油氣田壓裂返排液中污染氣體濃度及擴(kuò)散模型研究

關(guān)鍵詞：延安油氣田；壓裂返排液；污染氣體濃度；點(diǎn)一線一面源；擴(kuò)散模型

中圖分類號：X511 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

前言

隨著科技和工業(yè)的快速發(fā)展，環(huán)境的開發(fā)與利用均從廣度上與深度上呈指數(shù)遞增。因不合理的工業(yè)布局和過快的城鎮(zhèn)化進(jìn)程等引發(fā)的環(huán)境污染問題日漸顯著，嚴(yán)重威脅著社會的長遠(yuǎn)發(fā)展?？諝庵械奈廴練怏w排放量達(dá)到一定濃度，嚴(yán)重?fù)p害人類和動植物健康。在油氣領(lǐng)域中，污染氣體的排放問題較為嚴(yán)重。為緩解油氣能源危機(jī)，油氣工業(yè)普遍采取壓裂作業(yè)技術(shù)進(jìn)行勘探開采。壓裂作業(yè)后返排到地上的壓裂廢液中含有大量的污染氣體，影響區(qū)域空氣質(zhì)量。為此，對污染氣體進(jìn)行研究具有重要的研究價(jià)值。

關(guān)于污染氣體的研究工作相繼開展，但大多數(shù)集中在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域。魏佳欣等通過動態(tài)箱手段，取得氨氣、甲烷等污染氣體的排放量，以找到減排效果顯著的沼液覆蓋材料。李旺旺等利用設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)室規(guī)模系統(tǒng)，，以取得能夠有效減排污染氣體的堆肥處理藥劑。顧沈怡等針對畜禽糞便堆肥排放的活性氮污染氣體，以實(shí)現(xiàn)高效保氮，畜禽糞便高效資源化。然而上述方法在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的系統(tǒng)中進(jìn)行，而真實(shí)的廢棄物處理場景通常更為復(fù)雜，無法反映實(shí)際場景中的效果。

為此，研究油氣田壓裂返排液中污染氣體濃度及擴(kuò)散模型。對主要揮發(fā)性有機(jī)物成分進(jìn)行定量測定。從點(diǎn)源、線源、面源擴(kuò)散模式出發(fā)，建立污染氣體擴(kuò)散模型。

1研究區(qū)域概況介紹

延安油氣田地處鄂爾多斯盆地的伊陜斜坡東南部，屬于華北地臺西部。油氣田構(gòu)造平緩，坡度不足10，包含五個一級構(gòu)造單元，分別是天環(huán)坳陷、渭北隆起、晉西撓褶帶、伊陜斜坡和伊盟隆起，含氣層位主要以上石炭統(tǒng)本溪組、上古生界中二疊統(tǒng)石盒子組、下二疊統(tǒng)山西組為主，儲層類型為特低孔、特低滲致密類，孔隙度、滲透率等物理屬性的數(shù)值范圍分別是3.4%～10.5%、0.07mD～0.42mD。該油氣田井區(qū)主要有延2、延128、延145，各井區(qū)的生產(chǎn)井分別有227口、210口、103口，屬于混合型井網(wǎng)模式。其中，直井型生產(chǎn)井占比為51.85%，側(cè)鉆型為14.81%，定向型與水平型分別為31.11%和2.22%。選取含氣層系較為復(fù)雜且跨度較大的區(qū)域作為研究目標(biāo)，分析進(jìn)行壓裂作業(yè)后返排液中的污染氣體濃度及擴(kuò)散形式。

2方法設(shè)計(jì)

2.1污染氣體樣本采集與分析

在延安油氣田內(nèi)，選取盒8段+山1段+山2段+本溪組作為氣體樣本采集區(qū)域。污染氣體樣本采集步驟為：

（1）為了不影響分析精度，保證污染氣體樣本質(zhì)量，連接清洗儀和蘇瑪罐，真空處理兩分鐘，持續(xù)一分鐘灌人高純氮?dú)?。重?fù)數(shù)次操作，并保證蘇瑪罐中的污染氣體在揮發(fā)性有機(jī)物方法的檢出限之內(nèi)。

（2）在10處采集地點(diǎn)，通過瞬時采樣方式，在大氣壓強(qiáng)的作用下，將空氣樣本在蘇瑪罐閥門打開的瞬間吸人蘇瑪罐中，完成污染氣體樣本采集。污染氣體樣本采集區(qū)域10處采集地點(diǎn)見圖1。

（3）從當(dāng)月12日6點(diǎn)，連續(xù)采集12次，采集時間間隔為兩小時，標(biāo)記好各樣本的采集地點(diǎn)后，帶回實(shí)驗(yàn)室以待研究。

