（环境工程专业论文）多孔介质水敏感性的机理与应用研究.pdf

硕士学位论文 摘要 在前人研究的基础上，通过砂柱的水平渗流和盐度冲击试验，首先对影 响多孔介质水敏感性的水化学( 盐浓度及其变化率、p h 值、阳离子类型) 和 水动力( 渗透流量、水流速度) 因素进行了深入的研究。其次，研究了多孔 介质中不同粘土矿物( 高岭土、伊利石和蒙脱石) 自身的水敏感性特征及其 含量对多孔介质水敏感性的影响，为建立低渗透帷幕或地下防渗墙提供了理 论依据。最后，通过水敏感性过程中的颗粒释放及其迁移特征，对利用该现 象去除多孔介质中的重金属污染物和有机污染物进行了创新性的试验研究。 盐浓度试验表明，只有当冲击溶液的盐浓度以一定的梯度降到某一临界 值( 称为临界盐浓度) 以下时，方能引起多孔介质中的颗粒释放，导致渗透 性发生变化，即水敏感性发生。在p h 值影响试验中发现，在强酸性条件下 ( p h = 2 0 4 ) ，颗粒释放累积量少；而强碱性条件下( p h = 1 2 0 0 ) ，颗粒释 放累积量最多：中性条件下( p h = 6 8 8 ) ，颗粒释放累积量居中，即相同水 动力条件下，高p h 值时的颗粒释放倾向远远大于低p h 值时的情况；临界流 量试验结果表明，流体流动速率越大，水动力在颗粒之间产生的剪切力也越 大，微细颗粒就越容易与骨架颗粒分离并发生运移，试验确定的临界进水流 量为2 lm 1 m i n 。 为了研究不同阳离子的水敏感性特征，本试验分别以n a c l 、l i c l 。k c l ， n h 。c 1 ，m g c l 。，c a c l 。为例，测定含阳离子n a + ，l i + ，k + ，n h 。+ ，m g ”，c a ”的 盐溶液的临界盐浓度。试验结果表明，n a c l 、l i c l ，k c l ，n h 。c l 的临界盐浓 度分别为o 0 6 m 0 1 几0 0 0 5 舶0 l l 、o 0 5 o 0 0 5 m 0 1 l ，o 0 5 0 0 0 5 m o l l ， 0 0 1 0 0 0 5 m o l 几，而m g c l 。引起颗粒释放量非常微小，且没有规律，不存 在临界盐浓度，c a c l ：溶液不但不能引起颗粒释放，而且对该现象有明显的抑 制作用。 多孔介质中的粘土矿物是影响其水敏感性的主要物质。而对于粘土矿物 来说，不同种类和含量引起的水敏感性程度也不同。水敏性过程中，含有高 岭土，伊利土和蒙脱土的砂柱的渗透率都随着其含量的增大而呈降低趋势， 但降低的速度和程度差别极大，其中，当高岭土含量从l 增加到7 时，渗 透系数下降了略大于一个数量级。而用淡水进行冲击伊利土一砂样体系和高 岭土一砂样体系时，渗透系数并没有发生较明显的下降。当用蒸馏水驱替砂 柱中的咸水时，蒙脱石一砂样混合体系的渗透系数急剧下降，且变化幅度随 着蒙脱石含量的升高而升高。砂柱中蒙脱石矿物含量为3 4 时，其渗透 系数下降到0 c m s 。蒙脱石含量为3 的砂柱在淡水驱替高浓度盐溶液的过程 中，推测其渗透系数的变化值相当于含伊利土8 和含高岭土1 0 的砂柱渗 多孔介质水敏感性的机理与应用研究 透系数的变化效果。 为研究水敏感性对地下水中重金属和有机污染物的迁移特征的影响，试 验分别以二价汞离子( h g ”) 和苯酚为代表，研究水力条件和水敏感性发生 过程中释放的颗粒对二者迁移特征的影响。试验结果表明：单纯的水力冲击 分别能够去除砂柱中二价汞和苯酚总量的3 1 6 8 和5 5 7 1 ，还有大部分 的污染物仍滞留砂柱中；而在相同的水力作用下，水敏感性过程又可以分别 去除二价汞和苯酚6 7 5 5 和4 3 4 3 ，两者之和分别为9 9 2 3 和9 9 1 4 ， 即残留在砂柱中的绝大部分污染物可被有效去除。 关键词：多孔介质；水敏感性；颗粒释放：临界盐浓度；临界流速 硕士学位论文 a b s t r a c t o nt h eb a s i s0 fp r i o rs t u d i e s ，t h i sp a p e rf i r s tf c s e a r c h e dt h ef a c t o r st h a t i m p a c t e dt h ew a t e rs e n s i t i v i t y0 fp o r o u sm e d i a ，s u c ha sh y d r o c h e m i s t r yf a c t o r s ( s a l ts a l i n i t ya n di t s r a t eo f d e c r e a s e ，p hv a l u ea n dc a t i o n i cf o r m )a n d h y d r o d y n a m i cf o r c e( n o wf a t e )w i t h t h c l a b o r a t o r ye x p e r i m c n t s t h a tt h c s a l t w a t e ra n df r e s h w a t e r r e p l a c i n ge a c h o t h e ri nt h el e v e ls a