左 銳，潘明浩，劉嘉蔚，胡立堂，鄭世達(dá)，徐祚榮，王金生*

1. 北京師范大學(xué)水科學(xué)研究院，北京 100875

2. 地下水污染控制與修復(fù)教育部工程研究中心，北京 100875

在碳達(dá)峰、碳中和重大戰(zhàn)略目標(biāo)推動(dòng)下，我國(guó)致力于構(gòu)建更加清潔、高效的能源體系[1]，使可再生能源這一有效降碳措施成為未來(lái)能源結(jié)構(gòu)中的主導(dǎo)力量[2]. 風(fēng)能、光能等可再生能源具有分散性、不穩(wěn)定性等特點(diǎn)，隨著用電峰谷差距增大、電力系統(tǒng)轉(zhuǎn)型壓力大等問(wèn)題涌現(xiàn)，化解可再生能源大比例并網(wǎng)的電力系統(tǒng)穩(wěn)定性風(fēng)險(xiǎn)勢(shì)在必行[3]. 二氧化碳捕獲封存、地質(zhì)儲(chǔ)能等技術(shù)均是實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的重要地質(zhì)手段[4]，其中儲(chǔ)能技術(shù)對(duì)于提升可再生能源與發(fā)電-負(fù)荷動(dòng)態(tài)平衡的匹配能力具有決定性作用[5].

壓縮空氣儲(chǔ)能(compressed air energy storage,CAES)是具備規(guī)?；瘧?yīng)用潛力的物理儲(chǔ)能技術(shù)[6]，具有更高的儲(chǔ)存規(guī)模、場(chǎng)地選址靈活性[7]. CAES系統(tǒng)一般由壓縮機(jī)、膨脹機(jī)、儲(chǔ)氣庫(kù)等部分構(gòu)成[8]，儲(chǔ)氣庫(kù)性質(zhì)將直接影響儲(chǔ)能規(guī)模及運(yùn)行成本. 常見(jiàn)的CAES地質(zhì)儲(chǔ)氣庫(kù)包括天然鹽穴、含水層、廢棄礦井等，其中，含水層儲(chǔ)氣庫(kù)具有建設(shè)成本低、分布廣泛、容量可控等優(yōu)勢(shì)[9-10]，其可行性已在美國(guó)匹茲菲爾德(Pittsfield)場(chǎng)地試驗(yàn)等實(shí)踐案例中得到充分證明[11-12].

水-氣驅(qū)替多相流過(guò)程是利用含水層儲(chǔ)能時(shí)主要的微觀過(guò)程[11]，由于CAES系統(tǒng)以注入-開(kāi)采循環(huán)方式運(yùn)行，由此帶來(lái)頻繁的物質(zhì)、能量變化將對(duì)儲(chǔ)層滲流條件產(chǎn)生不利影響[13]. 已有探索經(jīng)驗(yàn)表明，外界氣體參與的水-巖反應(yīng)及其導(dǎo)致的儲(chǔ)層滲透性變化是影響儲(chǔ)能效率的關(guān)鍵不確定因素[12,14]，因此，對(duì)儲(chǔ)層滲流特性及地球化學(xué)過(guò)程的研究是進(jìn)一步論證技術(shù)可行性、優(yōu)化系統(tǒng)效率的關(guān)鍵環(huán)節(jié). 通過(guò)梳理含水層壓縮空氣儲(chǔ)能 (compressed air energy storage in aquifer,CAESA)技術(shù)發(fā)展歷程及實(shí)踐案例，重點(diǎn)闡述決定儲(chǔ)層滲流特性的滲透性參數(shù)及其中的地球化學(xué)過(guò)程，以期為CAES技術(shù)發(fā)展提供儲(chǔ)層角度的研究參考.

1 CAESA技術(shù)進(jìn)展

1.1 技術(shù)發(fā)展歷程

CAES的基本原理(見(jiàn)圖1)：將電能轉(zhuǎn)換為壓縮空氣勢(shì)能進(jìn)行儲(chǔ)存，在用電時(shí)將其加熱釋放[15].CAESA系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，首先將氣體注入儲(chǔ)層驅(qū)替原位地下水，通過(guò)氣-水界面運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生壓力支撐，形成初始?xì)饽襕16]，進(jìn)行壓縮空氣的注-存-采循環(huán)[17]. 理想的CAESA地層結(jié)構(gòu)通常由封閉性良好的蓋層和滲流條件適宜的儲(chǔ)層構(gòu)成[18]，蓋層應(yīng)具有較高的臨界壓力[19]，并能形成較大的自然圈閉范圍[20]，以美國(guó)Pittsfield場(chǎng)地為例，目標(biāo)儲(chǔ)層選定為滲透性較好的St. Peter石英砂巖，上覆多組白云巖、灰?guī)r地層[10,21]，蓋層封閉性、儲(chǔ)層滲流條件均較好.

