（环境工程专业论文）含水介质水敏感性的初步研究.pdf

含水介质水敏感性的初步研究 摘要 咸淡水过渡带是一个从高盐度咸水到低矿化地下水的狭长带咸淡水过渡带。 含水介质水敏性的存在具有双重意义：第一，对于咸水入侵地区，这一性质会使 得含水介质的渗透性发生不利于地下咸水恢复的变化，由于含水介质渗透性的大 幅度下降，单纯的注入淡水来驱替咸水变得极为困难；第二由于水敏性的存在， 使得防止咸水入侵有了新的方法和思路因此，对咸淡水界面含水介质水敏性的 研究具有重要理论意义和应用价值。 本研究在现场调查的基础上，分别采集青岛石老人海水、大沽河河水、海水 入侵区的含水介质，通过大量的室内柱状试验和批量试验，弄清含水介质在不同 水化学和水动力条件下颗粒释放、运移和沉积的动力学过程，掌握含水层水化学 变化、颗粒释放、运移，沉积和渗透性变化的内在有机联系，为咸水入侵的定量 评价和防治提供科学的依据。研究结果表明： ( 1 ) 流体流动速率越大，水动力也越大，细微颗粒就越容易发生运移。在相 同水动力条件下，水动力作用对渗透性的影响与溶液的离子强度有关，溶液离子 强度越高，越不容易引起颗粒释放。批量试验为了防止水动力释放而确定的振荡 频率不能超过1 5 0 次胁n ，土柱试验中确定的临界进水流速为2 1m 1 m i n 。 一 ，砷i 、j 。之试验中将振荡频率设置在1 5 0 次，m i n ，得到影响颗粒释放的临界盐 浓度为0 0 6 - 1 ：0 0 0 5m o l l ；在士柱试验中保持迸水流速为1 5m u m i n ，得到颗粒 释放的临界盏浓度在0 0 6m o l l 附近。两者所得结果基本吻合释放出的颗粒主 要由伊利i 高岭石和绿泥石等非膨胀性的粘土矿物组成。 0 ) 批量试验和士柱试验证明在强酸性条件下，颗粒释放时间短，释放累积量 少；而在强碱性条件下，颗粒释放时间长，颗粒释放累积量最多；中性条件下颗 粒释放时间和颗粒。放累积量值居中。这说明在相同水动力条件下，高p h 值时 。的颗粒释放倾向要远远大于低p h 值时的情况虽然在地下水环境中p h 值的变 化范围是6 8 ，可调范围不大，但是根据试验所得碱性环境能够增强颗粒释放的结 果，我们可以在地下水p h 值允许范围内适当提高p h 值，使含水介质中颗粒释 放达到最大量，以此提高含水层的水敏性，降低咸淡水界面上含水介质的渗透性， 以获得理想的天然或人工地下防渗带，防止咸水入侵的发生 ( 4 ) 批量试验中c a b 摩尔百分数为5 时，对应颗粒释放的临界离子强度为 o 0 2 m o l l ，c a 2 + 摩尔百分数为1 0 时，对应颗粒释放的临界离子强度为 o 0 0 7 m o l l 从上面的对比中我们发现随着混合溶液中c a b 含量的增高，发生颗 粒释放的临界离子强度值越低，反映出c 矿对颗粒释放有抑制作用且这种抑制作 用随着c a b 含量的增高而增强在土柱试验中我们从监测流出液内颗粒释放这个 角度进一步验证了二价态c r 离子对颗粒释放的抑制作用，试验发现当驱替液中 c a b 摩尔百分数为o 时，发生颗粒释放，但当c a b 摩尔百分数增至1 0 0 时，没 有发生颗粒释放 ( 5 ) 在河水与海水互相驱替的过程中，咸淡水过渡带上的含水介质存在明显 的水敏感性在水击试验中，首次用河水对海水进行驱替时，含水介质渗透性下 降了5 0 o 在盐度渐变试验中，首次对海水进行驱替时含水介质的渗透性仅下 降了1 4 4 。而驱替水完全是河水时含水介质的渗透性也只是下降了2 5 1 对 比水击试验和盐度渐变试验可知，含水介质渗透性的下降程度不仅受盐度大小的 影响，同时也受盐度递减速率的影响。水流冲击试验中溶液盐度递减速率快，则 渗透性降低程度大在盐度变化条件下含水介质渗透性的降低可能是由释放出的 伊利石，高蛉石和绿泥石这些非膨胀性粘土矿物充填孔隙或在孔喉处形成颗粒堵 塞造成的 ( 6 ) 随着渗透时间的推移，渗透性可下降l 3 个数量级，且渗透性的降低 具有不可逆性。即重新通入海水时渗透系数也不能完全恢复 ： _ 一协置。 ( 7 ) 通过水动力弥散试验测定了咸淡水驱替过程中水盐动力学参数在淡 水驱替咸水的过程中，驱替前砂样的有效孔隙度为3 9 3 。弥散系数为o 5 2 e m 2 m i n ，弥散度为2 6 5 6c i n 。淡水驱替咸水后，有效孔隙度随时间呈现逐渐降 低的趋势，至试验结束时有效孔隙度降至3 6 ，弥散系数为0 3 5c n l 2 m i n ，弥散 度为1 8 0 7c m 。 关键词：咸淡水界面；水敏性；粘粒；多孔介质 p r e iir n i n a r ys t u d yo nw a t e rs e n s i t i v i t yo ft h e p o r o u sm e d i a a b s t r a c t 。