n d c o l u m n ， s e c o n d l y ， t h ca r t i c l ea l s or e s e a r c h e dt h ec h a r a c t e r i s t i co fd i f f e r e n tc l a y s ( k a o l i n ，订l i t e ，s m e c t “e ) w a t e rs e n s i t i v i t ya n dt h e i rc o n t e n t se f f e c t i n go nw a t c r s e n s i t i v n y ，w h i c hc o u l do f f e rt h e o r e t i c a lb a s i st ob u i l dt h ei m p e n e t r a b l ep u r d a h o ru n d e r g r o u n ds e e p a g ew a l l f i n a l l y ，a c c o f d i n gt ot h ef e a t u r e so fp a r t i c l e r e l e a s ea n dm i g r a t i o no nt h ep r o c c s so fw a t e rs e n s i t i v i t y ，c r c a t i v ee x p e r i m c n t s w e r ed o n et os t u d yt h e s ep h e n o m e n ao nf e m o v i n gp o l l u t i o n so ft h eh e a v y m e t a l sa n do r g a n i cp o l l u t a n t s t h er e s u l to fs a l ts a l i n i t ye f f e c te x p e r i m e n ts h o w e dt h a tp a r t i c l e sd i d n t r e l e a s cu n t i lt h es a l ts a l i i t yo ff l o wn u i dd e c r e a s eb ys o m eg r a d i e n tt oa c r i t i c a lv a l u ca n dt h e nc a u s et h ep e f m e a b i l i t yt oc h a n g e ，t h a tw a s ，i n d u c ct h e w a t e rs e n s i t i v i t yh a p p e n i n g t h ec r i t i c a ls a l i n i t yd e t e f m i n e db yt h i sc x p c f i m c 丑t w a sa b o u t0 0 6 m o l l i nt h ee x p e r i m e n to fp he f f e c t s ，o n ec o u l dd i s c o v c r t h a tt h cq u a n t i t yo ff c l e a s e dp a r t i c l c sw a st h el e a s ti na c i d i cc o n d i t i o n ( p h = 2 0 4 ) a n d o s ti na l k a l ic o d i t i o n ( p h = 6 8 8 ) t h a tw a s ，t h et e n d e n c yo f p a r t i c l er c l c a s ci nh i g hp hv a l u ew a sf a fm o r ct h a nt h a ti 1 0 wp hv a l u e t h e r e s u l to fh y d r o d y n a m i cc x p e r i m e n ti n d i c a t c dt h a tt h eg r e a t e rt h cn u i dn o wr a t e ， t h eg f e a t e rt h es h e a rs t r e s sb e t w e e nh y d f o d y n a m i cf o r c ca n dp a r t i c l c s ，t h ee a s e r t h cm i g r a t i o no fp a r t i c l e sf f o mp o r o u sm e d i a t h ec r i t i c a ln o wf a t ec o n f i f m e d b yt h i se x p e r i m e n tw a s2 lm l m i n i no r d e rt os t u d yt h ew a t e rs e n s i t i v i t yo fd i f f e r e n tc a t i