低滲污染地層氣液驅(qū)動(dòng)原位壓裂增滲技術(shù)與設(shè)備

侯冰，崔壯，張豐收，徐泉，馮世進(jìn)，陳宏信，紀(jì)東奇

1 中國(guó)石油大學(xué)(北京)克拉瑪依校區(qū)石油學(xué)院，新疆克拉瑪依 834000

2 中國(guó)石油大學(xué)(北京)油氣資源與工程全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102249

3 同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院，上海 200092

4 中國(guó)石油大學(xué)(北京)新能源與材料學(xué)院，北京 102249

5 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)能源學(xué)院，北京 100083

0 引言

土壤是人類生存的基礎(chǔ)，關(guān)系到國(guó)家未來可持續(xù)發(fā)展進(jìn)程[1]，但是我國(guó)土地受工業(yè)污染現(xiàn)象十分嚴(yán)重，導(dǎo)致人類生存環(huán)境急劇惡化，因此國(guó)家在“十四五規(guī)劃建議”中提出環(huán)境修復(fù)將是我國(guó)未來環(huán)保產(chǎn)業(yè)的主要方向。環(huán)境修復(fù)主要關(guān)注污染場(chǎng)地、地下水和空氣質(zhì)量的修復(fù)，而低滲污染場(chǎng)地修復(fù)問題最為突出[2]，孔隙小、滲透性差的低滲污染場(chǎng)地亟待高效快速修復(fù)。美國(guó)環(huán)境保護(hù)署 (EPA) 指出美國(guó)大約有60 萬hm2低滲污染場(chǎng)地需要采取緊急補(bǔ)救措施[3]，而根據(jù)生態(tài)環(huán)境部調(diào)研中國(guó)大約有50%的低滲污染場(chǎng)地需要采取有效修復(fù)措施[4]。低滲污染地層修復(fù)技術(shù)主要包括原位修復(fù)和異位修復(fù)，原位修復(fù)是指對(duì)原始位置的污染物直接進(jìn)行土壤修復(fù)，該技術(shù)旨在從土壤中去除或者中和污染物而不移動(dòng)土壤本身，異位修復(fù)是指利用清潔的土壤置換被污染的土壤，以稀釋污染物的濃度，提高土壤的環(huán)境容量，從而對(duì)土壤進(jìn)行修復(fù)[5-7]。

目前美國(guó)針對(duì)低滲污染場(chǎng)地主要采用異位修復(fù)和水壓致裂修復(fù)技術(shù)[8]，但是異位修復(fù)效率低、成本高，而污染土層相較于油氣儲(chǔ)層顆粒粘結(jié)作用弱、土層液限和塑限低、裂隙閉合速度快[9]，傳統(tǒng)水力壓裂支撐劑密度大、黏附力弱[10]，在污染土層中存在易沉降、低懸浮、低導(dǎo)流等缺點(diǎn)，無法保證原位立體均勻地修復(fù)低滲污染場(chǎng)地。國(guó)內(nèi)對(duì)污染土層立體修復(fù)研究起步較晚，主要利用水力噴射注液或地下水的遷移中和污染物進(jìn)行修復(fù)，但是水力噴射半徑有限，土層修復(fù)體積小，而地下水遷移不確定性高，土層修復(fù)場(chǎng)地限制性強(qiáng)[11-13]。在修復(fù)實(shí)踐中當(dāng)前可用的修復(fù)技術(shù)無法將低滲污染場(chǎng)地最大污染物水平濃度降低到美國(guó)EPA確定的標(biāo)準(zhǔn)[14]，同時(shí)傳統(tǒng)污染場(chǎng)地修復(fù)方法難以滿足原位立體修復(fù)和原位壓裂縫網(wǎng)長(zhǎng)效支撐的需求。低滲污染地層具有滲透率低、物質(zhì)傳輸困難、地應(yīng)力水平低、粘結(jié)性低等特性，通過原位壓裂修復(fù)技術(shù)產(chǎn)生空間縫網(wǎng)，是提升地層滲透性和物質(zhì)傳輸?shù)闹饕緩健Ｒ虼耍⑦m用于低滲污染地層的氣體和液體驅(qū)動(dòng)原位縫網(wǎng)壓裂裝備和工藝方法，解決低滲污染場(chǎng)地壓裂增滲關(guān)鍵科學(xué)和技術(shù)問題，實(shí)現(xiàn)低滲污染地層立體高效增滲，是污染土壤修復(fù)問題中的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。