圖1 CAES系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意[9]Fig.1 Configuration of CAES system[9]

CAESA這一概念借鑒于利用多孔介質(zhì)進(jìn)行天然氣儲(chǔ)存的相關(guān)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)[22]，20世紀(jì)60～70年代，由于全球電力系統(tǒng)峰谷負(fù)荷壓力不斷增大，學(xué)術(shù)界開(kāi)始提出進(jìn)行規(guī)?；暮畬觾?chǔ)能[6,23]. 20世紀(jì)70年代，美國(guó)太平洋西北實(shí)驗(yàn)室等機(jī)構(gòu)開(kāi)始集中論證規(guī)?；疌AESA的可行性，例如，Stottlemyre[24]通過(guò)數(shù)值模擬手段對(duì)枯竭天然氣儲(chǔ)層及含水層的儲(chǔ)能穩(wěn)定性進(jìn)行初步定性研究，分析了孔隙度、滲透率等選址參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)；Wiles[25]于1979年通過(guò)數(shù)值模型對(duì)多孔介質(zhì)CAES進(jìn)行了熱力學(xué)過(guò)程分析. 為實(shí)際驗(yàn)證技術(shù)可行性，美國(guó)能源部于1981年通過(guò)CAES研究計(jì)劃，在伊利諾伊州匹茲菲爾德(Pittsfield)附近的背斜結(jié)構(gòu)砂巖含水層中進(jìn)行注氣-抽提試驗(yàn)，成功實(shí)現(xiàn)氣囊的構(gòu)建、氣體的注采循環(huán)，驗(yàn)證了儲(chǔ)層良好的流體遷移特性及上覆蓋層穩(wěn)定性，初步證實(shí)CAESA的可行性[26-27].Allen等[28]于1981年對(duì)Pittsfield試驗(yàn)進(jìn)行了整理描述，并分析該區(qū)域適合進(jìn)行CAES的場(chǎng)地條件；1983年，Allen等[10]進(jìn)一步分析探討地質(zhì)條件、運(yùn)行參數(shù)等要素對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)的影響；Wiles等[21]則通過(guò)數(shù)值模型探究了Pittsfield場(chǎng)地試驗(yàn)中的氣囊形成、底水錐進(jìn)等過(guò)程，以配合場(chǎng)地試驗(yàn)的推進(jìn). 20世紀(jì)90年代以來(lái)，由于試驗(yàn)成本原因及變負(fù)荷電站的迅速擴(kuò)張[6]，CAESA研究逐步進(jìn)入緩慢發(fā)展時(shí)期(見(jiàn)圖2).進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，隨著可再生能源發(fā)展及其利用效率問(wèn)題的出現(xiàn)，規(guī)?；畬觾?chǔ)能再次受到廣泛關(guān)注. 在此背景下，美國(guó)愛(ài)荷華州于2006年部署首個(gè)規(guī)模化含水層儲(chǔ)能電站建設(shè)計(jì)劃，設(shè)計(jì)裝機(jī)規(guī)模達(dá)到268 MW[29]. 經(jīng)過(guò)詳細(xì)的地球物理探勘及數(shù)值模擬分析，發(fā)現(xiàn)目標(biāo)儲(chǔ)層性質(zhì)無(wú)法達(dá)到預(yù)期水平，實(shí)際儲(chǔ)能規(guī)模相比預(yù)期減小76%，于2011年暫停實(shí)施該項(xiàng)目[30].

圖2 CAESA的總體研究趨勢(shì)時(shí)間線[6]Fig.2 Overall timeline of CAESA development and research trends[6]

2010年以來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者以數(shù)值模擬為主要手段探究氣囊形成、儲(chǔ)能效率、熱循環(huán)過(guò)程等關(guān)鍵問(wèn)題. Jarvis[31]通過(guò)TOUGH2程序構(gòu)建美國(guó)南卡羅來(lái)納地區(qū)壓縮空氣儲(chǔ)層數(shù)值模型，并基于模擬結(jié)果解釋平直含水層作為壓縮空氣儲(chǔ)層的可行性. Guo等[13]于2016年基于TOUGH2程序EOS3模塊探究了地質(zhì)結(jié)構(gòu)、儲(chǔ)層滲透率等對(duì)初始?xì)饽摇怏w循環(huán)的影響，定義了系統(tǒng)循環(huán)次數(shù)(system cycle time, SCT)作為評(píng)價(jià)系統(tǒng)性能的指標(biāo). 同年，Guo等[32]基于德國(guó)Huntorf鹽穴儲(chǔ)能電站分別構(gòu)建鹽穴儲(chǔ)層、含水層儲(chǔ)層的二維模型，證實(shí)了含水層儲(chǔ)層相比鹽穴具有更高的儲(chǔ)能效率. 隨后，Guo等[33]又進(jìn)行了含水層熱能儲(chǔ)存(ATES)耦合研究、儲(chǔ)能循環(huán)運(yùn)行性能研究等一系列數(shù)值模擬研究. 為分析2010年以后CAESA的研究情況，在Web of Science核心合集中檢索并通過(guò)文獻(xiàn)計(jì)量學(xué)分析作圖(見(jiàn)圖3)發(fā)現(xiàn)，2010年后國(guó)內(nèi)外關(guān)于CAESA研究熱度呈現(xiàn)出整體上升趨勢(shì)，研究主題主要包括系統(tǒng)(system)、模擬(simulation)、效率(performance)、優(yōu)化(optimization)等.