o n s ，t h i se x p e r i m e n t t o o kl i c l ，k c l ，n h 4 c l ， m g c l 2 ， c a c l 2a se x a m p l e st od e t e r m i n et h ec r i t i c a l s a l i n i t yo fs a l ts o l u t i o nc o n t a i n i n gf o l l o w i n gc a t i o n s ：l i + ， k + ， n h 4 + ， m 9 2 + ， c a 2 + t h er e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h ec r i t i c a ls a l i n i t vo fl i c l ，k c l ，n h 4 c lw e r e o 0 5 0 0 0 5 m o l l ，o 0 5 o 0 0 5 m o l la n do 0 1 o 0 0 5 m o l lr c s p e c t i v e l y ，b u t m g c l 2h a dn oc r i t i c a ls a l tc o n c e n t r a t i o a st h eq u a n t i t yo fp a r t i c l er e l e a s ew a s t 0 0s m a l la n dt h e r ew a sn op a r t i c l er e l e a s el a w n o to n l yc o u l d n tc a c l 2i n d u c c p a r t i c l er e l c a s c ，b u ti ta l s oi h i b i tt h ep h e n o m e n ao b v i o u s l y c l a ym i e r a l si np o r o u sm c d i aa r ct h em a i ns u b s t a n c e sw h o s ec o n t e n t sa n d k i n d sd i r e c t l yi n f l u e n c e dt h ed e g r e co fw a t e rs e n s i t i v i t y i np r o c e s so fw a t e r i i i 多孔介质水敏感性的机理与应用研究 s e n s i t i v i t y ，t h ep e r m e a b i l i t yo fs a n dc o l u m n s ，c o n t e n t i n gv a r i o u sc a l y s ，s u c ha s k a 0 1 i n ，i l l i t e ， s m e c t i t e ， w e r ea l lr e d u c e da st h ec o n t e n ti n c r e a s e d ，b u t t h e d e c r e a s i n gr a t ea n dd e g r e ew c r eg r e a t l yd i f f e r e n t a m o n gt h e m ，t h ep c r m e a b i l i t y d e c r e a s e db yo n l yo n cg f a d cw h e nt h ec o n t e n t so fk a o l i ni n c f c a s e df r o m1 t o 7 ( w e i g h tr a t i o ) a n dt h e r ew e r en o ts l i g h tr e d u c t i o no fh y d r a u l i cc o n d u c t i v i t y w h e nt h ef l o w i n gn u i dw a sc h a n g e dt of r e s hw a t e ri nb o t hi l l i t e - s a n ds y s t e ma n d 王【a 0 1 i n s a n d s y s t e m h o w e v e r ， t h ep e r m e a b i l i t yo fs m e c t i t e s a n dc o u l db e f c d u c e ds h a r p l yw h e nt h en o w i n gn u i d sw e r cc h a n g e df r o ms e a w a t e rt of r e s h w a t e ra n dt h cc h a n g i n gr a g ew a si c r e a s ew i t ht h ei n c r e a s co fs m e c t i t e s c o n t e n t s w h e nt h es m e c t i t e sc o n