相對(duì)滲透系數(shù)K＇(式(2))來反映系統(tǒng)的堵塞程度。
K＇=K/K0
(2)
式中：K0為回灌前砂柱的初始滲透系數(shù)，K為回灌過程中任意時(shí)刻的砂柱滲透系數(shù)。
3 結(jié)果分析
3.1 懸浮物濃度
采用懸浮物濃度為50 mg/L，粒徑分別0.050 mm與0.038 mm的回灌水進(jìn)行回灌實(shí)驗(yàn)。圖2為熱儲(chǔ)介質(zhì)滲透系數(shù)隨時(shí)間變化圖，其中空白試驗(yàn)是以市政自來水回灌熱儲(chǔ)介質(zhì)后的相對(duì)滲透系數(shù)變化曲線。由圖2可知，空白試驗(yàn)熱儲(chǔ)介質(zhì)整柱相對(duì)滲透系數(shù)基本不變，且回灌前期(0～51 h)，懸浮物粒徑為0.038 mm回灌水回灌的相對(duì)滲透系數(shù)從1降到0.35，而以懸浮物粒徑為0.050 mm的回灌水回灌相對(duì)滲透系數(shù)降低到0.25，均呈現(xiàn)快速下降趨勢(shì)，且明顯前者相對(duì)滲透系數(shù)降低幅度大于后者；回灌后期(51～99 h)回灌不同粒徑懸浮物回灌水后的熱儲(chǔ)介質(zhì)其相對(duì)滲透系數(shù)均降低至0.05后基本維持穩(wěn)定狀態(tài)。由此表明，在懸浮物造成的物理堵塞過程中，懸浮物粒徑的大小可以影響熱儲(chǔ)介質(zhì)堵塞發(fā)生時(shí)間，懸浮物粒徑越大堵塞發(fā)生時(shí)間越早。
圖2 不同浮物粒徑下相對(duì)滲透系數(shù)隨時(shí)間變化圖
3.2 懸浮物濃度
配制懸浮物濃度為0 mg/L、20 mg/L、50 mg/L、60 mg/L和100 mg/L的回灌水進(jìn)行回灌試驗(yàn)。由圖3可知，整個(gè)回灌過程中，不同濃度的回灌水回灌熱儲(chǔ)介質(zhì)后，除空白對(duì)照實(shí)驗(yàn)外，其它整柱相對(duì)滲透系數(shù)均呈現(xiàn)“快速下降-基本穩(wěn)定”趨勢(shì)，最終都穩(wěn)定在0.2左右，但不同懸浮物濃度降至穩(wěn)定相對(duì)滲透系數(shù)所需時(shí)間不同，100 mg/L、60 mg/L、50 mg/L、20 mg/L相對(duì)滲透系數(shù)穩(wěn)定時(shí)間分別為33.8 h、47 h、70 h、82 h。回灌前期回灌水懸浮物濃度高，相對(duì)滲透系數(shù)降低幅度越大，堵塞用時(shí)越短，但最終都趨于穩(wěn)定狀態(tài)。由此表明，在懸浮物造成的物理堵塞過程中，懸浮物濃度可以影響熱儲(chǔ)介質(zhì)堵塞發(fā)生時(shí)間，回灌水中懸浮物濃度越高，物理堵塞發(fā)生時(shí)間越短。
圖3 不同懸浮物濃度下相對(duì)滲透系數(shù)隨時(shí)間變化圖
3.3 懸浮物堵塞位置
圖4(a)，(b)為不同懸浮物粒徑下深度0～2 cm和深度2～16 cm的相對(duì)滲透系數(shù)在回灌初期(0～30 h)變化圖，由圖可知，表層0～2 cm兩種粒徑的相對(duì)滲透系數(shù)分別從1降到0.4和0.3，而2～16 cm兩種粒徑的相對(duì)滲透系數(shù)分別從1降到0.7和0.6，對(duì)比圖(a)，圖(b)可以看出，不管哪種粒徑下，在相同時(shí)間內(nèi)表層0～2 cm相對(duì)滲透系數(shù)下降幅度明顯大于2～16 cm。且對(duì)比圖5(c)、(d)不同懸浮物濃度下不同位置的兩個(gè)圖可以看出相同規(guī)律，相同時(shí)間下，表層0～2 cm相對(duì)滲透系數(shù)降幅速度明顯大于2～16 cm，表明堵塞主要發(fā)生在表層，在一定程度上抑制了顆粒向下遷移。
圖4 不同懸浮物粒徑下(a)表層(0～2 cm)；(b)表層(2～16 cm)相對(duì)滲透系數(shù)隨時(shí)間變化圖
圖5 不同懸浮物濃度下(c)表層(0～2 cm)；(d)表層(2～16 cm)相對(duì)滲透系數(shù)隨時(shí)間變化圖
4 結(jié)語
本文通過物理模擬試驗(yàn)，可以得出如下結(jié)論：
(1)通過不同懸浮物粒徑回灌試驗(yàn)：懸浮物粒徑的大小可以影響熱儲(chǔ)介質(zhì)堵塞發(fā)生時(shí)間，懸浮物粒徑越大堵塞發(fā)生時(shí)間越早。
(2)通過不同懸浮物濃度回灌試驗(yàn)：懸浮物濃度也可以影響熱儲(chǔ)介質(zhì)堵塞發(fā)生時(shí)間，回灌水中懸浮物濃度越高，物理堵塞發(fā)生時(shí)間越短。
(3)回灌不同懸浮物粒徑與濃度試驗(yàn)時(shí)，均可以看出，在相同時(shí)間內(nèi)，表層0～2 cm相對(duì)滲透系數(shù)降幅速度明顯大于2～16 cm。表明堵塞主要發(fā)生在表層，在一定程度上抑制了顆粒向下遷移。
試驗(yàn)對(duì)砂巖熱儲(chǔ)地?zé)嵛菜毓鄳腋∥锒氯归_了研究，針對(duì)懸浮物堵塞試驗(yàn)研究成果，結(jié)合研究區(qū)現(xiàn)狀，可引出一些針對(duì)性的治理措施：控制回灌水源中懸浮物濃度和懸浮物粒徑大小。首先可以設(shè)計(jì)一級(jí)除砂器來降低懸浮物濃度，即在尾水過濾之前先去除水中比重較大的懸浮物，這樣既可以減少過濾器的過濾壓力及過濾成本，也可以提高回灌速度。然后，尾水進(jìn)入二級(jí)過濾器，因?yàn)榇殖昂笪菜斜戎鼗蛄捷^小的顆粒依舊存在于尾水中，依然會(huì)造成物理堵塞。所以，設(shè)計(jì)尾水進(jìn)入二級(jí)過濾器，二級(jí)過濾器依據(jù)所測(cè)得懸浮物粒徑范圍設(shè)計(jì)粗過濾器和精過濾器，粗過濾器的設(shè)計(jì)過濾級(jí)為50 μm，精過濾器的設(shè)計(jì)過濾級(jí)為10 μm，濾器的個(gè)數(shù)可以根據(jù)尾水回灌量確定。另外需要注意在尾水回灌中應(yīng)盡量避免回灌量大于其最大允許回灌量，這樣才能保證回灌的效果。
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