i l 圮s a l i n e - f r e s h w a t e ri n t e r f a c ei sat r a n s i t i o nz o n ef r o ms a l i n ew a t e rt o f r e s h w a t e r t h ee x i s t e n c eo ft h ew a t e rs e n s i t i v i t ya tt h ei n t e r f a c eh a sd o u b l e s i g n i f i c a n c e s ：f i r s t l y , w a t e rs e n s i t i v i t ym a k e st h er e s t o r a t i o no ft h ep e r m e a b i l i t yo ft h e p o r o u sm e c l i ad i f f i c u rd u et os i m p l y 伽e c t i n gf r e s hw a t e rt of l u s hs a l i n ew a t t s e c o n d l y , t h ee x i s t e n c eo fw a t e rs e n s i t i v i t yp 1 呜湖协n e wm e t h o d st op r e v e n t8 a l i n e w a t e ri n l y u s i o n t h e r e f o r e , i th a ss i g n i f i c a n tm e a n i n ga n da p p l i e dv a l u et os t u d yt h e w a t e rs e m i t i v i t yo ft h ep o r o u sm e d i aa tt h es a l i n e - f s h w a t e ri n t e r f a c e b a s e do i lt h eg e o h y d r o l o g i c a li n v e s t i g a t i o ni nt h ef i e l d s ，$ e a w a t e r , f r e s h w a t e r a n ds a n ds a m p l e s 幻mt h es a l i n ew a t e ri n t r u s i o nz o n ew e r et a k e nt oc o n d u c tt h eb a t c h e x p e r i m e n t sa n dc o l o n me x p e l i m e n t s t h ea i m so ft h e s ee x p e r i m e n t sw e r et od i s c u s s t h ed y n a m i c so f p a r t i c l ed e t a c h m e n t , m i g r a t i o na n dr e d e p o s i d o nu n d e rd i f f e r e n tw a t e r h y d r a u l i ca n dc h e m i c a lc o n d i t i o n sa ts a l i n e - f r e s h w a t e ri n t e r f a c e , l e a r nt h er e l a t i o n s h i p b e n 煳t h ep e r m e a b i f i t yc h a n g ea n dt h em i g r a t i o na n dr e d e p o s i d o no ft h ed e t a c h e d p a r t i c l e s , s u p p l yt h es c i e n t i f i cd e p e n d e n c ef o rt h ea s s e s s m e n ta n dp r e v e n t i o no ft h e s a l i n ew a t e ri n t n u f i o n 胁er e s u l t ss h o w ：”。 ( 1 ) t h ef a s t e rt h ef l u i dv e l o c i t y , t h eb i g g e rt h ee f f e c to ft h eh y d r a u l i ci s t h u st h e f r e e sc a l le a s i l ym i g r a t e u n d e rt h es a m e h y d r a u l i cc o n d i t i o n s , t h ee f f e c to fh y d r a u l i c o np e r m e a b i l i t yi sr e l a t e dt ot h ec r i t i c a li o n i cs t r e n g t ho ft h es o l u t i o n t h eh i g h e rt h e c r i t i c a li o m cs t r e n g t h , t h em o r ed i f f i c u l tt h ef i n e s 撇r e l e a