t e n tr e a c h e d3 - 4 n 0w a t e rc o u l df 1 0 w t h r o u g hs a dc o l u m n t a k i n gh g 计i o n a n d p h e n o l( c 6 h 5 0 h )a sc x a m p l e s ， t h cc f f c c to f h y d r o d y n a m i cc o n d i t i o na n dw a t e rs e n s i t i v i t yo np a r t i c l er c l e a s ew a sr e s e a f c h e d t os t u d yt h ei n n u e n c eo fw a t e rs e n s i t i v i t yo nt h em i g r a t i o no fh e a v ym e t a l s u n d e r g r o u n da n do r g a n i cp o l l u t a n t t h er e s u l ti n d i c a t e dt h a tt h er e m o v i n gf a t e o fh 矿+ i o na n dp h e n o l ( c 6 h 5 0 h ) w e r e3 1 6 8 a n d5 5 7 1 r e s p e c t i v e l yw h e n o n l yt h es a l t w a t e rf i l t e r st h r o u g ht h es a n dc o l u n l n sp o l l u t e db yt h e ma n dt h e f e w e r cs t i l ls t a y e d1 0 t so fp o l l u t a n t s b u ti nt h es a m ch y d r o d y n a m i cc o n d i t i o n s ， t h ev a l u e sw e r e6 7 5 5 a n d4 3 4 3 a f t e fw a t c rs e n s i t i v i t yh a p p e e d u d e r t h ec o a c “0 n so fh y d r o d y n a m i cf u n c t i o na n dw a t e rs e n s “i v i t y ，t h et o t a lr e m o v i n g r a t e sw e r e9 9 2 3 a n d9 9 1 4 ，t h a tw a s ，m o s to fp o l l u t a n t si ns a n dc o l u m n s c o u l db er e m o v e de f f e c t i v c l yi n t h i sm e t h o d k e yw o r d s ：p o r o u sm e d i a ；w a t e rs e s i t l v i t y ；p a r t i c i er e i e a s e ；c r i t i c a is a i t c o n c e n t r a t i o n ：c r i t i c a in o w r a t e 兰州理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含 任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本 声明的法律后果由本人承担。 作者签名：际继红 日期：俳占月，上日 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，即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允 许论文被查阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部 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 制手段保存和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本 学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提 供信息服务。 作者签名： 导师签名： 陈继红 刁饬 日期：伽，年 日期：学年 6 只l lb 6 只| lb 硕士学位论文 1 1 课题背景 1 绪论 随着世界各国社会和经济的发展，使得人们对自然资源的开发利用 程度迅猛增大，导致地质大循环的某些环节加速。