油頁巖注熱生產(chǎn)期內(nèi)污染物遷移規(guī)律研究

董付科 于潔清 曹磊 周長冰

摘 要：【目的】防止油頁巖注熱開采過程中污染物污染臨近的含水層，有助于開發(fā)區(qū)防滲帷幕的設(shè)計及優(yōu)化?！痉椒ā坷脭?shù)值軟件分析了油頁巖注熱生產(chǎn)期內(nèi)污染物沿各方向的遷移規(guī)律?！窘Y(jié)果】油頁巖生產(chǎn)期內(nèi)，污染物污染范圍隨注熱時間逐漸擴(kuò)大，污染物沿水平方向擴(kuò)散更為明顯；污染物水平方向上濃度峰值出現(xiàn)在距生產(chǎn)井6 m范圍內(nèi)，豎直方向上濃度峰值出現(xiàn)在油頁巖礦層與頂?shù)装褰唤缣?。【結(jié)論】污染物生產(chǎn)期間擴(kuò)散運(yùn)移規(guī)律為防滲帷幕的設(shè)計提供了參考。

關(guān)鍵詞：油頁巖；原位改性；流體化采礦；污染物遷移；防滲帷幕

中圖分類號：TD83；X131? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1003-5168（2023）06-0095-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2023.06.019

Study on Pollutant Migration Law of Oil Shale During Heat Injection Production Period

DONG Fuke1? ?YU Jieqing1? ?CAO Lei1? ?ZHOU Changbing2

（1.Department of Geology and Engineering Investigation，Hebei Vocational l College of Geology， Shijiazhuang? 050081， China; 2.School of Civil Engineering， Shaoxing University， Shaoxing 330600 ，China）

Abstract： [Purposes] In order to prevent pollutants from contaminating adjacent aquifers during hot injection mining of oil shale， which is benefical to design and optimize anti-seepage curtain of the development zone. [Methods] Numerical software is used to analyze the migration rule of pollutants along all directions during the oil shale thermal injection production period and shutdown period. [Findings] During the oil shale production period， the pollutant pollution range gradually expands with the thermal injection time， and the pollutant diffusion along the horizontal direction is more obvious; The peak concentration of pollutants in the horizontal direction appears within 6 m from the production well， and the peak concentration in the vertical direction appears at the junction of the oil shale seam and the roof and floor. [Conclusions] The law of diffusion and migration of pollutants provides reference for the design of anti-seepage curtain.

Keywords： oil shale; in situ modification; fluidized mining; pollutant migration; anti-seepage curtain

0 引言

油頁巖是一種富含有機(jī)質(zhì)的高灰分的固體可燃有機(jī)礦產(chǎn)［1-2］。油頁巖內(nèi)部有機(jī)質(zhì)經(jīng)過低溫干餾可以生成頁巖氣、頁巖油和固體殘渣等，經(jīng)過進(jìn)一步加工制成汽油、柴油等工業(yè)燃料，因此，油頁巖開采具有重要的戰(zhàn)略意義［1］。MTI技術(shù)作為一種原位改性流體化采礦技術(shù)具有諸多優(yōu)勢，但是熱解后的油氣產(chǎn)物在運(yùn)移過程中可能會污染臨近含水層，對地下水資源存在潛在破壞危害。防滲帷幕是通過注漿等手段建立的一種人工封隔層，對油頁巖原位開采區(qū)域的封閉保護(hù)非常有效。因此，研究油頁巖注熱生產(chǎn)期污染物遷移規(guī)律對防滲帷幕參數(shù)設(shè)計至關(guān)重要。

