注浆改造含水层压缩空气储能孔隙介质渗流特性机理研究

Compressed air energy storage in aquifers is considered as a potential large-scale energy storage technology, which use available aquifers as the storage space. However, because of the large high-pressure air loss occurring in the high-permeability aquifers , the effective aquifer altered methods need to be studied. In the project, the scientific problems involved in non-isothermal multi-component multi-phase flow will be studied for the application of injecting grout to build a low-permeability boundary in high-permeability aquifers. The air-grout displacement test, CT scan and gas-liquid two phase flow test will be used to analyze the diffusion process of grout displacement by air in the porous media and the impact of grout solidification on the porous media under disturbed pressure. The diffusion model of grout displacement by air and the coupling model of flow pressure-grout solidification-porous media evolution will be built to develop an air-grout-water three component, two phase and non-isothermal flow process numerical simulator based TOUGH2 framework. The numerical simulation will be adopted to study evolution process, low permeability boundary stability and influence factors considering building the aquifer storage space by injecting grout and a scientific and reasonable design scheme will be proposed. The research results not only have important theoretical significance for understanding the air-grout-water flow process, but also have great application value for accelerating the development of compressed air energy storage in aquifers.

含水层压缩空气储能是一种将良好性质含水层作为储能空间的大规模储能技术，具有广阔应用前景。然而，当利用高渗透含水层时存在高压气体大量损失的问题，需要对有效的改造含水层方法进行研究。本项目旨在提出通过注浆在高渗透孔隙介质含水层中建立低渗边界的方法，并解决系统建立过程中涉及的空气-浆液-水非等温多组分多相渗流科学问题。采用驱替试验可视化含水孔隙介质中空气驱替浆液的渗流扩散过程，并利用CT扫描和气-液两相渗流试验开展浆液凝结后的孔隙宏细观渗流特性分析，建立含水层空气驱替浆液两相流渗流扩散模型及渗流压力作用下孔隙介质浆液凝结体渗流特性演化模型；开发基于TOUGH2的空气-浆液-水三组分两相流非等温数值模拟程序，分析注浆优化含水层储能空间中多组分多相流运动过程、系统稳定性和主控因素，优化提出科学合理的设计方案。研究成果对我国推广含水层压缩空气储能技术具有重要的理论意义和应用价值。

含水层压缩空气储能是一种有潜力的利用含水层孔隙介质空间的大规模储能技术。通过注浆形成良好的低渗透边界条件能够使无边界的储层形成合适的封闭空间，其中浆液凝固-水-空气的多相渗流过程是该技术实现的基础性问题。本项目采用室内试验、理论分析和数值模拟结合的方法，重点研究了不同浆液流型的影响特征，建立基于浆液流型的浆液-水渗流模型，研究了浆液固结体在水驱替下的孔隙结构变化特征和不同围压及注水下的渗透性变化，建立了对应的模拟方法，证实了注浆建造边界的可行性、影响因素和地下过程水-热力学分析。取得的重要成果包括：（1）获得了不同流型的浆液主要特征和其粘度、凝固时间和流动性的影响因素，建立了注水驱替浆液扩散的模型；（2）开展了浆液凝固体在动水情况下的孔隙结构微观形态溶蚀分析，并利用多相渗流实验系统解析了不同围压下和注水速率下的岩石渗透率的变化特征，提出了在注浆建造边界和长期运行过程中，需要考虑边界的稳定性和储层中由于渗透压和围压循环变换下孔渗性能的改变。（3）搭建了浆液-水-气模拟软件平台，证实了不同流型浆液形成边界的过程和影响因素。（4）分析了在边界存在下，非均质性对压缩空气储能地下影响和不同井型下的储能和地热的相互作用提高效率的办法；（5）提出了一套含水层压缩空气储能的选址评价方法，评价发现我国多数沉积盆地具有注浆建造边界发展含水层压缩空气储能潜力，同时对CO2代替空气进行含水层储能开展了对比分析。项目研究成果对含水层压缩空气储能的多相渗流理论以及储层改造技术和应用优化过程提供了重要的理论和应用价值。研究期间发表论文8篇，其中被SCI检索7篇，申请中的发明专利2项，培养硕士研究生5名。