圖3 2010—2021年CAESA的WoS文獻(xiàn)計(jì)量學(xué)分析Fig.3 CAESA development during 2010-2021 based on WoS bibliometric analysis

1.2 場(chǎng)地尺度探索

1.2.1 Pittsfield場(chǎng)地試驗(yàn)

已實(shí)現(xiàn)商業(yè)化運(yùn)行的CAES電站多采用天然鹽穴作為儲(chǔ)氣空間[34-35]，其弊端在于，儲(chǔ)能時(shí)產(chǎn)生的熱量可能導(dǎo)致鹽穴空間發(fā)生蠕變[36]，而天然鹽穴往往遠(yuǎn)離電力負(fù)荷平衡需求較大的區(qū)域，由此可能帶來(lái)較高的輸電成本[37]. 世界首個(gè)CAESA場(chǎng)地試驗(yàn)為美國(guó)能源部牽頭實(shí)施的匹茲菲爾德項(xiàng)目(Pittsfield Field Test)，該項(xiàng)目對(duì)于CAES技術(shù)發(fā)展具有里程碑意義.

美國(guó)能源部于1981?1984年在匹茲菲爾德附近選定由背斜結(jié)構(gòu)所圈閉的適宜儲(chǔ)層，儲(chǔ)層巖性以砂巖為主(見(jiàn)圖4). Allen等[17]通過(guò)在匹茲菲爾德開(kāi)展的200~300 m埋深場(chǎng)地試驗(yàn)，評(píng)估了周期性注入-抽取壓縮空氣的可行性，分析了儲(chǔ)能過(guò)程對(duì)儲(chǔ)蓋層、井筒的物理、化學(xué)、礦物學(xué)影響，并同步進(jìn)行數(shù)值模擬以對(duì)比分析試驗(yàn)中的氣囊形成、底水錐進(jìn)、熱循環(huán)過(guò)程. 場(chǎng)地設(shè)置1口注采井，在距離注采井2、8 m處設(shè)置2口傳感器觀測(cè)井，在距離注采井100~300 m范圍內(nèi)設(shè)置多個(gè)觀測(cè)孔[21]. 試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)儲(chǔ)層為St. Peter組石英砂巖含水層，儲(chǔ)層埋深197~266 m，平均孔隙度為20%，水平方向平均氣體滲透率約為700 mD，具有良好的流體儲(chǔ)存、滲流條件[6]. 儲(chǔ)層平均初始?jí)毫?.144 5 MPa，初始溫度為14 ℃，臨界氣體、水飽和度分別為0.28、0.90[38].

圖4 匹茲菲爾德場(chǎng)地試驗(yàn)蓋層-儲(chǔ)層剖面示意[9,17]Fig.4 Schematic section of caprock-reservoir profile in Pittsfield Field Test[9,17]

1982年10月，2.1×106m3空氣(溫度加熱至接近儲(chǔ)層溫度)被注入該目標(biāo)儲(chǔ)層，開(kāi)始進(jìn)行為期6個(gè)月的初始?xì)饽倚纬勺鳂I(yè)[17]. 氣囊形成及后續(xù)循環(huán)注入-抽取試驗(yàn)充分驗(yàn)證了利用含水層進(jìn)行壓縮空氣循環(huán)儲(chǔ)存的可行性. 在對(duì)壓縮空氣進(jìn)行化學(xué)成分跟蹤時(shí)發(fā)現(xiàn)，由于儲(chǔ)層中的硫化物礦物(如黃鐵礦FeS2)發(fā)生氧化反應(yīng)，導(dǎo)致工作氣體發(fā)生了O2成分損耗[17]. 此外，連續(xù)地底水錐進(jìn)使井筒周圍的砂巖發(fā)生地球化學(xué)降解，最終導(dǎo)致孔隙堵塞，溫度越高，地球化學(xué)過(guò)程速率越快[21]. Allen等[10]在總結(jié)Pittsfield試驗(yàn)時(shí)提出，熱膨脹、礦物溶解及其他化學(xué)反應(yīng)將使儲(chǔ)層性質(zhì)發(fā)生變化，且儲(chǔ)層中的氧化反應(yīng)同樣不可忽視.

1.2.2 Iowa儲(chǔ)能工程

愛(ài)荷華儲(chǔ)能公園工程(Iowa Storage Energy Park,ISEP)是世界首個(gè)CAESA商業(yè)化工程規(guī)劃，該工程目標(biāo)儲(chǔ)層為埋深3 000英尺(約914 m)的砂巖含水層[9]，預(yù)計(jì)儲(chǔ)能規(guī)模268 MW，計(jì)劃在投入商業(yè)運(yùn)行后與附近風(fēng)力發(fā)電站連接，以耦合其100 MW風(fēng)力發(fā)電能力. 愛(ài)荷華州是美國(guó)風(fēng)力發(fā)電能力較強(qiáng)的地區(qū)，應(yīng)用儲(chǔ)能技術(shù)耦合其風(fēng)電資源優(yōu)勢(shì)可以有效彌補(bǔ)風(fēng)能資源應(yīng)用過(guò)程中的不穩(wěn)定缺陷. 通過(guò)廣泛選址，項(xiàng)目確定于得梅因市附近的達(dá)拉斯中心(Dallas Center)西蒙山構(gòu)造(Mt. Simon Formation)進(jìn)行CAES工程建設(shè)[30].在論證了居民接受程度、經(jīng)濟(jì)效益等諸多要素后，工程改名為“愛(ài)荷華儲(chǔ)能公園”，并于2010年開(kāi)始進(jìn)行鉆孔勘探. 通過(guò)對(duì)鉆孔進(jìn)行巖芯分析，發(fā)現(xiàn)西蒙山背斜厚度相比預(yù)期厚度低67%，由此導(dǎo)致實(shí)際儲(chǔ)氣量相比2007年的預(yù)期儲(chǔ)氣量降低約50%. 為進(jìn)一步確定該區(qū)域地層條件，工程后續(xù)開(kāi)展3次鉆孔勘探，發(fā)現(xiàn)西蒙山背斜的圈閉范圍僅為2.4 km2左右，目標(biāo)儲(chǔ)層存在滲透率較低的問(wèn)題[31]. 最終，經(jīng)過(guò)一系列地球物理勘探及數(shù)值模擬論證，認(rèn)為即使該目標(biāo)儲(chǔ)層孔隙度(16%左右)符合預(yù)期，但由于儲(chǔ)層滲透率較低，儲(chǔ)氣量?jī)H能達(dá)到預(yù)期值的70%，儲(chǔ)能規(guī)模僅能達(dá)到65 MW[30]，故該儲(chǔ)能工程項(xiàng)目于2011年暫停實(shí)施.