目前，國內(nèi)外學(xué)者關(guān)于油頁巖開發(fā)利用對環(huán)境的影響做了大量研究。Raukas等［3］對愛沙尼亞油頁巖開發(fā)利用過程中的環(huán)境問題進(jìn)行了研究，結(jié)果顯示，開發(fā)過程中的地下水水質(zhì)和地下水平衡遭到破壞。此外Reinsalu等［4］、Perence等［5］、Roots等［6］對愛沙尼亞油頁巖礦井的地表水、工藝水和泥污等進(jìn)行跟蹤觀測和檢測，證明油頁巖開發(fā)對環(huán)境產(chǎn)生了破壞，油頁巖地下干餾過程中產(chǎn)生的油氣、廢渣及帶有苯和酚化學(xué)物質(zhì)的水都可能沿礦層裂隙通道滲入含水層，類似的環(huán)境問題也發(fā)生在廣東茂名市油頁巖產(chǎn)區(qū)。楊萌堯［7］比較了油頁巖地表干餾及井下原位開采條件下生態(tài)環(huán)境評價指標(biāo)體系。邱淑偉［8］研究了油頁巖原位開采對地下水化學(xué)特征的影響，從物源分析、污染物進(jìn)入地下水途徑、污染物釋放規(guī)律及遷移轉(zhuǎn)化等方面進(jìn)行了探討。以上可以看出，上述研究多針對油頁巖開采對地下水環(huán)境的影響及環(huán)境評價系統(tǒng)的建立，針對原位開采防滲帷幕設(shè)計的研究較少，防滲帷幕設(shè)計的參數(shù)選取及方案優(yōu)化缺乏理論指導(dǎo)。研究油頁巖注熱生產(chǎn)期內(nèi)污染物沿水平方向和豎直方向上的遷移規(guī)律，為防滲帷幕的設(shè)計提供技術(shù)支撐。

1 油頁巖注熱開采污染物遷移規(guī)律的數(shù)值模擬

1.1 模型建立

在承德御道口油頁巖原位開采潛力區(qū)應(yīng)用MTI技術(shù)，試驗區(qū)油頁巖礦層厚度20 m（埋深-200 m），頂?shù)装鍨槟鄮r（厚15 m）和泥質(zhì)砂巖（厚20 m）。在試驗區(qū)設(shè)計油頁巖注熱開采的一注一采生產(chǎn)系統(tǒng)，注熱井和生產(chǎn)井間距為90 m，如圖1所示。

邊界條件和初始條件：①模型上邊界考慮自重應(yīng)力（5 MPa），模型左右給定邊界位移為0；②注熱井壓力恒定為3 MPa，生產(chǎn)井連通大氣取0.1 MPa；內(nèi)部初始孔隙壓為0.1 MPa，頂?shù)装暹吔缭O(shè)為不滲透；③初始地層溫度為20 ℃，注熱井初始溫度為600 ℃，模型四周為絕熱邊界；④污染物初始濃度為0 mol/m3，流入濃度為0 mol/m3。

1.2 參數(shù)選取

模型中油頁巖、泥巖和泥質(zhì)砂巖的常溫物理力學(xué)參數(shù)和熱物性參數(shù)見表1，參數(shù)來源于文獻(xiàn)資料［2］。

1.3 計算方案及測線布置

本研究模擬油頁巖注熱開采生產(chǎn)期2.5 a內(nèi)污染物在油頁巖頂?shù)装寮吧a(chǎn)井周圍地層內(nèi)的遷移規(guī)律，其中油頁巖（厚20 m）位于泥巖、泥質(zhì)砂巖互層中，如圖2所示。

防滲帷幕的設(shè)計需要綜合考慮油頁巖熱解污染物在水平及豎直方向上的遷移距離，因此，取注熱區(qū)（90 m×90 m）和非注熱區(qū)（生產(chǎn)井外延300 m）為研究對象建立模型，在模型中布置5條水平測線研究污染物在生產(chǎn)井井周水平方向上的遷移規(guī)律，測線分別為B1（油頁巖礦層中線）、B2（油頁巖與泥巖交界線）、B3（油頁巖底板5 m線）和B4（油頁巖底板10 m線）；在模型中布置4條豎直測線研究污染物在兩井間豎直方向上的遷移規(guī)律，測線分別為A1（距注熱井15 m）、A2（距注熱井30 m）、A3（距注熱井45 m）和A4（距注熱井60 m）。

2 模擬結(jié)果與討論

2.1 油頁巖注熱生產(chǎn)期污染物沿水平方向遷移規(guī)律

圖3為油頁巖注熱生產(chǎn)期內(nèi)水平方向（生產(chǎn)井外延300 m范圍）污染物濃度變化。注熱生產(chǎn)期內(nèi)，注熱井與生產(chǎn)井之間存在較大壓差（4.9 MPa），高溫水蒸氣在壓差驅(qū)動下快速流動，在對流作用下污染物向周圍巖體遷移。由圖3（a）可知，隨著注熱時間延長，油頁巖礦層中線上的污染物峰值濃度從0.1 mol/m3（0.5 a）增大至36.2 mol/m3（2.5 a），同時，污染物峰值范圍逐年外移至6 m（2.5 a）。