s e d i nt h eb a t c he x p e r i m e n t , t h e s h a k i n gf r e q u e n c yw a sn o tb e y o n d 1 5 0t i m e a m i ni no r d e rt op r e v e n t h y d r o d y n a m i c l l yi n d u c e dp a p a = i nt h ec o l u m ne x p e r i m e n tt h ec r i t i c a li n f l u e m t v e l o c i t yw a s2 1m u m b x ( 2 ) mt h eb a t c h 既p e 血咖tw h e nt h es h a d i n gf r e q u e n c yw a ss e ti nt h e1 5 0 t i m e a n 衄t h ec r i t i c a ls a l i n i t yo m i c e n t r a t i o nc a u s e dt h ep a r t i c l e sr e l e a s ew a s0 0 6 + 0 0 0 5m o l l a n dt h er e s u l to ft h ec r i t i c a ls a l i n i t yi nt h ec o l u m ne x p e l i m l m ta 删 w e l lw i t ht h a to ft h eb a t c hc x p e r i m m tt h er e l e a s e dp a n i c l e sw e 犯m a d eo f m n o n - s w e l l i n gc 埘m i n e r a l ss u c ha si l l i t e , k a o l i n i t ea n dc h l o r i d e ( 3 ) t h eb a t c he x p e r i m e n ta n dt h ec o l u m ne x p e r i m e n ts h o w e dt h a ti nt h es t r o n g a c i d i cc o n d i t i o n st h er e l e a s et i m ew a st h es h o r t e s ta n df i l ea e e u m u l a l i v er e l e a s e a l l l o u n tw a st h es m a l l e s t , a n dt h er e s u l tu n d e rt h es t r o n ga l k a l i n t oc o n d i t i o n sw a so n 吐艟c o n t r a r y 1 kr e s u l t st m d e tp h = 7 嘲i nt h em i d d l e t h er e s u l t so f 如d l i e e - 一 d i f f e r e n tp hv a l u e ss h o w e dt h eh i g h e rp hv a l u ec 趾c a u s et h en 眦r e l e a s et h a nt h e l o w e rp hu n d e r t h e & 咖eh y d r a u l i cc o n d i t i o n s t h o u g hi nt h eg r o u n d w a t e rt h er a n g e o fp i - iv a l u ew a sf r o m6t o8 w ec a ns t i l lf i n dap r o p e rp i tv a l u ea c c o r d i n gt ot h ef a c t t h a tt h ea l k a l i n ec o n d i t i o nc 雏s t r e n g t h e nf i l er e l e a s eo ft h ep a r t i c l e s i nt e r m so ft h i s p i tv a l u et h er e l e a s ea m o u n tc a l lr e a c ht h em o s ta n dt h ew a t e rs e n s i t i v i t yc a l lb e i m p r o v e dt or e d u c et h eh y d r a u l i cc o n d u c t i v i t yo ft h ep o r o u sm e d i a t h u st h ei d e a l n a t u r a la n da r t i f i c i a lp r e v e n t i n gb e l t sw e r ef o r m e dt op r t w e n tt h eo c a l