滨海咸水储层微纳米颗粒形貌特征对其运移行为的影响
发布时间：2020-03-05 13:25
【摘要】：通过一维水平砂柱试验,结合多孔介质传质理论,从孔隙尺度探索含水层中微纳米颗粒形貌特征与其释放、运移、沉积过程的内在关联,揭示颗粒重组的力学诱导机制。研究结果表明,在渗流溶液水动力作用与物化性质相同,并且含水介质机械组成相近的条件下,球形硅微粉释放率最高,试验过程中累计释放颗粒质量达93.74 mg;咸水层原砂释放率最低,仅为0.62%。依据试验结果,利用双沉积位动力学模型进行反演,计算得到咸水层原砂在受运移距离控制点位沉积系数最大,高于人工制备砂样2个量级。结合电镜扫描与颗粒表面ζ电位测试结果,基于颗粒受力平衡分析,渗流剪切应力与颗粒法向截面面积成正比;同时伴随微纳米颗粒形貌、构成的变化,扩散双电层排斥力存在显著差异。因此,球状硅微粉颗粒通常以单体形式脱离多孔介质表面;片状次生黏土矿物颗粒多以大体积粒团形式释放,出现再次沉积或被孔喉捕获的机率提高。
【图文】：
域，达到0.9mg/mL；在该时段，，另两组砂柱渗流溶液中颗粒浓度随着与进液端距离增大而减少，原砂填充砂柱仅在0～10cm段存在少量颗粒物质。当试验进行180min时，3组砂柱出液端区域颗粒浓度均呈现稳定状态，可认为此时该区域含水介质中颗粒脱离与沉积过程达到动态平衡。然而，此时砂柱前部区域颗粒浓度呈现下降趋势，结合图3，随着试验进行，流出液中颗粒浓度将逐渐减少。4.2基于SEM测试的颗粒形貌特征分析基于前期研究成果[17]，利用扫描电镜技术（SEM），将3组试验中释放颗粒放大至0.1～1m，观察其形貌特征，见图5。人工制备含水介质释放颗粒以分散存在的硅微粉为主，絮凝粒团较少。然而，咸水层原砂流出液中微纳米颗粒粒径分布不均匀，以次生黏土矿物颗粒与絮凝粒团形式共同存在。图4不同时间含水介质渗流液颗粒浓度随层析柱区域变化曲线Fig.4Curvesoftheparticleconcentrationoftheseepagesolutionwithinfiltrationregionsatdifferenttimes(a)球形硅微粉与石英砂填充砂柱(b)非球形硅微粉与石英砂填充砂柱(c)原砂填充砂柱图5填充砂柱释放颗粒SEM图Fig.5SEMimagesofreleasedparticlesofthesandcolumn在储热试验结束后，分别提取咸水层原砂与非球形硅微粉填充砂柱300mm处含水介质断面，进行电镜扫描。如图6所示，在原砂含水介质中，片0510152025300.00.20.40.60.81.01.21.41.61.8流渗颗液浓粒度/mg(/Lm)层析柱长度/cm球形硅微粉填充砂柱储热60min非球形硅微粉填充砂柱储热60min原砂填充砂柱储热60min球形硅微粉填充砂柱储热180min非球形硅微粉填充砂柱储热180min原砂填充砂柱储热180min
2276岩土力学2017年状颗粒紧密、均匀附着于固相基质表面，部分絮凝构成的粒团则分布于含水介质孔隙之间。人工制备含水介质填充砂柱中，硅微粉颗粒较松散的分布于石英砂表面。(a)原砂填充砂柱(b)非球形硅微粉与石英砂填充砂柱图6填充砂柱300mm断面含水介质SEM图Fig.6SEMimagesoftheaquifermediumatthe300mmscanningsliceinthesandcolumn根据试验结果认为，由于硅微粉呈球形或为规则多面体形状，比表面积偏低，过水横截面较大，因此，易于从固相基质表面脱离。同时，由于人工制备石英砂含水介质尺寸相对单一，所形成的孔隙结构分布均匀、连贯，因此，只有少量释放颗粒在运移过程中，由于吸附效应再次沉积于多孔介质表面，或者在狭窄孔隙喉道发生堵塞。原砂填充砂柱中微纳米颗粒以片状次生黏土矿物为主，比表面积大，同时具有很强的吸附性。因此，试验中较少出现单体片状颗粒从基质表面脱离，多以大体积絮凝粒团形式释放，从而导致运移过程中在重力及静电力作用下再次沉积于多孔介质表面以及被孔喉捕获机率提高，从而改变含水介质空间结构。4.3微纳米颗粒运移力学诱导机制基于多孔介质表面微纳米颗粒受力平衡关系式（式（7）、（8）），以一维砂柱试验为例，由于法向渗流速度近似为0，因此，可忽略提升力1F对于颗粒重组的影响。在水动力作用与注入溶液物化性质相同，含水介质机械组成与孔隙结构相近的条件下，流动剪切应力dF与颗粒法向截面面积s成正比，其表达式为dFKs（9）式中：K为正常数。在颗粒体积相同的条件下，随着沉积颗粒截面增大，溶液对颗粒的剪切作用力增大，受力平衡被打破，最终导致颗粒物质从含水介质孔隙壁面释放或者絮凝的粒团出现分离，随溶液在砂柱中运移。由于咸水层中微纳米颗粒以次