其中，水资源的长期 超采会直接引起区域地下水环境遭到破坏，一方面，可导致含水层的水 位大幅度下降，造成沿海地区发生大面积的海水和咸水入侵( 通称为咸 水入侵) ，并对当地的工农业生产和人们的日常生活造成严重影响，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，当时咸水入侵的面积约为7k m 2 ；由于没 有及时采取相应的措施，到1 9 9 8 年，咸水入侵面积已超过7 0k m 2 ，致使 青岛市的主要水源地一一李哥庄水源地大部分被废弃，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。另一方面，在工业生产和运输的过程中， 大量的重金属和有机污染物的不合理排放和泄漏给地下水及土壤环境造 成难以修复的严重污染，而水量减少和水位降低则进一步加剧了污染物 质对含水层的污染程度和修复难度。其中，重金属在土壤中移动性差、 滞留时间长、不能被微生物降解，并可经水、植物等介质最终影响人类 健康：包括石油在内的非亲水相液体在开采过程中，会产生大量含油废 水、有害的废泥浆以及其他一些污染物，如果处理不好就会污染周边土 壤、河流甚至地下水；而石油、天然气本身就含有对人和动物有害的物 质，一旦发生井喷或泄漏，将对生活在油气田附近的人和动物构成致命 威胁。因此，全球范围的咸水入侵和地下水环境污染问题已经引起国际 社会的共同关注，有关国家正积极开展关于这些方面的理论和应用研究。 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 侵对农业的影响等方面，其中，咸淡水过渡带的水力性质和水化学特征 是咸水入侵发生和防治研究的核心问题n 。目前国内外对咸淡水过渡带 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口圳；咸淡水过渡带的监测方法抽1 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 多孔介质水敏感性的机理与应用研究 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) 的溶解沉淀等。1 ”。 同时，国内外对污染物在含水层中的运移、控制、修复的研究工作 主要包括以下五点： 污染物在地下水中运移的模拟及预测。利用室内或野外试验测定 相关参数，结合数学模型，为地下水资源管理和已污染含水层的修复提 供定量依据。 防止污染源扩散的方案设计。通过计算分析，选择最佳治理方案。 高辐射性核废料处置库的选址问题。选择合适的处理库使核废料 在其半衰期内与人类生存空间及环境隔离。 包气带中污染物的运移问题。评价农田施用化肥、农药、污水回 灌对地下水水质的影响，以及了解土壤盐碱化过程，并确定排盐改碱过 程。 已污染含水层的修复研究。包括工程措施( 客土、换土、隔离法、 清洗法、熟处理和电化法等) 、施加改良剂( 沉淀作用、抑制剂、吸附剂 等) 、农业措施( 增施有机肥、控制土壤水分、选择合适形态的化肥等) 、 生物修复技术等。 多孔介质的水敏感性是一个已经被发现了7 0 多年的复杂胶体化学 问题，其内容是指当淡水置换多孔介质中最初的高浓度盐水时，含有粘 性土颗粒多孔介质的渗透性会出现快速和明显的下降现象。研究结果表 明，引起多孔介质渗透性变化的主要原因是吸附于多孔介质骨架上的细 颗粒物质发生了释放，并且随水流进行了迁移，在迁移的过程中，颗粒 物阻塞了多孔介质的孔喉部分，导致渗透性降低n ”。同时，水敏感性的 产生与阴离子无关，并且仅仅发生在一价阳离子溶液相互置换的过程中 ( 其余阳离子仅有镁离子溶液能产生轻微的水敏感性) 1 。临界盐浓度 是引起多孔介质颗粒释放的一个最重要的条件，当多孔介质中的溶液浓 度大于该值时，颗粒释放就不再发生n ”。 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 0 1 d e n b e r g 和m a g a r i t z 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，其渗透系数降低了卜4 个数量级， 而用咸水再驱替淡水，则渗透性几乎不能恢复“”。因此，在地下咸水恢 复过程中，含水介质水敏感性的存在不但使得注淡驱成的过程变得更加 2 硕士学位论文 困难，而且使抽威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感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) 的水敏感性，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感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，水敏感性产生过程中，胶体颗粒会携带污染 物( 如重金属或有机物) 从土壤中迁移出来，有利于地下水污染的治理。 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感性， 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 滨海地区多是人口高度集中和经济快速发展的地区，工农业生产和 生活用水量对淡水资源的需求日益增加，因而淡水资源短缺日益成为限 制该地区经济和社会发展的普遍问题。