r r e n c eo ft h e s a l i n ew a t e ri n t r u s i o n 一 ( 4 ) w h e nt h em o l ep e r c e n to fc a 2 + w a s5 i nt l a eb a t c he x p e r i m e n t , t h ec r i t i c a l i o n i cs t r e n g t hw a s0 0 2m o l l w h e nf l a em o l ep e r c e n to fc a 2 + w a s1 0 ，t h ec r i t i c a l i o n i cs t r g t hw a s0 0 0 7m o l l f r o mt h ea b o v ee o n l l a s tw ec a l ls e et h eh i g h e rt h e a m o u n to ft h ec a 2 i nt h em i x e ds o l u d o n , t h el o w e rt h ec r i t i c a li o n i cs t r e n g t hf o r t h e r e l e a s ew a s , w h i c hr e f l e c t st h ee x i s t e n c eo fc a “i nt h em i x e ds o l u t i o nc 趾p r e v e n tt h e p a r t i c l er e l e a s et os o i l l ee x t e n ta n dt h eo r e v e n t i o nw a ss t r e n g t h e n e dw i t ht h ei n c r e a s e 0 f 出ea m o u n to ft h ec a 2 i ni i l ec o l u m ne x p e r i m 髓tw ev a l i d a t e dt h a tt h eb i v a l e n t c a z c a np r e v e n tt h ep a r a d er e l e a s ef r o mt h ep e r s p e c t i v eo fm o n i t o r i n gt h ep a r t i c l e r e l e a s ei ni l a ee f f l u e n t w h e nt h e r ew a sn oc a 2 + i nt h em i x e ds o l u t i o nt h er e l e a s e o c c u r r e d , h o w e v e rw i t hm o l ep e r c e n to fc a 2 + i n c r e a s e dt o1 0 0p e r c e n t , t h er e l e a s e d i d n t h a p p e n 。7 ( 5 ) d u r i n gm ep r o c e s so ft h er i v e rw a t e ra n ds e a w a t e a f l u s h i n g ，w 砷盯s e n s i t i v i t y e x i s t e da tt h es a l i n e - f r 龉h w a t e a - i n t e r f a c e i nw a t c i t s h o c ke x p e r i m e n tt h ep e r m e a b i l i t y o fp o r o u sm e d i ad e c r e a s e db y5 0 o w i t hf i r s tf l u s h i n g8 e a w a t 日b yr i v e rw 锄既 h o w e v e r , i nt h ec a s eo fg r a d u a ls a l i n i t yd e 嘲s & t h ef i r s tf l u s h i n gs e a w a t a m a d et h e p e r m e a b i l i t ys i m p l yd e e r e a b y1 4 4 。