在進(jìn)行污染氣體分析時，根據(jù)To-15與臭氧前體混合物的環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)氣，明確污染氣體樣本中的揮發(fā)性有機(jī)物成分，由此分析污染氣體濃度。

在采集和分析從返排液揮發(fā)至空氣中污染氣體樣本的過程中，所使用的儀器與試劑包括：V-true Sampler 200型多通道蘇瑪罐采樣器，CC08型全自動蘇瑪罐清洗儀，ZJH-600型帶溢流閥羅茨真空泵，7200型大氣預(yù)濃縮儀，To-15型臭氧前體混合物（環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)氣），99.999%（5N）純度的高純氮?dú)狻?/p>

3結(jié)果與分析

3.1污染氣體成分測定

研究區(qū)域中的油氣田壓裂返排液中污染氣體樣本中含有烷烴、烯烴、氧化物等幾大類揮發(fā)性有機(jī)物成分。其中，檢出率較大的前幾種污染成分分別是甲烷、丙烷、戊烷、丙烯、一氧化碳、二氧化硫污染物。對于不同的污染氣體成分，使用MATLAB進(jìn)行污染氣體擴(kuò)散模型仿真實(shí)驗(yàn)。建立相應(yīng)的方程和算法。根據(jù)參數(shù)輸入和初始條件，實(shí)現(xiàn)污染氣體濃度與擴(kuò)散過程的模擬。

3.2污染氣體的不同成分濃度

根據(jù)連續(xù)12次的污染氣體分析結(jié)果，獲取各污染成分濃度，不同污染成分的日排放濃度示意圖見圖2。

3.3污染氣體擴(kuò)散形式

利用擴(kuò)散模型描述六種污染成分的擴(kuò)散分布形式，已知試驗(yàn)活動當(dāng)天的風(fēng)向?yàn)槲鞅憋L(fēng)，下風(fēng)口方向?yàn)闁|南向；點(diǎn)（0，0）表示返排池中心。由此可見，返排液中的污染氣體一旦排出，就會在風(fēng)速、風(fēng)力、大氣穩(wěn)定度等因素的影響下，迅速從排放點(diǎn)擴(kuò)散至下風(fēng)口方向，即從點(diǎn)（0，0）以點(diǎn)源、線源、面源等形式向點(diǎn)（100，100）方向擴(kuò)散。污染氣體擴(kuò)散示意圖見圖3。

綜合圖3中的各污染成分的濃度變化趨勢可以看出，擴(kuò)散過程具有一定的規(guī)律性。各污染成分的最大濃度均位于返排池上方，分別是843.45mg/m³、4.52mg/m³、15.88mg/m³、34.59mg/m³、0.63mg/m³、4.66mg/m³。污染氣體濃度隨風(fēng)向以不同程度向下風(fēng)口處遞減，呈現(xiàn)出不同位置、不同時間下氣體樣本污染成分濃度不同的情況，從而準(zhǔn)確描述出污染氣體的擴(kuò)散分布模式。結(jié)合各污染成分密度后發(fā)現(xiàn)，密度較小的丙烯、一氧化碳、二氧化硫三種污染成分?jǐn)U散時的濃度削減程度相較于密度較大的烷烴類揮發(fā)性有機(jī)物成分更弱，擴(kuò)散至下風(fēng)口處的氣體濃度更高，符合客觀事實(shí)和科學(xué)規(guī)律。

4結(jié)束語

油氣田低滲透性油層的開發(fā)是提高石油、天然氣等能源產(chǎn)量的主要途徑，但返排液中有害氣體的逸散，會加劇污染。為確保環(huán)境與經(jīng)濟(jì)的平衡，研究油氣田壓裂返排液中污染氣體濃度及擴(kuò)散模型，促進(jìn)油氣田可持續(xù)開發(fā)利用。針對延安油氣田壓裂返排液中含有的污染氣體，分別設(shè)計(jì)出氣體樣本采集、處理、分析與測定的流程，及以湍流擴(kuò)散和濃度梯度擴(kuò)散相關(guān)性為依據(jù)的擴(kuò)散模型。根據(jù)擴(kuò)散分布形式可知，研究區(qū)域的污染氣體濃度多于午間達(dá)到峰值，且日間多高于夜間，受人類社會活動活躍度影響較大。氣體從返排液排出后，在風(fēng)力等因素的影響下，迅速從排放點(diǎn)擴(kuò)散至下風(fēng)口方向，呈現(xiàn)出返排池處濃度最高，以不同程度向下風(fēng)口處遞減的擴(kuò)散分布模式。