天然情况下，滨海地区的淡水是 向海泄流的，且咸淡水之间存在一个过渡带；咸淡水之间的动态平衡使 咸淡水过渡带始终保持在一个稳定的位置。当人类不合理的开采地下淡 水时，会导致地下淡水向海水的渗流量减弱，从而不能抵消海水向陆地 的弥散项，导致海水入侵现象的发生，引起一系列生态环境恶化问题， 如荒漠化，土地盐渍化和水质恶化等。迄今，美国，德国，日本，印度， 以色列，西班牙等国家都遭受了不同程度的海水入侵。我国的沿海地区， 如海南，广东，江苏，山东，河北等省都有海水入侵的报道。其中山东 省最为严重。因此，全球范围的咸水入侵问题已经受到了国际社会的共 同关注，有关国家已积极地开展了关于防治咸水入侵的理论和应用研究。 目前，防治海水入侵是采用“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。而对于盐分和含水介 质相互作用后含水层性质的改变( 粘土颗粒释放，迁移，膨胀等) 对咸 淡水过渡带渗透性的影响研究甚少。而水敏感性的存在使得防止海水入 侵有了新的思路和方法。我们可以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，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咸水入侵，并大大降 低工程的费用。 同样，我们可以使含有重金属和有机污染物的多孔介质( 即土壤) 产生水敏感性，则多孔介质中的胶体颗粒在释放过程中，会携带这些污 染物一起迁移并脱离土壤环境，从而使受污染的地下环境得以修复。这 3 多孔介质水敏感性的机理与应用研究 种治理地下水中重金属和有机污染物的方法相对于传统的治理方法来 说，工程费用低，且不会造成二次污染。 1 3 国内外研究现状 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， 是多孔介质对外来不配伍流体的一种特征反应，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微 细颗粒物质。这些微细颗粒可以是无机微粒、有机微粒或者生物微粒， 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介质表面释放出来 ( 图1 1 ) 。释放出的微粒有一小部分在重力作用下重新沉积于颗粒表面， 大部分则随着渗流流体一起迁移，在迁移过程中，有些直接从多孔介质 流出，有些则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” 图1 1 粘附在孔隙表面的微粒图 释放出的微粒可以在孔隙孔喉处被重新捕获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，释放出来的粘粒具有 膨胀性，如蒙脱土，与水时体积会膨胀到原来的几十倍甚至几百倍，膨 胀后的蒙脱土相互架桥粘结，形成空间网状结构的大粘土胶团，从而使 孔喉部分过水面积急剧变小，造成多孔介质孔隙阻塞，渗透性降低如图 1 2 a ) ；在第二种情况下，粘土颗粒以非膨胀性为主，如高岭土，伊利 石等，释放后会从孔壁脱落，随水流试图迁移如图1 2b ) 。使多孔介质发 生侵蚀，并导致多孔介质结构破坏，孔隙度增加，过水面积增大。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新分布。 微粒和孔喉大小的比值决定了微粒被捕获的机制( 表1 1 ) 。 4 硕士学位论文 、一晌，舻鼍h 即一 ，、岫：，、，触龟：札茹舭、 a l 、尹吃、 弋龟毋尹八 埘 图1 1 多孔介质中粘土微粒的释放机制a ) 牯粒膨胀b ) 微粒的释放迁移 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 微粒大小孔喉大小 渗透性变化机制 l 架桥效应或体积排阻导致的阻塞 o 1 0 6架桥和多颗粒堵塞导致的阻塞 0 0 4 0 1 0表面沉积、架桥和多颗粒堵塞导致的阻塞 o 0 卜0 0 4表面沉积和可能发生的多颗粒堵塞效应 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，同时对己注水开发的油田，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。 水敏感性现象发现于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感性，并试图找出水敏感性与粘土含量，特别是与 膨胀性蒙脱石和混层糙土矿物之间的关系“”。6 0 年代，大量的研究工作 深化了对水敏感性的理解，提出了诊断水敏感性的配套技术，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感性。以及发生水敏感性损害的原因是由粘土 膨胀引起，还是由粘土分散运移引起n ”。