a n dt h ep e r m e a b i l i t yo n l yd e c r e a s e db y 2 5 1 w h e nt h ef l u s h i n gw a t e rw a l lr i v e rw a t e rw h i c ho n l yr e a c h e dh a l fo ft h a to ft h e 一 w a t e rs h o c ke x p e r i m 髓tc o m p a r et h er e s u l t so ft h ew a t e rs h o c ke x p e r i m e n ta n dt h e g r a d u a ls a l i n i t yd e c r e a s e , w es a ns e et h ep e m w , a b i l i t yd e c r e a s ei sn o to n l yr d a t e dt o t h es a l i n i t yb u tr e l a t e dt ot h es a l i i l i t yd e c r e a s er a t e i nt h ew a t e rs h o c ke x p e r i m e n tt h e f a s t e rt h er a t eo ft h es a l i n i t yd e c r e a s e , t h el a r g e rt h er e d u c t i o nd e g r e eo ft h e p e r m e a b i l i t yi s t h er e d u c t i o nw 3 8p o s s i b l yd u et ot h ep l u g g i n ga n dp a c k i n gt h ep o r e t h r o a t sw i t l lt h en o n - s w e l l i n gc l a y ss u c ha si l l i t e k a o l i n i t ea n dc h l o r i t e ( 6 ) as i g n i f i c a n td e c r e a s eo ft h eh y d r a u l i cc o n d u c t i v i t y , o ft h eo r d e ro f1 0 。t o l o 。w a so b s e r v e dw i t ht i m ea n dt h ed e c r e a s ew a si r r e v e r s i b l e ( 7 ) t h ew a t e r - s a l i n i t yd y n a m i cp a r a m e t e rw a sd e t e r m i n e dw i t ht h ee x p e r i m e n to f h y d r o d y n a m i cd i s p e r s i o n d u r i n gt h ec o u i s eo ff r e s h w a t e rf l o o d i n gt h es a l i n ew a t e r , t h ev a l i dp o r o s i t yw a s3 9 3 m ed i s p e r s i o nc o e f f i c i e n tw a s0 5 2e m 2 m i na n dt h e d i s p e r s i t yw a s2 6 5 6c mb e f o r ef l o o d i n g a f t e rf l o o d i n gt h ev a l i dp o r o s i t yd e c r e a s e d g r a d u a u yw i t ht i m e , f i n a l l yi td e c r e a s e dt o3 6 t h ed i s p e r s i o n 础c i o n tw a so 3 5 ， c m 2 m i na n dt h ed i s p e r s i t yw a s1 8 0 7 e r a k e yw o r d s ： s a ii n 亨- f r e s hw a l ：e r i n l ：e r f a o e ， w a l ：e r s s n 8 i t i v i l ：y c i a y 唪 p a r l ：i c l e s p o r o u sm e d i a v 独创声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写 过的研究成果，也不包含未获得 ( 篷；麴婆壹基丝益要簦型壹疆 的! 奎拦亘窒2 或其他教育机构的学位或证书使用过的材料。与我一同工作的同志对本研 究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 竺三竺兰叁蛸竺竺：竺旦! 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有 关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权学校可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手 段保存、汇编学位论文( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： ， 签字日期：矽5 年6 月? 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 赫字：郡乏毛 签字日期：。