生產(chǎn)期內(nèi)污染物污染范圍隨注熱時間逐漸擴(kuò)大。2.5 a時污染范圍的水平距離約為55 m，為0.5 a污染范圍水平距離2 m的27.5倍，擴(kuò)散速度約為26.5 m/a?？梢钥闯?，油頁巖注熱生產(chǎn)期內(nèi)，有機(jī)質(zhì)在高溫下發(fā)生熱解，一部分反應(yīng)物隨過熱蒸汽流體進(jìn)入生產(chǎn)井而排出，另一部分反應(yīng)物殘留在油頁巖孔隙中形成污染物。隨著污染物不斷生成并積累，污染物隨高溫蒸汽滲流及擴(kuò)散作用愈發(fā)明顯，如果不建立有效的防滲帷幕，污染物極有可能污染地下水，隨之帶來嚴(yán)重的環(huán)境問題。

油頁巖礦層區(qū)域為油頁巖注熱生產(chǎn)期間污染物的主要聚集區(qū)域。比較圖3（a）及圖3（b），當(dāng)注熱時間為2 a時，油頁巖礦層中線上污染物峰值濃度出現(xiàn)在距離生產(chǎn)井5.4 m處，峰值濃度為27.7 mol/m3，相較而言，油頁巖底板5 m線上污染物峰值濃度出現(xiàn)在距離生產(chǎn)井4.3 m處，峰值濃度為0.51 mol/m3，這說明泥巖及泥質(zhì)砂巖可以作為油頁巖熱解污染物的天然防滲帷幕。

2.2 油頁巖注熱生產(chǎn)期污染物沿豎直方向遷移規(guī)律

圖4為油頁巖注熱生產(chǎn)期內(nèi)垂直方向（距離注熱井15 m和60 m）污染物濃度變化。如圖4（a）所示，油頁巖礦層距注熱井15 m處污染物濃度約為2 mol/m3，濃度隨注熱時間并無明顯變化。如圖4（b）所示，油頁巖礦層距注熱井60 m處污染物差異明顯，污染物濃度隨著注熱時間明顯增大，由均值2.2 mol/m3（0.5 a）增大至均值6 mol/m3（2.5 a），且污染物濃度在垂直方向呈現(xiàn)不均勻性?？梢哉J(rèn)為，越靠近生產(chǎn)井，油頁巖礦層內(nèi)污染物濃度隨時間變化越明顯。

如圖4（a）所示，污染物豎直方向濃度峰值出現(xiàn)在油頁巖礦層與泥巖交界處。交界處的峰值濃度隨著注熱時間增大而增大，下交界處的峰值濃度增長速率較上交界處大。污染物在豎直方向上的遷移速度約為4.85 m/a，當(dāng)注熱開采0.5 a時，污染物遷移至底板3 m，當(dāng)注熱開采2.5 a時，污染物遷移至底板12.7 m。

3 結(jié)論

基于油頁巖注熱開采的一注一采生產(chǎn)系統(tǒng)模型，研究了油頁巖注熱生產(chǎn)期內(nèi)污染物沿水平方向和豎直方向上的遷移規(guī)律，主要結(jié)論如下。

①油頁巖生產(chǎn)期內(nèi)，污染物污染范圍隨注熱時間逐漸擴(kuò)大，污染物沿水平方向擴(kuò)散更為明顯。污染物水平方向上的擴(kuò)散速度約為26.5 m/a，為豎直方向上擴(kuò)散速度的5.5倍。生產(chǎn)期間，污染物在注熱蒸汽壓力作用下，沿水平方向遷移的速度較頂?shù)装宸较虼蟆?/p>

②油頁巖生產(chǎn)期內(nèi)，污染物水平方向上濃度峰值出現(xiàn)在距生產(chǎn)井6 m范圍內(nèi)，且峰值濃度及濃度峰值范圍隨注熱時間延長而增大。污染物豎直方向上的濃度峰值出現(xiàn)在油頁巖礦層與頂?shù)装褰唤缣?。油頁巖礦層是油頁巖熱解污染物的主要聚集區(qū)，越靠近生產(chǎn)井的礦層內(nèi)污染物濃度隨時間變化越明顯。

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