2 壓縮空氣儲(chǔ)層的滲流特性

2.1 儲(chǔ)層關(guān)鍵滲流條件參數(shù)的確定

構(gòu)建合理的儲(chǔ)層選址評(píng)價(jià)體系是推動(dòng)CAESA發(fā)展的關(guān)鍵步驟，對(duì)儲(chǔ)層滲流條件參數(shù)的篩選則是其中最重要的環(huán)節(jié). 美國(guó)太平洋西北國(guó)家實(shí)驗(yàn)室對(duì)CAESA儲(chǔ)層的早期探索均以數(shù)值模擬為主，Stottlemyre[24]提出儲(chǔ)層的孔隙度、滲透率應(yīng)分別盡量大于10%、300 mD，Wiles[25]補(bǔ)充指出，滲透率、蓋層條件分別作為控制氣體滲透速率、保證儲(chǔ)存空間的直接因素，是最為重要的儲(chǔ)層性質(zhì)參數(shù)，儲(chǔ)層滲透率可能受到熱膨脹、顆粒堵塞、礦物沉淀等物理或化學(xué)過(guò)程的顯著影響，必要時(shí)需通過(guò)水力壓裂等手段人為提高滲透率[25]. 同時(shí)期的Smith等[39]通過(guò)一維單井井筒模型對(duì)儲(chǔ)層的幾何構(gòu)型、巖性介質(zhì)等要素進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，篩選出滲透率、孔隙度、儲(chǔ)層深度等參數(shù)，并認(rèn)為含水層滲透率、單位厚度上的氣體滲流速度是最主要的儲(chǔ)層滲流條件參數(shù). 綜合分析圍繞Pittsfield場(chǎng)地試驗(yàn)進(jìn)行的一系列研究，可以認(rèn)為儲(chǔ)層關(guān)鍵滲流條件參數(shù)主要包括儲(chǔ)層厚度、儲(chǔ)層滲透率和孔隙度.

此后的儲(chǔ)層選址研究中，亦將孔隙度、滲透率列為CAESA目標(biāo)儲(chǔ)層選址評(píng)價(jià)體系中最重要的滲流條件參數(shù)，如Succar等[9]于2008年對(duì)CAESA選址要素進(jìn)行了細(xì)化評(píng)估，在其分析報(bào)告中指出，儲(chǔ)層滲透率是針對(duì)儲(chǔ)能效率及規(guī)模的決定性系統(tǒng)參數(shù)，其與孔隙度共同決定了單位面積儲(chǔ)層上能夠?qū)崿F(xiàn)CAES的孔隙體積，并進(jìn)一步?jīng)Q定了達(dá)到預(yù)計(jì)儲(chǔ)量所需的儲(chǔ)能規(guī)模. 近年來(lái)，儲(chǔ)能系統(tǒng)選址評(píng)價(jià)體系逐步得到完善，目標(biāo)儲(chǔ)層滲透率、孔隙度、地質(zhì)結(jié)構(gòu)、儲(chǔ)層埋深等儲(chǔ)層固有要素構(gòu)成了選址評(píng)價(jià)體系中主要的參數(shù)指標(biāo)[6]. 董家偉等[20]利用AHP分級(jí)法構(gòu)建CAESA分級(jí)指標(biāo)體系時(shí)提出，儲(chǔ)層孔隙度、滲透率分別大于16%、500 mD時(shí)為最優(yōu)，孔隙度、滲透率分別在13%~16%、300~500 mD范圍內(nèi)時(shí)較為適宜.