出易月7 日 电话： 邮编 含水介质水敏感性的初步研究 0 前言 随着世界各国( 特别是沿海地区) 社会和经济的发展，地下水开采量不断 增加，产生了大面积的地下水位下降，已经造成几十个国家的海水和古咸水入 侵( 统称咸水入侵) ，从而带来巨大的经济损失和社会问题。咸淡水界面的形状、 运移规律是咸水入侵研究的核心问题。由于海水和淡水是可混溶的，所以实际 的咸淡水界面是一个从高盐度咸水到低矿化地下水的狭长带。咸淡水过渡带上 的水化学和水动力条件的变化导致了含水层中水敏性粘土矿物，如伊利石、高 岭石、绿泥石和蒙脱石，从孔隙表面释放出来。释放出来的微粒要么重新粘附 在孔隙表面上，要么一直随着流体流动要么被阻塞在孔隙的孔喉内，导致含 水层的渗透性发生变化 含水层渗透性发生变化的这种现象被称为。水敏0 即指在含有细颗粒物质 ( 如粘土矿物、腐殖质和微生物集合体等) 的多孔介质中( 如含水层等) ，低浓 度盐溶液驱替介质中原有高浓度盐溶液时，导致其渗透性降低，从1 9 3 3 年 f a n c h e r 首次发现水敏感性现象以来，在石油工程、土壤学领域和地下水污染物 运移等方面，许多学者对淡水的渗入或注入过程中砂岩储油层和土层的渗透性 变化进行了研究，尤其是在石油工程方面，机理和应用的研究相对来说都比较 成熟，而目前针对咸淡水过渡带渗透性变化的研究国内外都少见因此，在自 然科学基金项目“成淡水过渡带渗透性突变的机制与效应研究”( 编号： 4 0 5 7 2 1 4 2 ) 的资助下，作者在现场调查的基础上，进行了大量的室内试验。初 步探讨了咸淡水过渡带上颗粒释放与渗透性变化的规律，并确定了颗粒释放与 水动力和水化学条件之间的关系，为咸水入侵的防治提供科学的依据迄今为 止，作者己发表和基金相关的论文两篇：多孔介质中水敏性应用的研究综述 和成淡水界面上含水介质的水敏感性研究分别发表在水文地质工程地质期 刊和海洋环境科学期刊上。由于作者水平有限，文中难免有缺点与不足，。恳请 提出宝贵意见 含水介质水敏感性的初步研究 1 绪论 1 1 问题的提出 随着世界各国( 特别是沿海地区) 社会和经济的发展，工业，农业和生活用 水的需水量急剧上升，迫使人们不断增加地下水的开采量。大规模超采地下淡水 这过程致使含水层的水位大幅度下降，已经造成几十个国家的沿海地区发生大 面积的海水和古咸水入侵( 统称咸水入侵) ，对当地的工农业生产和人们的日常 生活造成了严重影响，产生了巨大的经济损失和诸多社会问题以青岛市大沽河 下游潜水含水层咸水入侵为例；该地区由于长时间过度开采地下淡水，地下水位 急剧下降，导致在1 9 8 1 年发生咸水入侵，威水入侵的面积约为7k m 2 由于没有 及时采取相应的措施，到1 9 9 8 年，咸水入侵面积己超过7 0k m 2 ，致使青岛市的 主要水源地之一- 李哥庄水源地废弃，大量开采井和采水设备报废；同时，大面 积的土地因缺少灌溉水源而荒芜，并造成当地上百家企业和数万人用水困难因 此，全球范围的咸水入侵问题已经引起国际社会的共同关注，有关国家正积极开 展海水入侵的理论和应用研究。 国内外学者对咸水入侵的研究内容包括咸水入侵通道、隐伏断裂在咸水入侵 中的作用，咸淡水过渡带变化、咸淡水关系定量研究、咸水入侵对农业的影响【1 】 其中，咸淡水过渡带是咸水入侵研究的核心问题f 2 】对咸淡水过渡带的研究工作 主要集中在以下几个方面：开采条件下含水层咸淡水过渡带形态和位置的定 量研究【7 l ；咸淡水过渡带的监测方法僻1 0 1 ；由于咸淡水过渡带的移动，地 下水和含水介质会产生不同的水文地球化学变化，例如阳离子交换、硫酸盐还原 和可能的石膏、碳酸岩矿物( 碳酸岩，白云岩) 的溶解沉淀 1 l - 1 4 j 。 从1 9 3 3 年f a n c h e r 首次发现水敏感性现象以来，在石油工程和土壤学领域， 许多学者对淡水的渗入或注入过程中砂岩储油层和土层的渗透性变化进行了研 究，而对咸淡水过渡带上含水介质水敏感性的研究较少g o l d e n b e r g 和 。 m a g a r i t z i 硌1 在渗透试验过程中发现，咸淡水过渡带上存在非常明显的水敏感性现 象，在含水介质中用淡水驱替咸水时，含水介质的渗透性发生了突然和急剧的变 化，其渗透系数降低了1 4 个数量级，而用咸水再驱替淡水。则渗透性几乎不能 古水介质水敏感性的初步研究 恢复因此，在地下咸水恢复过程中，含水介质水敏性的存在使得注淡驱咸的过 程变得更加困难，使抽咸治理后的含水层供水能力大大下降。 同时，如何利用多孔介质的水敏性也已成为一个相应的热点问题。如在石油 开采领域，通过控制注入液体的各项指标来降低或避免含油岩层( 砂岩) 的水敏 性，从而提高原油的开采流量；在农业灌溉方面，通过研究土壤的水敏性来控制 灌溉用水水质，提高入渗率，节约灌溉用水；在地下水污染方面，水敏性产生过 程中，胶体颗粒会携带污染物进行重新的迁移。沉积，从而加速了污染物的扩散 范围。对于滨海地区含水介质，则可以通过一定措施提高含水层的水敏性，降低 咸淡水过渡带上含水介质的渗透性，以获得理想的天然或人工地下防渗带，防止 咸水入侵的发生 1 2 研究目的和意义 含水介质水敏性的存在具有双重意义，第一，对于成水入侵地区，这一性质 会使得含水介质的渗透性发生不利于地下咸水恢复的变化，由于含水介质渗透性 的大幅度下降，单纯的注入淡水来驱替咸水变得极为困难；第二。