1 低滲介質(zhì)力學(xué)行為及原位縫網(wǎng)壓裂造縫機(jī)制

1.1 低滲污染地層縫網(wǎng)可壓裂性評(píng)價(jià)

地層可壓裂性通常被定義為地層被壓開的能力、形成復(fù)雜縫網(wǎng)的能力和高效導(dǎo)流的能力[15]。原位土層可壓裂性受地層屬性、黏土組分、力學(xué)性質(zhì)和天然裂隙等因素影響[16-17]。土層滲透率和含水飽和度達(dá)到一定臨界點(diǎn)，水力壓裂可以在低滲透土層中形成獨(dú)特的填砂裂縫[18-19]。污染地層可壓裂性是基于石油天然氣開發(fā)中巖石縫網(wǎng)可壓性提出的概念，傳統(tǒng)意義上認(rèn)為土層塑性強(qiáng)度大，不具備可壓裂性，因此針對(duì)土層可壓裂性開展的評(píng)價(jià)極少，多是借鑒石油開發(fā)中儲(chǔ)層可壓性評(píng)價(jià)方法。可壓裂性評(píng)價(jià)指標(biāo)分為地質(zhì)評(píng)價(jià)指標(biāo)(地層深度、面積、孔隙度、滲透率、含水飽和度、地應(yīng)力、地層傾角、天然裂隙發(fā)育程度、斷裂韌性等)和工程技術(shù)評(píng)價(jià)指標(biāo)(壓裂方式、壓裂液體、排量、黏度等)[20-27]。可壓性評(píng)價(jià)方法主要有單因素評(píng)價(jià)法、雷達(dá)面積模型法、相關(guān)系數(shù)權(quán)重法、獨(dú)立性權(quán)重系數(shù)法等，獨(dú)立性權(quán)系數(shù)法根據(jù)指標(biāo)之間的共線性確定權(quán)重，此方法被廣泛應(yīng)用評(píng)價(jià)地層可壓性[28-32]。現(xiàn)有的可壓性評(píng)價(jià)方法主要針對(duì)具體地層提出，適用于不同學(xué)科，但是目前沒有學(xué)術(shù)界公認(rèn)的地層可壓裂性評(píng)價(jià)方法。因此針對(duì)低滲污染場(chǎng)地建立可壓性統(tǒng)一評(píng)價(jià)指標(biāo)是目前亟待解決的問題，基于現(xiàn)場(chǎng)原位尺度低滲污染地層的物理力學(xué)性質(zhì)，建立可壓裂性評(píng)價(jià)數(shù)學(xué)模型，深入研究現(xiàn)場(chǎng)壓裂施工參數(shù)對(duì)氣液驅(qū)動(dòng)壓裂裂縫擴(kuò)展特征的影響權(quán)重，結(jié)合可壓性評(píng)價(jià)地質(zhì)指標(biāo)形成地質(zhì)工程一體化可壓性評(píng)價(jià)體系，定量精準(zhǔn)描述氣液驅(qū)動(dòng)不同低滲地層縫網(wǎng)壓裂規(guī)模，為優(yōu)選污染場(chǎng)地人工造縫過程中氣液驅(qū)動(dòng)壓裂和藥劑協(xié)同修復(fù)的工程參數(shù)提供指導(dǎo)。

1.2 原位縫網(wǎng)造縫機(jī)制和延展機(jī)理

低滲土體具有強(qiáng)度低、塑性變形大、導(dǎo)流能力弱等特點(diǎn)，在物理力學(xué)性質(zhì)上和常規(guī)的巖石有本質(zhì)的區(qū)別，土體通常表現(xiàn)出與巖石截然不同的變形、強(qiáng)度特征以及破裂機(jī)制[33]。低滲土層起裂壓力低，土層軟塑性和流塑性強(qiáng)導(dǎo)致裂隙閉合速度快，同時(shí)在壓裂過程中壓裂液向裂隙兩側(cè)滲濾流量大，憋壓能力弱，裂隙延伸困難。因此傳統(tǒng)水力壓裂理論已不適用[34]，低滲土體壓裂的關(guān)鍵點(diǎn)在于壓裂液能否不斷的憋壓促使裂隙擴(kuò)展，所以明確土體造縫機(jī)制和延伸機(jī)理具有重要意義。

