油頁巖注熱生產期內污染物遷移規律研究

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，有助于開發區防滲帷幕的設計及優化。【方法】利用數值軟件分析了油頁巖注熱生產期內污染物沿各方向的遷移規律。【結果】油頁巖生產期內，污染物污染范圍隨注熱時間逐漸擴大，污染物沿水平方向擴散更為明顯；污染物水平方向上濃度峰值出現在距生產井6 m范圍內，豎直方向上濃度峰值出現在油頁巖礦層與頂底板交界處。【結論】污染物生產期間擴散運移規律為防滲帷幕的設計提供了參考。

關鍵詞：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? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標志碼： 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質的高灰分的固體可燃有機礦產［1-2］。油頁巖內部有機質經過低溫干餾可以生成頁巖氣、頁巖油和固體殘渣等，經過進一步加工制成汽油、柴油等工業燃料，因此，油頁巖開采具有重要的戰略意義［1］。MTI技術作為一種原位改性流體化采礦技術具有諸多優勢，但是熱解后的油氣產物在運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域的封閉保護非常有效。因此，研究油頁巖注熱生產期污染物遷移規律對防滲帷幕參數設計至關重要。

目前，國內外學者關于油頁巖開發利用對環境的影響做了大量研究。Raukas等［3］對愛沙尼亞油頁巖開發利用過程中的環境問題進行了研究，結果顯示，開發過程中的地下水水質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、工藝水和泥污等進行跟蹤觀測和檢測，證明油頁巖開發對環境產生了破壞，油頁巖地下干餾過程中產生的油氣、廢渣及帶有苯和酚化學物質的水都可能沿礦層裂隙通道滲入含水層，類似的環境問題也發生在廣東茂名市油頁巖產區。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環境評價指標體系。邱淑偉［8］研究了油頁巖原位開采對地下水化學特征的影響，從物源分析、污染物進入地下水途徑、污染物釋放規律及遷移轉化等方面進行了探討。以上可以看出，上述研究多針對油頁巖開采對地下水環境的影響及環境評價系統的建立，針對原位開采防滲帷幕設計的研究較少，防滲帷幕設計的參數選取及方案優化缺乏理論指導。研究油頁巖注熱生產期內污染物沿水平方向和豎直方向上的遷移規律，為防滲帷幕的設計提供技術支撐。

1 油頁巖注熱開采污染物遷移規律的數值模擬

1.1 模型建立

在承德御道口油頁巖原位開采潛力區應用MTI技術，試驗區油頁巖礦層厚度20 m（埋深-200 m），頂底板為泥巖（厚15 m）和泥質砂巖（厚20 m）。在試驗區設計油頁巖注熱開采的一注一采生產系統，注熱井和生產井間距為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，生產井連通大氣取0.1 MPa；內部初始孔隙壓為0.1 MPa，頂底板邊界設為不滲透；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 參數選取

模型中油頁巖、泥巖和泥質砂巖的常溫物理力學參數和熱物性參數見表1，參數來源于文獻資料［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期2.5 a內污染物在油頁巖頂底板及生產井周圍地層內的遷移規律，其中油頁巖（厚20 m）位于泥巖、泥質砂巖互層中，如圖2所示。

防滲帷幕的設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（90 m×90 m）和非注熱區（生產井外延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井井周水平方向上的遷移規律，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 模擬結果與討論

2.1 油頁巖注熱生產期污染物沿水平方向遷移規律

圖3為油頁巖注熱生產期內水平方向（生產井外延300 m范圍）污染物濃度變化。注熱生產期內，注熱井與生產井之間存在較大壓差（4.9 MPa），高溫水蒸氣在壓差驅動下快速流動，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）。

生產期內污染物污染范圍隨注熱時間逐漸擴大。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，擴散速度約為26.5 m/a。可以看出，油頁巖注熱生產期內，有機質在高溫下發生熱解，一部分反應物隨過熱蒸汽流體進入生產井而排出，另一部分反應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散作用愈發明顯，如果不建立有效的防滲帷幕，污染物極有可能污染地下水，隨之帶來嚴重的環境問題。

油頁巖礦層區域為油頁巖注熱生產期間污染物的主要聚集區域。比較圖3（a）及圖3（b），當注熱時間為2 a時，油頁巖礦層中線上污染物峰值濃度出現在距離生產井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在距離生產井4.3 m處，峰值濃度為0.51 mol/m3，這說明泥巖及泥質砂巖可以作為油頁巖熱解污染物的天然防滲帷幕。

2.2 油頁巖注熱生產期污染物沿豎直方向遷移規律

圖4為油頁巖注熱生產期內垂直方向（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不均勻性。可以認為，越靠近生產井，油頁巖礦層內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，當注熱開采0.5 a時，污染物遷移至底板3 m，當注熱開采2.5 a時，污染物遷移至底板12.7 m。

3 結論

基于油頁巖注熱開采的一注一采生產系統模型，研究了油頁巖注熱生產期內污染物沿水平方向和豎直方向上的遷移規律，主要結論如下。

①油頁巖生產期內，污染物污染范圍隨注熱時間逐漸擴大，污染物沿水平方向擴散更為明顯。污染物水平方向上的擴散速度約為26.5 m/a，為豎直方向上擴散速度的5.5倍。生產期間，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底板方向大。

②油頁巖生產期內，污染物水平方向上濃度峰值出現在距生產井6 m范圍內，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在油頁巖礦層與頂底板交界處。油頁巖礦層是油頁巖熱解污染物的主要聚集區，越靠近生產井的礦層內污染物濃度隨時間變化越明顯。

參考文獻：

［1］趙陽升，梁衛國，馮子軍. 原位改性流體化采礦導論［M］. 北京：科學出版社，2019.

［2］董付科. 油頁巖原位注熱開采污染物遷移規律的研究［D］. 太原：太原理工大學，2019.

［3］RAUKAS A，PUNNING J M. Environmental problems in the Estonian oil shale industry［J］. Energy & Environmental Science，2009，2 （7）：723-728.

［4］REINSALU E，VALGMA I，et al. Technogenic water in closed oil shale mines［J］. Oil Shale，2006，23 （1）：15-29.

［5］PERENCE R，PUNNING J M，REINSALU E. Water problems connected with oil shale mining in North-East Estonia［J］. Oil Shale，2006，23（3）：228-235.

［6］ROOTS O，SUURSAAR，POPOV V，et al. Hazardous substances in the water，biota and sediments of the North Estonian coastal sea［J］. Wit Transactions on Ecology & the Environment，2010，132：79-90.

［7］楊萌堯. 油頁巖不同開發方式生態環境影響評價研究［D］. 長春：吉林大學，2012.

［8］邱淑偉. 油頁巖原位開采對地下水化學特征的影響實驗研究［D］. 長春：吉林大學，2016.