2.2 儲(chǔ)層滲流條件對(duì)儲(chǔ)能效率的影響

滲透率是巖體的固有滲透特性. 早期研究認(rèn)為較低的滲透率將對(duì)儲(chǔ)能效率與規(guī)模產(chǎn)生負(fù)面影響[22,40]，當(dāng)儲(chǔ)層滲透率增大時(shí)，儲(chǔ)能熱循環(huán)效率將明顯提升，因此早期研究提出滲透率應(yīng)大于300 mD[24]，最好大于500 mD[28]. 但此后有學(xué)者指出，高滲透率雖有助于后續(xù)滲流循環(huán)，但在運(yùn)行間歇的封閉階段，則可能加速氣囊邊界壓力擴(kuò)散及氣體逸失[11]，氣體驅(qū)替地層原位水形成氣囊空間的快慢主要與儲(chǔ)層水平滲透率有關(guān)，與垂直滲透性關(guān)系較小，垂直滲透率較小的儲(chǔ)層將有助于防止壓縮空氣抽出階段不必要的水分滲流返回氣囊區(qū)域[25]. Guo等[13]于2016年構(gòu)建水平均質(zhì)儲(chǔ)層數(shù)值模型，模擬研究了不同滲透率、孔隙度等參數(shù)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行性能的影響. 由模擬計(jì)算結(jié)果(見(jiàn)圖5)可知，在不同的抽出速率條件下，當(dāng)儲(chǔ)層滲透率處于100~300 mD這一較低范圍時(shí)，系統(tǒng)循環(huán)次數(shù)SCT較大，即系統(tǒng)效率較高，由此認(rèn)為100~300 mD為最佳滲透率范圍. 研究同時(shí)指出，滲透率較低雖將減緩空氣流動(dòng)，限制注入-抽出循環(huán)過(guò)程中的系統(tǒng)性能，但低滲透率儲(chǔ)層中氣囊壓力逸散較小，有利于氣囊工作的持續(xù)性；滲透率較高(>500 mD)時(shí)，氣囊邊界向井孔遠(yuǎn)端擴(kuò)展，工作氣體擴(kuò)散較遠(yuǎn)不利于維持氣囊的有效體積，反而將大大縮短儲(chǔ)能運(yùn)行周期，降低儲(chǔ)能效率.

圖5 系統(tǒng)循環(huán)次數(shù)隨儲(chǔ)層滲透率的變化情況[13]Fig.5 Variation of system cycle time with reservoir permeability[13]

孔隙度是指礦物顆粒之間的空隙占巖石體積的百分比，作為儲(chǔ)層性質(zhì)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中另一重要參數(shù)，儲(chǔ)層孔隙度將影響壓縮空氣在介質(zhì)中貯存的體積. 一般來(lái)說(shuō)，儲(chǔ)層孔隙度不應(yīng)過(guò)低，Stottlemyre[24]于1978年提出10%作為砂巖儲(chǔ)層孔隙的最小閾值. 此后研究發(fā)現(xiàn)，較低的孔隙度將可能使儲(chǔ)層中的氣-水-巖熱傳導(dǎo)接觸空間增大，加速能量散失，尤其當(dāng)孔隙度低于某一閾值后，將降低含水層結(jié)構(gòu)中的儲(chǔ)存空間，進(jìn)而在宏觀上表現(xiàn)為儲(chǔ)能規(guī)模的降低. 如Li等[11]于2019年歸納總結(jié)含水層儲(chǔ)能眾多研究中關(guān)于孔隙度的論述，將孔隙度最低閾值范圍劃定為10%~13%.

2.3 儲(chǔ)能過(guò)程中儲(chǔ)層滲流條件的變化

在含水層儲(chǔ)能的循環(huán)注采過(guò)程中，壓縮空氣與儲(chǔ)層中的原位地下水將發(fā)生往復(fù)驅(qū)替運(yùn)動(dòng). 如圖6所示，壓縮空氣進(jìn)入儲(chǔ)層孔隙介質(zhì)后，原位地下水被氣體驅(qū)替，水飽和度隨之減小，當(dāng)減小至接近水殘余飽和度時(shí)，形成殘余水并滯留于孔隙結(jié)構(gòu)中，使得孔隙介質(zhì)中的氣體不會(huì)到達(dá)飽和狀態(tài)[21]. 反之，在空氣抽取階段，水將驅(qū)替壓縮空氣，但此時(shí)孔隙介質(zhì)中亦存在少量殘余氣體[11].

圖6 氣體-水在注-采循環(huán)中的微觀驅(qū)替過(guò)程[11]Fig.6 Microscopic displacement process of water-air during the injection-production cycle[11]