在认识了微粒分散运移的重要 性后，7 0 年代，水敏感性损害研究主要在三个方向展开：扫描电镜的应 多孔介质水敏感性的机理与应用研究 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且具有普遍性，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；而如何控 制微粒的运移则是具有广阔商业前景的技术。如果说6 0 、7 0 年代是水敏 感性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感性损害诊断和控铋技术 都得到了广泛的研究”。 大量石油工程领域的研究工作表明，虽然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： 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( c f c ) ， k h i l a r 和f o g l e r 提出了临界盐浓度( c s c ) 的概念n ”。临界盐浓度是指能够引 起介质中颗粒发生释放的盐浓度。他们通过逐渐降低渗流溶液盐浓度的 方法确定了临界盐浓度。当渗流溶液中的盐浓度低于该值时，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，随着阳离子的永合能大小不同，其临 界盐度的大小关系为n a + k + n h 4 + 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”。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( b ) 阳离子的具体特征( c ) 溶液的p h 值( d ) 多孔介质的类型( e ) 系统的温度。 表1 2 不同单价盐的临界盐浓度 6 硕士学位论文 h a f d c a s t l e 压缩土床 m i t c h e l 【2 2 l 粘土含量：1 5 n a c lo 0 5 伊利土：1 0 0 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的量很少、速度很小甚至不产生释放 ”“。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。 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 ：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瞳”2 ”。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 ”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 ”的存在对阻止颗粒释放有 重要作用n 8 。”。在n a c l 和c a c l 。混合盐溶液系统中，细颗粒表面上吸附 的c a 2 + 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 ta 1 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 多孔介质水敏感性的机理与应用研究 临界离子强度值，结果见表1 3 口“。 表1 3n a c l 和c a c l 2 混合盐溶液系统的临界离子强度 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 r e 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。 临界渗流量 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：a ：水流速 度较高；b ：颗粒的粒径较大口”。 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规律性的降低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，以至于迄今仍然没有定论。o n e 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”。而 c 1 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”“。 d a se ta 1 曾假设颗粒释放存在一个临界水动力”。a r u l a n 8 n d a ne t a 1 通过试验发现流体中存在一个临界剪应力，该值的大小与粘土颗粒类 8 硕士学位论文 型、渗流体的离子强度、成分、p h 值及温度有关“。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 c k 和c o l l i n s 通过岩心试验发现b e 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口”。所谓i i 缶界流速是指注 入流体的流速逐渐增大到某值时，引起地层中的细微颗粒从一个喉道 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。 