盐水含水层压缩空气储能系统中气泡的界面稳定性：非均质性引起的指状结构演变

地下咸水含水层作为压缩空气储能（CAES）的替代方案，其渗透率异质性导致气水两相流不稳定，影响储能效率。研究构建了耦合气水两相流与储层变形的数值模型，引入fingering因子定量评估界面稳定性。模拟显示，水平层中渗透率比越高，fingering效应越显著；倾斜弱层中高渗透率比下小倾角促进细长指状侵入，大倾角导致主导流道和水分滞留，低渗透率比下界面更稳定。

　　

林俊贤|盛金昌|王晓琳|刘佳|王慧敏

河海大学水利水电工程学院，南京210098，中国

摘要：

由于地下咸水含水层的广泛地理分布和优异的密封性能，它们越来越被视为压缩空气储能（CAES）中盐穴的可行替代方案。然而，储层中的渗透率异质性显著干扰了气水两相流动，导致界面不稳定和指状现象，从而降低了储能效率。为了研究这些过程，开发了一个数值模型，将气水两相流动与储层变形结合起来，并引入了指状因子（F）来定量评估界面稳定性。该模型模拟了在均匀和非均匀渗透率条件下压缩空气注入过程中气泡的形成和演变。结果表明，气泡形成分为三个阶段：初始压力核心形成、快速体积膨胀和横向羽流迁移。在水平层中，指状因子（F）随渗透率比（K）显著增加，而层厚度（δ）和距井筒的距离（x）的影响相对较小。在高渗透率的倾斜弱层中，较小的倾角促进了沿层的细长、尖锐的指状侵入，而较大的倾角则促进了主导流动通道的形成并导致水相滞留。相比之下，在低渗透率的倾斜弱层中，所有倾角下的气体迁移相对均匀，从而形成了更稳定的气水界面。

引言

随着社会的快速发展和能源需求的激增，由于有限的储备和持续的消费，传统的化石燃料正在逐渐枯竭[1]。此外，化石燃料燃烧产生的大量二氧化碳排放导致了严重的环境问题，特别是全球变暖[2]、[3]、[4]。开发和利用太阳能和风能等可再生能源已成为缓解能源危机和减少环境污染的关键策略。尽管这些资源具有丰富的可用性、低环境污染和长期可持续性等显著优势，但电力生成经常与消费模式不匹配[5]、[6]、[7]。为了提高可再生能源的利用率并改善系统的可控性和灵活性，储能系统变得至关重要。在表1中列出的各种技术中，只有抽水蓄能（PHS）和压缩空气储能（CAES）能够在长时间内提供数百兆瓦级别的电力供应[8]、[9]、[10]。PHS占全球安装储能容量的大约99%，而作为第二大技术的CAES仅占0.5%[11]。尽管PHS和CAES的资本成本和往返效率相当，但PHS的部署受到水资源可用性和适宜地形条件的限制，这限制了其广泛应用。相比之下，CAES由于其地质适应性以及不断改进的技术和经济性能而展现出巨大潜力。Peng等人[12]证明，在适当的地质条件下，CAES可以实现高效的能量储存和释放。这些特点使CAES成为未来能源系统的重要组成部分。

传统CAES的主要限制是确保具有成本效益的储存空间。现有的解决方案依赖于盐穴或硬岩洞穴，但这些资源稀缺且成本高昂（约2美元/千瓦时）。因此，利用广泛分布的地下含水层进行压缩空气储能引起了人们的关注。该技术利用高压空气替换孔隙水，形成封闭的气泡作为储存库。在发电过程中，压缩气体被释放以产生电力。Liu[18]通过数学建模分析了CAESA的可行性。结果表明，在完整的循环过程中，压力和气体饱和度保持稳定，证实了含水层的适用性。Kushnir等人[19]证明含水层可以维持气水界面稳定性，并在能量释放过程中有效防止水回流。Yang等人[20]指出，CAESA相比传统的盐穴或储罐具有显著优势，实现了93-97%的能量回收效率，气体饱和度波动小于5%，并将成本降低到约0.11美元/千瓦时，而盐穴储存的成本高达2美元/千瓦时[15]、[16]、[17]、[21]。Guo等人[17]报告称，尽管CAESA经历较大的压力波动，但多孔介质的高热容量有效缓解了热波动，提高了热机械稳定性。得益于其天然的封闭性、非开挖安装和显著的成本优势，国际可再生能源机构（IRENA）认为CAES对于实现双碳目标至关重要。然而，Jia和Su[22]强调，现场测试仅验证了小规模气泡的短期可行性，而非大规模气泡（>10^5立方米）。Li等人[23]证明，压缩空气泄漏随循环次数的增加而呈指数级减少，但长期的气泡不稳定性仍然是一个高风险。因此，这项技术的可行性取决于是否能在整个注入-生产循环过程中保持稳定的气泡结构。