孔隙度、滲透率是揭示孔隙空間特征、反映孔喉通道特征的參數(shù)，孔隙、孔喉作為儲(chǔ)層中的主要滲流空間，其大小、連通性等性質(zhì)將直接決定儲(chǔ)層中的滲流過(guò)程，而由于儲(chǔ)能過(guò)程將給目標(biāo)儲(chǔ)層帶來(lái)頻繁的物質(zhì)、能量循環(huán)，孔隙度、滲透率可能隨之發(fā)生變化. 由溫度改變引起的壓縮系數(shù)增大是導(dǎo)致巖石滲透率、孔隙度減小的重要原因之一，美國(guó)洛斯阿拉莫斯實(shí)驗(yàn)室從機(jī)械應(yīng)力角度對(duì)砂巖巖樣進(jìn)行試驗(yàn)分析，發(fā)現(xiàn)靜水壓縮與熱膨脹條件下孔隙空間明顯減小，認(rèn)為這是由于砂巖巖樣隨著溫度、壓力的增加發(fā)生致密化而導(dǎo)致的結(jié)果[41]. 更多的研究表明，在相對(duì)高溫高壓的儲(chǔ)層條件下，外界氣體參與的水-巖反應(yīng)及其所引起礦物溶解、沉淀等過(guò)程亦是儲(chǔ)層介質(zhì)微觀孔隙結(jié)構(gòu)、宏觀滲透率等改變的重要原因[40]. 例如，長(zhǎng)石砂巖中鉀長(zhǎng)石礦物(KAlSi3O8)在有CO2溶于水的情景下，可能發(fā)生水解反應(yīng)產(chǎn)生高嶺石等粘土礦物，阻塞孔喉結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致滲透率下降[42]；碳酸鹽礦物在CO2組分進(jìn)入儲(chǔ)層后可能發(fā)生完全溶解；在沉積成巖過(guò)程中廣泛產(chǎn)生的硫化物礦物活性較強(qiáng)，對(duì)深部氧化還原環(huán)境的變化較為敏感，尤其對(duì)于黃鐵礦(FeS2)而言，其在氧化條件下較易分解為硫酸鹽和氫氧化物[9]. 在Pittsfield場(chǎng)地試驗(yàn)中，太平洋西北實(shí)驗(yàn)室Erikson等[43]通過(guò)流動(dòng)循環(huán)試驗(yàn)，對(duì)動(dòng)態(tài)流動(dòng)條件下的巖石滲透率變化給出初步解釋，即滲透率變化可能與巖石小顆粒的釋放有關(guān)，疏松的小顆粒進(jìn)入孔隙喉道后將堵塞孔喉，進(jìn)而導(dǎo)致滲透率下降. 1983年，Allen等[10]對(duì)可能影響儲(chǔ)層滲透率、孔隙度的因素進(jìn)行歸納，首先提到了溫度對(duì)于硅酸鹽礦物水解反應(yīng)的影響，即較高的溫度將加快反應(yīng)速率，使得孔隙度、滲透率更易發(fā)生變化，并削弱硅-氧之間的化學(xué)聯(lián)系，導(dǎo)致裂隙產(chǎn)生. 其次，由于頻繁的熱循環(huán)，注入井附近的水可能逐漸蒸發(fā)，使地下水中的溶解組分(如CaCO3)達(dá)到飽和并沉淀，堵塞儲(chǔ)層中的小直徑孔隙、孔隙喉道.

3 儲(chǔ)層滲流條件的地球化學(xué)作用

如2.3節(jié)所述，應(yīng)力場(chǎng)、溫度場(chǎng)變化以及地球化學(xué)作用均可能導(dǎo)致儲(chǔ)層滲透性改變，盡管目前對(duì)引起CAESA儲(chǔ)層滲透性變化的地球化學(xué)過(guò)程尚無(wú)清晰描述，但Pittsfield場(chǎng)地試驗(yàn)、CO2咸水層封存[44]等相關(guān)研究經(jīng)驗(yàn)為認(rèn)識(shí)CAESA儲(chǔ)層中的地球化學(xué)作用提供了重要研究依據(jù).

3.1 CO2-水-巖反應(yīng)對(duì)儲(chǔ)層滲透性的影響

在儲(chǔ)層的溫度、壓力條件下，壓縮空氣中的重要組分CO2進(jìn)入儲(chǔ)層介質(zhì)后容易與地層水、巖石等發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，改變地層水pH并形成弱酸性流體，進(jìn)而破壞儲(chǔ)層原有的物理化學(xué)平衡狀態(tài)[45]. 一般認(rèn)為，CO2-水-巖反應(yīng)對(duì)儲(chǔ)層滲透性的影響主要通過(guò)不穩(wěn)定原生礦物溶解或次生礦物沉淀而產(chǎn)生[46]，這些地球化學(xué)反應(yīng)不僅可能影響孔隙水水質(zhì)，還將改造孔隙、孔喉微觀形態(tài)，進(jìn)而改變諸如孔隙度、滲透率等儲(chǔ)層的關(guān)鍵物理性質(zhì)參數(shù)[47]. 地球化學(xué)數(shù)值模擬是了解中長(zhǎng)期CO2-水-巖反應(yīng)及CO2儲(chǔ)存安全性的重要途徑，能夠充分彌補(bǔ)試驗(yàn)研究的長(zhǎng)時(shí)間尺度缺陷. 21世紀(jì)初以來(lái)，諸多學(xué)者通過(guò)構(gòu)建數(shù)值模型以探究CO2捕獲、儲(chǔ)蓋層CO2-水-巖反應(yīng)等關(guān)鍵問(wèn)題，White等[48]于2005年對(duì)美國(guó)科羅拉多Hunter電站附近的潛在CCS儲(chǔ)存砂巖地層進(jìn)行了CO2地球化學(xué)捕獲行為的數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)超70%的CO2能夠以溶解捕獲、礦物捕獲等方式長(zhǎng)期儲(chǔ)存于儲(chǔ)層中. 不久后Gherardi等[49]及Okuyama等[50]先后利用TOUGHREACT對(duì)砂巖、碳酸巖儲(chǔ)層中的CO2地球化學(xué)行為進(jìn)行多維度數(shù)值模擬，重點(diǎn)論述了礦物溶解、沉淀等過(guò)程對(duì)蓋層封閉性的作用. 對(duì)于高溫高壓條件下的CO2-水-巖反應(yīng)，水巖反應(yīng)試驗(yàn)亦是較為有效的研究手段. 基于相關(guān)地球化學(xué)理論基礎(chǔ)及數(shù)值模擬結(jié)論，研究者主要關(guān)注碳酸鹽巖、砂巖兩類地層介質(zhì)中的CO2-水-巖反應(yīng)過(guò)程. 例如， Farquhar等[48,51]通過(guò)高溫高壓試驗(yàn)研究證實(shí)了CO2-水-巖反應(yīng)對(duì)碳酸鹽巖儲(chǔ)層滲透性的主要影響機(jī)制，即CO2溶于地層水形成的酸性流體溶蝕碳酸鹽礦物，產(chǎn)生次級(jí)溶蝕空隙通道，最終使儲(chǔ)層介質(zhì)滲透性增加. 但CO2-水-巖之間的復(fù)雜作用在導(dǎo)致溶蝕礦物的同時(shí)，亦可能導(dǎo)致儲(chǔ)層介質(zhì)滲透性的下降，例如，Liu等[52]、Zwingmann等[53]在CO2-地層水-砂巖反應(yīng)試驗(yàn)中均發(fā)現(xiàn)了方解石、白云石、菱鐵礦等膠結(jié)礦物的形成；于志超[54]通過(guò)高溫高壓驅(qū)替試驗(yàn)研究CO2-水驅(qū)替過(guò)程中的水巖作用時(shí)亦發(fā)現(xiàn)，高嶺石等次生礦物的產(chǎn)生及碳酸鹽礦物溶解所釋放出來(lái)的黏土顆粒堵塞孔喉會(huì)導(dǎo)致巖芯滲透率下降. 李晨陽(yáng)[55]總結(jié)了CO2-水-巖體系中的主要地球化學(xué)過(guò)程(見(jiàn)表1)，發(fā)現(xiàn)砂巖、碳酸鹽巖中常見(jiàn)的原生礦物及其與CO2-地層水的地球化學(xué)反應(yīng)已經(jīng)得到了較為詳盡的研究.