由于水敏性的 存在，使得防止咸水入侵有了新的方法和思路目前应用的“抽咸注淡”技术 主要是通过咸淡水过渡带的流场控制来达到防治咸水入侵的目的，但根据含水层 的水敏感性理论，通过优化注入水的水动力和水化学条件，完全有可能在咸淡水 过渡带人工形成低渗透带或不透水界面( 低渗透帷幕) ，从而有效地防止和抑制 现代的咸水入侵，并大大降低工程的费用 因此，在现场调查的基础上，通过大量的室内试验，通过不同尺度的物理模 拟试验，弄清咸淡水过渡带上含水层在不同水化学和水动力条件下颗粒释放， 运移和沉积的动力学过程，掌握含水层水化学变化、颗粒释放、运移，沉积和渗 透性交化的内在有机联系，为咸水入侵的定量评价和防治提供科学的依据 1 3 国内外研究现状 水敏感性是指含有细颗粒物质( 如粘土矿物、腐殖质和微生物集合体等) 的 多孔介质中( 如含水砂层等) ，低浓度盐溶液驱替介质中原有高浓度盐溶液时， 3 含水介质水敏感性的初步研究 导致其渗透性降低的现象。水敏感性在石油、岩土，化学、环境和水利工程等领 域广泛存在，它在自然界既有有利的一面，也有不利的一面 这里讨论的多孔介质是指岩石、土壤、含水介质及存在于其中的细颗粒物质 这些微粒可以是无机微粒。有机微粒或是生物微粒，它们大小以微米为单位，具 有表面带电荷的胶体特征当渗流流体流经多孔介质时，在一定条件下孔隙表面 的微小颗粒从表面释放出来( 图1 1 ) 释放出的细粒随渗流流体一起运动，直至 它们被限制在多孔介质的其他位置，例如孔喉，裂隙、空洞和孔隙表面或从多孔 介质流出【l 田。 释放出的微粒可以在孔喉处被捕捉或是从多孔介质中流出，不同的情况会产 生不同的后果。在第一种情况下，使多孔介质发生阻塞。导致多孔介质渗透性降 低；在第二种情况下使多孔介质发生侵蚀，孔隙度增加，并导致多孔介质结构 破坏【l 印。当微粒迁移了一段距离后，多孔介质中微粒的大小和含量会发生重分布。 微粒和孔喉大小的比值决定了微粒被捕捉的机制( 表i - 1 ) 【垧。 图1 1 粘附在孔隙表面的微粒图 、 f i g i - i a c o n c e p t u a l p i c t u r e o f as y s t e m c o n s i s t i n go f 妇p 枷c l 酷a d h e r i n g t o p o r es u r f a c e 表1 - 1 微粒与孔喉大小的比值和相对应的渗透性变化机制 t a b l - l d e p e n d e n c e o f p l u g g i n g o n t l m r a t i o0 f t h es i z e o f f n 蝴t os i z e o f p o m c o n s 扛i c t i o n s 。 含水介质水敏感性的初步研究 1 3 1 水敏感性在石油工程方面的研究现状 水敏感性评价试验是注水开发油田研究的重要内容，其研究成果可为油田的 注水开发设计提供依据，同时对已注水开发的油田，可通过注入水的矿化度来定 量评价水敏程度，制定相应的调整措施。 水敏现象发现于2 0 世纪3 0 年代，到6 0 年代以前，研究工作主要是验证砂 岩的水敏性，并试图找出水敏性和粘土含量，特别是膨胀性蒙脱石和混层粘土矿 物之间的关系【l 。”。6 0 年代，深化了对水敏的理解，提出了诊断水敏性的配套技 术，包括流动试验，x 射线衍射分析试验，膨胀试验，用显微镜观察粘土分布， 从而能够判定地层是否存在水敏性，以及发生水敏损害的原因是由粘土膨胀引 起，还是由粘土分散运移引赳1 7 1 在认识了微粒分散运移的重要性后，7 0 年代， 水敏损害研究主要在三个方向展开：扫描电镜的应用为从地质角度揭示粘土矿物 的产状与损害原因的关系创造了条件；既然微粒运移十分重要并具普遍性，从试 验直观显示微粒移位、运移、沉积、堵塞的过程，并从理论上阐明机理就极具有 现实意义；如何控制微粒的运移是具有商业前景的技术如果说6 0 、7 0 年代是 水敏损害研究的关键阶段，那么8 0 年代至今。则进入了全面发展阶段，无论是 试验分析技术、水敏损害机理还是水敏损害诊断和控制技术都得到了广泛的研究 【堋 决定和影响微细颗粒释放的因素很多，但主要包括以下几个重要指标： ( 1 ) 临界盐浓度 模仿描述胶体稳定性时常用的概念临界絮凝浓度( a ) ， k h i l a r 和f o 皿胃 提出了临界盐浓度( c s c ) 的概念“7 1 临界盐浓度是指能够引起介质中颗粒发 生释放的盐浓度他们通过逐渐改变渗流溶液盐浓度的方法确定了临界盐浓度 当渗流溶液中的盐浓度低予该浓度时，粘粒会从孔隙壁上释放出来，阻塞孔喉， 并导致渗透性下降。他们还研究发现，临界盐浓度与渗流溶液的阴离子无关，只 与阳离子有关，且只与一价阳离子有关对于一价阳离子溶液，随着阳离子的水 合能大小不同，其临界盐度的大小关系为n a + r n h i + c s + 由于自然界的 非均质性，临界盐浓度值通常为一范围值 表1 2 总结了不同盐溶液所对应的临界盐浓度嗍从表中我们可以看出，溶 液中只存在一种阳离子时，临界盐浓度和以下因素有关：( a ) 阳离子的价态阳 5 含水介质水敏感性的初步研究 离子的具体特征( c ) 溶液的p h 值( d ) 多孔介质的类型( e ) 系统的温度 ( 2 ) 临界盐浓度变化率 临界盐浓度变化率表征的是介质中盐浓度下降的幅度对颗粒释放的影响。 