p h 值 p h 值对水敏感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”。 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等曲8 。圳。 1 3 2 水敏感性在岩土工程方面的研究现状 ( 1 ) 土壤侵蚀 f r e n k e l 等通过渗透试验表明，低矿化度和高钠吸附比( s a r ) 的淡 水渗入土壤以后，其中的胶体颗粒会产生释放，并使土壤的渗透性明显 降低”川。郑西来等在室内和野外的渗透试验中均发现，低矿化水的渗 入可以使不同含水介质( 亚粘土、粉砂土和砂土) 的渗透性明显地降低， 甚至造成堵塞h ”1 。肖振华等在试验中发现灌溉水的矿化度降低或s a r 增加都会导致土壤渗透性降低；反之，渗透性增大。当灌溉水的s a r 增 加时，粘粒膨胀是渗透性降低的主要原因，膨胀引起连通孔隙变小和阻 塞导致含水率降低。随着灌溉水矿化度增加，絮凝作用增强，而膨胀减 弱，有效孔隙增加引起渗透性交大。反之。由于灌溉水矿化度减小，粘 粒膨胀和反絮凝作用增强，引起土壤渗透性降低。当用非常低矿化度 ( 0 1 9 几) 的水灌溉时，反絮凝和分散作用变大，分散和运动的粘粒进 入连通的孔隙并引起孔隙阻塞，这是导致渗透性降低的另一个原因“”。 灌溉水中的高矿化度可抑制土壤粘粒分散，雨季来时表层土壤经过雨水 淋滤，矿化度大大降低，引起土壤渗透性显著下降h ”。 ( 2 ) 海水淡水过渡带上渗透性的变化 滨海地区的含水层、地下咸淡水过渡带的渗透特征是对其进行评价 的重要指标。以往对咸水一淡水过渡带的研究都是建立在过渡带上渗透系 数为定值的基础上，但是g 0 1 d e n b e r g 对滨海含水层咸水一淡水过渡带上 9 多孔介质水敏感性的机理与应用研究 渗透性的研究表明：过渡带上存在明显的水敏感性“”圳。 g o l d e n b e r g 用不同比例的咸淡混合水交替淋滤含5 ( 甚至含量更低 的) 粘粒的土柱，发现土柱的渗透系数发生了显著的下降( 最大下降可 达卜3 个数量级) ，且下降的程度与粘土的含量有关n ”。在此基础上他 又研究了过渡带上不同类型、不同含量的粘土对渗透性的影响。研究结 果表明，含水层中蒙脱石矿物含量为3 4 时，随着过渡带上盐度降低会 生成一个不透水层，而伊利石或高岭石矿物的存在对含水层渗透性的影 响甚微卟”。后来，g 0 1 d e n b e r g 用咸水和含有5 、1 5 、3 0 和6 0 m g l 的蒙 脱石矿物悬浮液交替淋滤土柱，发现砂质多孔介质的渗透系数发生显著 下降，这是由于在滤液离子强度接近粘粒临界凝聚浓度时，悬浮颗粒形 成了大量的松散结构，这些结构体堵塞了孔隙由此g o l d e n b e r g 推测砂 粒外层可能粘附了大量的水敏粘粒，使得滨海含水层咸水一淡水过渡带上 的渗透性很小8 “。m e h n e r t 和j e n n i n g s ”( 1 9 9 5 ) 进一步研究了咸淡水 过渡带含水介质的水敏感性，并通过数值模拟得出，淡水的注入会引起 含水介质渗透性的大大降低，并导致咸水入侵范围和咸淡水过渡带宽度 的增加。 咸淡水过渡带上，含水层中的粘土矿物是影响其水敏感性最主要的胶 体颗粒。而对于粘士矿物来说，不同种类引起的水敏感性程度和机理亦 不同。大多数含水层中的粘土矿物以高岭石为主，伊利石、蒙脱石含量 相对较少。高岭石和伊利石引起水敏感性的机理在于其胶体颗粒的释放、 迁移沉积作用。虽然具体的情形和过程到今天也没有完全搞清，但是大 家几乎一致认为，含水介质中细微颗粒的释放、迁移一沉积和重新沉积等 作用引起的孔喉阻塞是导致其渗透性变化的最主要原因。蒙脱石引起水 敏感性的机理在于其膨胀特性。蒙脱石胶体颗粒吸水膨胀，引起连通孔 隙变小，渗透性降低。由于蒙脱石胶体颗粒膨胀后的粒径要远远大于高 岭土和伊剩石，虽然其迁移能力下降，但是其引起含水层渗透性的降低 更为迅速和剧烈，一般要比同样含量的高岭土和伊利石高出1 到几个数 量级邙”因此，研究海水入侵的防治时，在含水层近海端咸淡水过渡带 附近注入蒙脱石悬浊液或人工开挖后夯入一定含量蒙脱石与砂的混合 层，从而人为地改变含水层的渗透性，形成地下低渗透带甚至不透水带， 不失为一种好的构思。 1 3 3 水敏感性在化学工程方面的研究现状 非固结多孔介质广泛应用于化学工程的诸多操作过程中，如深层滤化 床过滤和滤饼的清洗在设计这些操作时，需考虑防止滤化床发生微粒 l o 硕士学位论文 阻塞或入陷，对于深层滤化床的再生，需要完全清除入陷颗粒。 在滤饼过滤时，悬浮液里的微粒被起过滤作用的滤层所捕获。而悬 浮液中不同粒度的微粒迁移会导致滤饼过滤层发生堵塞，因此不利于过 滤。同样的情形也会发生在滤饼的清洗过程中 在深层滤化床的运行中，悬浮液的浓度宜保持在较低水平以防止过滤 时滤化床发生阻塞并保证再生时颗粒能够完全清除。同样在使用微滤膜 时也应注意此问题。 1 3 4 水敏感性在环境工程方面的研究现状 r y a n 和e l i m e l i c h ，b u n n 等在野外地下水现场监测中发