表1 CO2-水-巖體系中的主要地球化學(xué)反應(yīng)過(guò)程[55]Table 1 Prominent geochemical reaction processes in the CO2-water-rock regime[55]

3.2 氧化作用對(duì)儲(chǔ)層滲透性的影響

利用含水層進(jìn)行天然氣儲(chǔ)存的成功經(jīng)驗(yàn)是CAESA概念的重要來(lái)源. 但與含水層天然氣儲(chǔ)存相比，CAESA通常具有較短的運(yùn)行周期，即相對(duì)較高的注-采頻率. 更重要的是，由于O2是空氣的主要成分，而深部含水層往往具有高溫、高壓、缺氧特點(diǎn)[55]，因此不同于氧化還原性質(zhì)較穩(wěn)定的甲烷，大量注入含有O2組分的壓縮空氣勢(shì)必頻繁擾動(dòng)儲(chǔ)層中原有氧化還原狀態(tài)，并可能導(dǎo)致原生礦物發(fā)生反應(yīng)[9]，導(dǎo)致儲(chǔ)層原有孔隙特征的變化，故氧化作用對(duì)儲(chǔ)層的影響不可忽視.

Pittsfield場(chǎng)地試驗(yàn)的氧組分監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明，儲(chǔ)層中的壓縮空氣發(fā)生了整體性的氧損失，在系統(tǒng)關(guān)井階段或遠(yuǎn)離注采井的區(qū)域，單位體積的氧組分含量下降超過(guò)15%[6]，最終導(dǎo)致了儲(chǔ)能系統(tǒng)燃燒效率受損. 此后經(jīng)分析認(rèn)為，該現(xiàn)象是由于儲(chǔ)層中的碳酸鹽礦物、硫化物礦物發(fā)生了不同程度的氧化反應(yīng)[38]. 石膏(CaSO4?H2O)是碳酸鹽礦物的氧化產(chǎn)物，其所形成的結(jié)垢沉積物將可能堵塞孔隙，進(jìn)而造成孔隙度下降，最終影響儲(chǔ)庫(kù)的儲(chǔ)集性能. 硫化物礦物的氧化反應(yīng)則是對(duì)儲(chǔ)層滲透率影響最為顯著的氧化作用過(guò)程[38]，例如，Pittsfield場(chǎng)地試驗(yàn)砂巖儲(chǔ)層中的黃鐵礦(FeS2)與O2發(fā)生反應(yīng)，當(dāng)其中存在不完全的氧化過(guò)程〔見(jiàn)式(1)(2)〕時(shí)，將導(dǎo)致硫酸亞鐵(FeSO4)及堿式硫酸鐵〔Fe(OH)SO4〕等中間產(chǎn)物的生成，并進(jìn)一步產(chǎn)生氫氧化鐵膠體及水綠礬等產(chǎn)物. 上述反應(yīng)產(chǎn)物體積膨脹至原始礦物體積的500%，嚴(yán)重?cái)D壓儲(chǔ)層介質(zhì)中原有的孔隙空間，加之其在孔隙內(nèi)部的聚集，最終造成儲(chǔ)層滲透率、孔隙度的顯著下降[9]. 同時(shí)，該過(guò)程中產(chǎn)生的膨脹應(yīng)力還會(huì)對(duì)蓋層產(chǎn)生不利影響[11].