k h i l a r 等发现，不同的临界盐浓度变化率引起的颗粒释放量和颗粒释放速度不 同，如瞬时、急剧的浓度变化会导致颗粒物的大量释放，而缓慢的浓度变化会使 得颗粒释放很少、很慢甚至不产生释放2 5 1 在咸淡水过渡带上，咸淡水之间的相 互作用是一个既有突变又有渐变的过程，因此对于临界盐浓度变化率研究是很重 要的。 ( 3 ) 临界离子强度 盐溶液中只有一种阳离子时，对应颗粒释放的盐浓度称为临界盐浓度或极限 盐浓度，而在n a c l 和c a c l 2 混合盐溶液的系统中，对应颗粒释放时的盐浓度则 称为临界离子强度或极限离子强度钟7 l 。q u i r k 和s c h f i e l d ，j o n e s k i a 等人研 究表明微细颗粒表面上的c a 2 + 能极大地降低表面z e t a 电势，因此溶液中一定数 量c a 2 + 的存在对阻止颗粒释放有重要作用泌3 四在n a c i 和c a c l 2 混合盐溶液系 统中，细颗粒表面上吸附的c a a - 数量由溶液的离子强度和钙离子的摩尔百分数而 定。k h i l a re ca 1 ( 1 9 9 0 ) 经试验测定了混合盐溶液系统中不同钙离子摩尔百分数下 b e r e a 岩心的临界离子强度值，结果见表1 3 阅 从表中我们可以看出，临界离子强度主要和钙离子的摩尔百分数有关。当含 钙离子的摩尔百分数大于1 5 时，就会阻止b e t a 岩心的颗粒释放。这与以往的 研究结果吻合和砂岩临界离子强度值相比，土壤系统对应的临界离子强度值较 大，部分原因是由于颗粒表面上吸附较多的伊利石，其比高岭石携带更多的电荷 ( 4 ) 临界渗流速度 孔隙度和渗透性较大的多孔介质中，粘附在孔隙表面的颗粒极易受到水动力 的影响而释放出来在松软的堤岸和填充床上更容易发生水动力作用引发的颗粒 释放有两个主要因素导致这种现象发生t 水流速度较高；颗粒的粒径较大 傍 、根据观察，颗粒释放需要在某些参数的临界条件下才能发生，这些参数可能 是胶体力，化学作用引发颗粒释放时的临界盐浓度，或者是水动力作用引发颗粒 释放时所对应的临界剪应力，临界水流速不同的渗流速度在多孔介质中形成的 剪应力大小不同在注淡驱咸的过程中大流速的地下水流在含水砂层中会在靠 含水介质承敏感性的初步研究 近注水井的区域形成强剪应力带，从而导致砂层中颗粒释放的发生，这些颗粒在 水动力作用以及扩散与弥散效应下，在砂层中向下游方向运移并重新沉积，从而 在注水井周围一定距离的区域内被重新捕获，导致含水层的渗透性发生降低3 2 1 。 由于沿x 、y 、z 轴方向上的作用力分别使颗粒产生三种不同的运动方式( 滚 动，滑动，上升) ，因此水动力引发颗粒释放的过程比胶体力更加复杂。o n c i l l 研究表明作用在颗粒上并导致颗粒运动的力是与水流方向同向的切向力而不是 升力【3 3 l 。而c l e a v e r 和y a t e s 通过分析紊流状态下颗粒释放的机制，发现紊流边 界层由于粘滞内层的不稳定性，是升力作用导致颗粒运动嗍。 d a se ta l 曾假设颗粒释放存在一个临界水动力湖a r u l a n a n d a n 髓a l 通过试 验发现流体中存在一个l i 缶：界剪应力，该值的大小与粘土颗粒类型、渗流体的离子 强度、成分。p h 值及温度有关【柳。实际上，这些参数与影响临界盐浓度的参数 相同，这就意味着胶体力和水动力引发的释放在现象上是相似的g r u e b e 虻k 和 c o l l i n s 通过岩心试验发现b c r e a 砂岩在水动力作用下的颗粒释放存在一个临界流 速彻所谓临晃流速是指注入流体的流速逐渐增大到某一值时，引起地层中的纽 微颗粒从一个喉道经孔隙到另一喉道直到在孔隙收缩部位沉积下来堵塞通道而 使地层渗透率明显下降，称该流速值为该地层的临界流速。， ( 5 ) p h 值 p h 值对水敏性的影响与粘粒薄片边缘表面上的双电层有关。这个双电层会随 着p h 值而变化，从而影响颗粒释放的数量和速度。研究结果表明，相同水动力 条件下。高p h 值时的颗粒释放倾向要远远大于低p h 值时的情况 3 8 1 。 另外，影响水敏感性的因素还有温度、微细颗粒种类、含量和粒径以及含水 介质孔隙特征 笋3 & 3 9 1 7 含水介质水敏感性的初步研究 表1 - 2 不同单价盐的临界盐浓度 t a b1 - 2c r i t i c a ls a l tc o n c e n t r a t i o nf o rs i n g l es a l ts y s t e m 作者多孔介质盐 临界盐浓度( n ) p h $ c h o f i e l d t m 牯土音量1 9 k q 0 0 6 75 2 高峙土椭m 窖c 鼙0 0 0 1 5 4 一一6 。i t l 、。c l c k 一70 0 0 0 y ，矿 伊利土卅粥一