Marolo等人[35]發(fā)現(xiàn)在水力壓裂過程中液體注入壓力施加的徑向和切向應(yīng)力差會(huì)導(dǎo)致低滲透性土體拉伸破壞。Chen等人[36]發(fā)現(xiàn)過固結(jié)低滲透土表現(xiàn)為拉伸破壞，而欠固結(jié)低滲透土表現(xiàn)為剪切破壞。當(dāng)某一特定點(diǎn)的最小主應(yīng)力低于抗拉強(qiáng)度時(shí)，水力壓裂傾向于沿最小主應(yīng)力平面發(fā)生。Au等人[37]發(fā)現(xiàn)土壤裂縫一般沿最大主有效應(yīng)力方向延伸，但也有可能向最大主有效應(yīng)力方向旋轉(zhuǎn)。Murdoch[38]研究表明黏土中含水率高，會(huì)降低黏土的斷裂韌性，從而降低黏土的初始破裂壓力。Fan等人[39]考慮了注入壓裂液的流量和注入時(shí)間對(duì)黏土中的裂縫起裂和擴(kuò)展的影響。但是由于土體缺乏抗拉強(qiáng)度，低滲土體中的裂縫擴(kuò)展機(jī)理以剪切破裂和塑性壓實(shí)為主，而不是傳統(tǒng)水力壓裂理論中的拉伸破壞，所以以線彈性斷裂力學(xué)為基礎(chǔ)的傳統(tǒng)水力壓裂理論不再適用于低滲地層氣液驅(qū)動(dòng)壓裂縫網(wǎng)擴(kuò)展研究。至今缺乏適用于低滲地層中氣液驅(qū)動(dòng)壓裂裂縫形態(tài)的預(yù)測(cè)方法，因此，揭示典型低滲透地層氣液驅(qū)動(dòng)壓裂造縫機(jī)制以及復(fù)雜縫網(wǎng)擴(kuò)展機(jī)理，是大幅提升污染場(chǎng)地原位壓裂增滲效率的迫切需求。

1.3 低滲地層人工裂縫與天然裂隙交叉判別準(zhǔn)則

土壤低滲地層壓后的復(fù)雜裂縫形態(tài)是由水力裂縫與土層中天然裂隙相互作用形成的，因此有必要明確土壤中天然裂隙對(duì)水力裂縫延伸路徑的影響規(guī)律，建立天然裂隙與人工裂縫的交叉判別準(zhǔn)則，揭示低滲污染場(chǎng)地氣液驅(qū)動(dòng)壓裂造縫機(jī)制。Lamont等人[40]最早的研究表明土壤水力壓裂過程中天然裂隙組成的不連續(xù)介質(zhì)影響水力裂縫擴(kuò)展形態(tài)。Blanton等人[41]發(fā)現(xiàn)在逼近角和水平主應(yīng)力差固定時(shí)，水力裂縫與天然微裂縫相交時(shí)存在3 種情況：(1)水力裂縫穿透天然裂縫；(2)水力裂縫沿天然裂縫轉(zhuǎn)向延伸并且重新造縫；(3)天然裂縫被壓開，水力裂縫保持初始擴(kuò)展方向。Beugelsdijk等人[42]明確了在一定的地應(yīng)力差異系數(shù)和天然裂縫的影響下，天然巖石只產(chǎn)生單一裂縫，而且裂縫擴(kuò)展方向不變。Wan等人[43]利用真三軸水力壓裂模擬裝置開展試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)頁巖中的裂縫擴(kuò)展可分為攔阻、旁路、垂直轉(zhuǎn)向、垂直擴(kuò)展和轉(zhuǎn)向5 種方式。當(dāng)順層面發(fā)育良好時(shí)和天然裂縫尺寸較大時(shí)，易分流形成復(fù)雜縫網(wǎng)。Liu等人[44]研究發(fā)現(xiàn)在較高的水平應(yīng)力差和較小的層間距的情況下，低滲致密砂巖會(huì)出現(xiàn)多重裂縫擴(kuò)展現(xiàn)象。Wang和Liu[45]分析了立方體土樣在不同假設(shè)條件下水力裂縫與天然裂隙相交時(shí)的力學(xué)行為。目前，國(guó)內(nèi)外主要圍繞含油氣儲(chǔ)層和含煤儲(chǔ)層開展裂縫交叉機(jī)理研究，極少開展低滲土層中的壓裂試驗(yàn)研究，因此低滲污染場(chǎng)地人工裂縫與天然裂隙交叉擴(kuò)展機(jī)理并不明確，所以提出低滲土層裂縫起裂、擴(kuò)展、扭曲及分叉延伸的主控影響因素，開展基于大尺寸真三軸物理模擬(圖1)的原位土體中的天然裂隙、土層分界面、層間物理力學(xué)特性差異特征等對(duì)人工裂縫擴(kuò)展的影響機(jī)理研究，建立低滲透地層三維空間裂縫交叉理論模型和判別準(zhǔn)則是非常必要的。