理想的气泡必须提供高效的体积膨胀、低泄漏和机械稳定性，这由耦合的地质-孔隙度-渗透率机制控制。该机制包括形成封闭体的宏观地质结构约束与控制流体流动的微观孔隙度和渗透率参数之间的相互作用。宏观地质结构的封闭性是主要考虑因素。高渗透率的储层为空气注入和储存提供了空间，而低渗透率的盖层则有效限制了泄漏，确保了循环效率。由于双翼结构约束，背斜已被证明是限制气体扩散的最佳地层[24]。Pittsfield现场测试首次验证了稳定含水层气泡的可行性。Sun等人[25]发现，背斜结构中的气体泄漏比水平储层低38%。断层封闭的储层比背斜结构具有30%更大的储存能力，但在循环加载下渗透率退化明显更高（背斜为40%，而水平储层为25%）[26]。针对理想地层的稀缺性，Wang和Bauer[27]指出，专用浆液可以构建人工低渗透率屏障，将水平储层的泄漏减少到自然背斜的95%。Li等人[28]探讨了在高渗透率含水层中创建人工低渗透率屏障的可行性。结果表明，注入专用浆液可以形成有效的低渗透率屏障。在微观尺度上，耦合的孔隙度-渗透率动态对储存能力和往返效率具有决定性影响。Li等人[29]证明，储层孔隙度必须超过10-13%，以避免储存能力不足。Yang等人[30]发现，最佳的气泡边缘扩散到压力损失比出现在孔隙度为12-15%和渗透率为200-400毫达西时。Tang等人[31]模拟了在不同孔隙度条件下的50天循环中的储存效率变化。随着含水层孔隙度的降低，储能效率也随之降低。

如上所述，由于沉积和成岩作用的不确定性，渗透率异质性很常见。深部地质调查的高成本和有限的分辨率迫使研究人员对宏观地质结构和微观孔隙度-渗透率参数采用理想化的参数设置，导致数值模拟具有孤立的维度或简化的耦合。尽管这种简化为气泡形成提供了理论边界和高效的基准，但它们引入了严重的潜在风险。在气水两相流动中，渗透率变化显著干扰了流体分布（类似于二氧化碳封存[32]），形成了局部流动屏障或优先流动通道。这些干扰直接破坏了气泡内的三维膨胀协调和压力平衡机制。Li等人[33]表明，在多层非均匀水平储层中，气体流动强烈依赖于渗透率异质性。优先流动路径导致含水层内的粘性指状现象，对气泡形成的空间稳定性和有效性产生了不利影响。同样，Jia和Su[22]警告说，非均匀储层中的局部高渗透率区域可能会引起气体指状现象，需要使用多阶段完井技术来抑制主导流动路径。Li等人[34]证明，对数正态分布的异质性导致不规则的指状现象，并由于高渗透率区和低渗透率区之间交织和扭曲的流动路径而放大了压力波动。2006-2011年在美国爱荷华州进行的270兆瓦CAES示范项目的失败揭示了地质异质性的破坏性影响。基于均匀渗透率参数的初始数值模拟表明经济上是可行的。然而，随后的地质勘探确认了显著的低渗透率异质区，导致储层无法达到预期的储能容量，最终导致项目终止。因此，在CAES建设之前，全面模拟和评估异质性引起的指状现象对气泡界面稳定性的影响是必要的。

基于上述文献综述，先前的研究表明，理想的地质结构（如背斜）或工程低渗透率屏障可以增强稳定性。然而，实际储层通常包含产生优先流动路径、不规则气泡生长和放大压力波动的异质渗透率分布。为了应对这些挑战并加深理解，本研究调查了异质性引起的指状现象对含水层中压缩空气储能气泡界面稳定性的影响。研究内容如下：第2节介绍了耦合气水两相流动和储层变形的控制方程。第3节描述了基于Pittsfield现场测试的几何模型、参数设置和边界条件。第4节展示了模拟结果。第4.1节揭示了气泡形成的三个阶段。第4.2节引入了指状因子（F）来量化指状现象，并分析了水平异质性对气泡形成的影响。第4.3节研究了倾斜异质性对气泡形成的影响。第5节总结了研究结果。本研究为在复杂地质条件下评估气泡稳定性提供了理论基础，并为CAES选址提供了参考。

部分摘录

数学模型

为了制定数学模型并在捕捉指状现象的关键物理特性时确保数值收敛，基于模拟含水层的控制方程和物理条件，做出了以下假设：

• (a)
  假设压缩空气的注入和储存过程是等温的（T = 293.15 K）。忽略了气体与固体基质之间的热交换，以专注于水力-机械耦合和界面不稳定性。
• (b)
  空气和盐水被视为

建模设置

为了评估水饱和砂岩含水层中压缩空气储能（CAES）的可行性，美国能源部（DOE）和电力研究所（EPRI）于1981年至1983年在伊利诺伊州Pike县的Pittsfield进行了现场测试，如图1所示。目标储层由大约69米厚的砂岩组成，上面覆盖着足够厚且密封性良好的盖层，能够在整个测试周期内稳定地封闭压缩空气[35]。

气泡形成过程

为了研究咸水含水层中压缩空气气泡的形成，我们在多个时间步骤提取了气体饱和度分布，以可视化气泡形态的时空演变。在2D储层模型的关键位置放置了监测点（图3）：沿垂直方向的A-D点和沿水平方向的A、E-G点。这些点用于跟踪气体饱和度和压力的时间变化。

结论

本研究开发了一个耦合的两相流动和地质力学模型，系统地研究了咸水含水层中压缩空气储能（CAESA）过程中气泡的形成机制。研究了渗透率异质性对气水界面稳定性和指状行为的影响。数值模拟表明，地质异质性控制了气泡的形成。主要结论如下：

气泡形成分为三个阶段

CRediT作者贡献声明

王慧敏：写作——审稿与编辑，方法论。刘佳：形式分析，数据管理。王晓琳：写作——审稿与编辑。盛金昌：监督，调查。林俊贤：原始草稿写作

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的财务利益或个人关系。

致谢

作者感谢国家自然科学基金在Grant No. 42202286和No. 42372296下的财政支持，以及中国博士后科学基金在Grant No. 2023M730916下的支持。