4 結(jié)論與展望

CAESA技術(shù)發(fā)展至今，其技術(shù)理論與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)已得到極大豐富，但在系統(tǒng)效率提升、地面設(shè)備優(yōu)化、環(huán)境經(jīng)濟(jì)影響分析等制約其規(guī)?；虡I(yè)應(yīng)用的重要環(huán)節(jié)方面仍存在較大研究空間. 對(duì)于儲(chǔ)能系統(tǒng)的關(guān)鍵構(gòu)成?儲(chǔ)層而言，經(jīng)多年數(shù)值模擬推論及場(chǎng)地實(shí)踐探索，已建立了較完整的儲(chǔ)層選址指標(biāo)體系，確定了滲透率、孔隙度對(duì)儲(chǔ)能效率及規(guī)模的重要影響；已形成對(duì)儲(chǔ)層滲流條件影響儲(chǔ)能系統(tǒng)效率的階段性認(rèn)識(shí)，得到儲(chǔ)層滲透率、孔隙度的建議適宜區(qū)間；已針對(duì)引起儲(chǔ)層滲流條件變化的應(yīng)力及地球化學(xué)過(guò)程進(jìn)行了初步判斷，分析了儲(chǔ)能過(guò)程中原生礦物溶解、次生礦物沉淀及礦物氧化等關(guān)鍵地球化學(xué)過(guò)程. 但在實(shí)施規(guī)?；畬觾?chǔ)能工程的需求背景下，針對(duì)儲(chǔ)層滲流條件的研究仍有不足，對(duì)含水層中壓縮空氣儲(chǔ)存機(jī)制的認(rèn)識(shí)仍待突破，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注以下發(fā)展方向.

a) 儲(chǔ)層滲流條件研究. 儲(chǔ)層滲流條件對(duì)儲(chǔ)能效率具有決定性影響，應(yīng)從儲(chǔ)層滲流條件響應(yīng)及非均質(zhì)性影響角度入手完善對(duì)于儲(chǔ)能滲流條件認(rèn)識(shí). 就儲(chǔ)層滲流條件響應(yīng)而言，應(yīng)著眼于儲(chǔ)能過(guò)程中物質(zhì)、能量變化對(duì)儲(chǔ)層滲流條件的影響，通過(guò)設(shè)置儲(chǔ)能系統(tǒng)的注入速率、循環(huán)周期、巖性介質(zhì)等要素作為滲流條件影響變量，對(duì)比分析各變量對(duì)儲(chǔ)層滲透率、孔隙度的影響程度，以期為工程應(yīng)用提供運(yùn)行參考. 就儲(chǔ)層非均質(zhì)性而言，在進(jìn)行儲(chǔ)層非均質(zhì)性分類、評(píng)價(jià)及成因分析的同時(shí)，應(yīng)靈活運(yùn)用地質(zhì)成因分析、生產(chǎn)動(dòng)態(tài)分析、地質(zhì)勘探非均質(zhì)成像等方法分析儲(chǔ)層非均質(zhì)特征，在此基礎(chǔ)上運(yùn)用上升尺度模型等前沿方法刻畫(huà)區(qū)域尺度的空間非均質(zhì)性，模擬儲(chǔ)層滲流條件空間變異性對(duì)壓縮空氣滲流過(guò)程及儲(chǔ)能系統(tǒng)效率的影響.

b) 壓縮空氣儲(chǔ)存機(jī)制研究. 對(duì)壓縮空氣儲(chǔ)存機(jī)制的完整認(rèn)識(shí)是提升儲(chǔ)能效率、確保儲(chǔ)能安全性的基礎(chǔ)之一，其中主要包括對(duì)儲(chǔ)層中壓縮空氣動(dòng)力學(xué)、熱力學(xué)、地球化學(xué)行為的研究. 對(duì)于動(dòng)力學(xué)過(guò)程，應(yīng)重點(diǎn)以壓縮空氣-地下水的驅(qū)替過(guò)程為切入點(diǎn)，結(jié)合物理模型與數(shù)學(xué)模型，通過(guò)高溫高壓多相滲流試驗(yàn)、多相流數(shù)值模擬等研究手段分析儲(chǔ)層中壓縮空氣遷移行為，對(duì)高溫高壓條件下的氣-水驅(qū)替規(guī)律進(jìn)行定量化分析；對(duì)于熱力學(xué)過(guò)程，應(yīng)加強(qiáng)儲(chǔ)層熱循環(huán)效率的影響因素識(shí)別與分析，如通過(guò)非等溫多相流模型研究氣體溫度、儲(chǔ)層滲透性、巖石顆粒比熱等條件對(duì)儲(chǔ)能效率的影響，還可考慮與含水層熱能儲(chǔ)存等技術(shù)結(jié)合，尋求進(jìn)一步優(yōu)化儲(chǔ)能效率的突破口；對(duì)于壓縮空氣地球化學(xué)行為研究，應(yīng)充分吸納CO2地質(zhì)儲(chǔ)存、Pittsfield場(chǎng)地試驗(yàn)等已有經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)試驗(yàn)、地球化學(xué)模型等手段，關(guān)注不同含水層礦物種類在高溫高壓條件下的CO2-水-巖反應(yīng)、氧化反應(yīng)等過(guò)程，明晰地球化學(xué)過(guò)程對(duì)壓縮空氣儲(chǔ)層滲透率、孔隙度的負(fù)面效應(yīng).