圖1 大型真三軸土壤氣液壓裂物理模擬裝置Fig.1 Physical simulation device of large-scale true triaxial soil gas-liquid hydraulic fracturing

圖2 仿貽貝自懸浮粘附支撐劑運(yùn)移[61]Fig.2 Imitated mussels migrate by self-suspended adhesion to proppant[61]

圖3 仿貽貝自懸浮可控黏附覆膜支撐劑原位修復(fù)原理圖Fig.3 Schematic diagram of in-situ restoration of mussel-like self-suspension and controllable adhesion coated proppant

2 原位尺度縫網(wǎng)擴(kuò)展多場(chǎng)耦合模型

低滲土體水力壓裂是多場(chǎng)多尺度耦合的復(fù)雜問題，由于固體介質(zhì)的特殊性，低滲土體的水力裂縫擴(kuò)展機(jī)制復(fù)雜，破壞形態(tài)多樣化，因此探究土體與流體的強(qiáng)耦合作用機(jī)制，是評(píng)估原位尺度多場(chǎng)耦合氣液驅(qū)動(dòng)壓裂裂縫網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵點(diǎn)。數(shù)值模擬是分析巖土體多場(chǎng)耦合的重要研究方法，低滲地層縫網(wǎng)擴(kuò)展多場(chǎng)耦合模擬方法目前主要包括離散元、擴(kuò)展有限元、邊界元等方法[46]。Lu等人[47]根據(jù)低滲地層地質(zhì)特征，基于擴(kuò)展有限元方法，建立了水力壓裂的滲流—應(yīng)力—損傷耦合模型，模擬了水力裂縫與天然裂縫相互作用擴(kuò)展的過程以及多裂縫縫間應(yīng)力干擾特征。Zhang等人[48]采用離散元理論建立了全耦合多尺度數(shù)值模型，研究了天然裂縫巖體中流體驅(qū)動(dòng)裂縫擴(kuò)展的關(guān)鍵耦合過程。Guo等人[49]基于損傷力學(xué)的內(nèi)聚區(qū)法建立了低滲致密頁巖層系多場(chǎng)耦合模型，研究了地質(zhì)參數(shù)和壓裂工程參數(shù)對(duì)水力裂縫形態(tài)的影響。Damjanac和Cundall[50]采用離散元的方法模擬了低滲泥巖儲(chǔ)層水力裂縫在三維空間中的擴(kuò)展過程。孫鋒等[51]針對(duì)具有凝聚力的致密土體建立離散元模型，對(duì)比了不同注漿壓力和不同土體性質(zhì)下漿體壓力擴(kuò)散及劈裂裂縫的擴(kuò)展規(guī)律。土體水力壓裂涉及土體的彈—塑性變形，裂縫的萌生、擴(kuò)展、分叉、交匯，壓裂液濾失，多孔介質(zhì)滲流—應(yīng)力耦合等關(guān)鍵問題[52-53]。但是位移不連續(xù)法(DDM)模擬裂縫擴(kuò)展時(shí)對(duì)本構(gòu)非線性問題存在數(shù)值不穩(wěn)定的情況，難以模擬非均勻材料內(nèi)裂隙擴(kuò)展[54]。UFM模型沒有考慮多孔彈性及多孔非線性滲流所引起的孔壓改變效應(yīng)。Lecampion等[55]認(rèn)為在頁巖中壓裂液的濾失僅可引起裂縫附近數(shù)英寸的巖石孔壓改變，因而在模擬頁巖壓裂時(shí)多孔彈性及滲流問題可以忽略。但對(duì)于土體情況則可能不同，其力學(xué)性質(zhì)在水浸潤(rùn)下軟化，土體中各尺度的裂隙非常發(fā)育，壓裂液濾失以及由濾失引起的孔壓變化效應(yīng)不可忽略。離散單元法(DEM)模擬準(zhǔn)靜態(tài)問題時(shí)，引入動(dòng)態(tài)松弛法會(huì)導(dǎo)致壓裂過程與真實(shí)時(shí)間不匹配。黏聚單元法(CZM)結(jié)合擴(kuò)展有限元法(XFEM)模擬土層裂隙時(shí)塑性縫尖應(yīng)力場(chǎng)畸變。土體的流—固多場(chǎng)耦合效應(yīng)數(shù)值模擬的難點(diǎn)在于確定流場(chǎng)作用下流體力對(duì)塑性土體參數(shù)的影響和流場(chǎng)作用下土體顆粒的運(yùn)移機(jī)制，進(jìn)一步得出流—固強(qiáng)耦合作用機(jī)理，上述模型運(yùn)用于低滲污染土層具有較大的局限性。因此，考慮土體塑性變形、壓裂液相變等條件從而精準(zhǔn)模擬地層復(fù)雜情況的多場(chǎng)耦合模型亟需建立，利用有限差分連續(xù)算法的優(yōu)勢(shì)建立遠(yuǎn)場(chǎng)模型，利用離散元準(zhǔn)確模擬大變形優(yōu)勢(shì)建立近場(chǎng)裂縫擴(kuò)展模型，結(jié)合有限差分—離散元耦合的方法建立原位尺度氣液驅(qū)動(dòng)裂縫起裂和擴(kuò)展流—固—化多場(chǎng)耦合數(shù)值模型，精準(zhǔn)模擬低滲污染場(chǎng)地縫網(wǎng)擴(kuò)展過程，研究不同低滲透地層中氣液壓裂縫網(wǎng)非平面擴(kuò)展形態(tài)的差異性，為原位立體修復(fù)技術(shù)提供理論支撐。