本文编号：2585017
【图文】：
域，达到0.9mg/mL；在该时段，，另两组砂柱渗流溶液中颗粒浓度随着与进液端距离增大而减少，原砂填充砂柱仅在0～10cm段存在少量颗粒物质。当试验进行180min时，3组砂柱出液端区域颗粒浓度均呈现稳定状态，可认为此时该区域含水介质中颗粒脱离与沉积过程达到动态平衡。然而，此时砂柱前部区域颗粒浓度呈现下降趋势，结合图3，随着试验进行，流出液中颗粒浓度将逐渐减少。4.2基于SEM测试的颗粒形貌特征分析基于前期研究成果[17]，利用扫描电镜技术（SEM），将3组试验中释放颗粒放大至0.1～1m，观察其形貌特征，见图5。人工制备含水介质释放颗粒以分散存在的硅微粉为主，絮凝粒团较少。然而，咸水层原砂流出液中微纳米颗粒粒径分布不均匀，以次生黏土矿物颗粒与絮凝粒团形式共同存在。图4不同时间含水介质渗流液颗粒浓度随层析柱区域变化曲线Fig.4Curvesoftheparticleconcentrationoftheseepagesolutionwithinfiltrationregionsatdifferenttimes(a)球形硅微粉与石英砂填充砂柱(b)非球形硅微粉与石英砂填充砂柱(c)原砂填充砂柱图5填充砂柱释放颗粒SEM图Fig.5SEMimagesofreleasedparticlesofthesandcolumn在储热试验结束后，分别提取咸水层原砂与非球形硅微粉填充砂柱300mm处含水介质断面，进行电镜扫描。如图6所示，在原砂含水介质中，片0510152025300.00.20.40.60.81.01.21.41.61.8流渗颗液浓粒度/mg(/Lm)层析柱长度/cm球形硅微粉填充砂柱储热60min非球形硅微粉填充砂柱储热60min原砂填充砂柱储热60min球形硅微粉填充砂柱储热180min非球形硅微粉填充砂柱储热180min原砂填充砂柱储热180min
2276岩土力学2017年状颗粒紧密、均匀附着于固相基质表面，部分絮凝构成的粒团则分布于含水介质孔隙之间。人工制备含水介质填充砂柱中，硅微粉颗粒较松散的分布于石英砂表面。(a)原砂填充砂柱(b)非球形硅微粉与石英砂填充砂柱图6填充砂柱300mm断面含水介质SEM图Fig.6SEMimagesoftheaquifermediumatthe300mmscanningsliceinthesandcolumn根据试验结果认为，由于硅微粉呈球形或为规则多面体形状，比表面积偏低，过水横截面较大，因此，易于从固相基质表面脱离。同时，由于人工制备石英砂含水介质尺寸相对单一，所形成的孔隙结构分布均匀、连贯，因此，只有少量释放颗粒在运移过程中，由于吸附效应再次沉积于多孔介质表面，或者在狭窄孔隙喉道发生堵塞。原砂填充砂柱中微纳米颗粒以片状次生黏土矿物为主，比表面积大，同时具有很强的吸附性。因此，试验中较少出现单体片状颗粒从基质表面脱离，多以大体积絮凝粒团形式释放，从而导致运移过程中在重力及静电力作用下再次沉积于多孔介质表面以及被孔喉捕获机率提高，从而改变含水介质空间结构。4.3微纳米颗粒运移力学诱导机制基于多孔介质表面微纳米颗粒受力平衡关系式（式（7）、（8）），以一维砂柱试验为例，由于法向渗流速度近似为0，因此，可忽略提升力1F对于颗粒重组的影响。在水动力作用与注入溶液物化性质相同，含水介质机械组成与孔隙结构相近的条件下，流动剪切应力dF与颗粒法向截面面积s成正比，其表达式为dFKs（9）式中：K为正常数。在颗粒体积相同的条件下，随着沉积颗粒截面增大，溶液对颗粒的剪切作用力增大，受力平衡被打破，最终导致颗粒物质从含水介质孔隙壁面释放或者絮凝的粒团出现分离，随溶液在砂柱中运移。由于咸水层中微纳米颗粒以次
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