3 仿貽貝自懸浮支撐劑和縫內(nèi)多顆粒成團(tuán)技術(shù)

3.1 仿貽貝可控粘附自懸浮支撐劑

為提高原位壓裂修復(fù)時(shí)不同藥劑的運(yùn)移能力，在氣液驅(qū)動(dòng)壓裂時(shí)泵注支撐劑增加裂縫壁面支撐強(qiáng)度，提高裂縫導(dǎo)流能力。支撐劑是具有一定粒度和強(qiáng)度的固體顆粒，通過承受原地應(yīng)力來支撐人工裂縫，形成高效導(dǎo)流通道[56]。土體壓裂過程中主要關(guān)注支撐劑在裂縫和裂縫交叉處的輸送問題，而砂礫支撐劑密度較高，沙子易沉降形成沙床[57]，裂縫壁面塌陷，藥劑不能持續(xù)輸送，難以全面消除目標(biāo)污染物。陶瓷支撐劑抗壓碎性較差，導(dǎo)致支撐劑在較低的應(yīng)力下失效[58]，因此在高地應(yīng)力污染場(chǎng)地難以形成通透裂縫為藥劑提供導(dǎo)流通道。目前最新的自懸浮支撐劑通過調(diào)整顆粒外表覆膜材料類型和覆膜量滿足不同地層張開裂縫支撐要求，同時(shí)減小剪切作用對(duì)支撐劑從井筒到裂縫長(zhǎng)距離運(yùn)移的影響[59]。傳統(tǒng)覆膜自懸浮支撐劑提高了自懸浮支撐劑的強(qiáng)度和抗酸堿性，但是覆膜涂層材料由聚合物制造，黏附作用較弱，產(chǎn)生的微小顆粒聚集會(huì)使?jié)B流通道堵塞，降低裂縫導(dǎo)流能力，同時(shí)存在二次污染土壤的風(fēng)險(xiǎn)，所以在土壤原位立體修復(fù)使用時(shí)受到限制[60]。低滲污染土層塑性強(qiáng)、吸水后易膨脹，壓裂過程中泵入傳統(tǒng)支撐劑存在懸浮性差、易嵌入土壤、裂縫閉合快、導(dǎo)流能力低、長(zhǎng)效性差等問題，因此開發(fā)適用于低滲污染場(chǎng)地原位立體修復(fù)的新型可控粘附支撐劑是提高裂縫藥劑運(yùn)移能力的關(guān)鍵。仿貽貝可控粘附支撐劑通過提取貽貝足絲粘附關(guān)鍵因子，實(shí)現(xiàn)粘附因子的精確調(diào)控及溫度相變特性的精準(zhǔn)控制，結(jié)合三價(jià)鐵與多巴胺的螯合結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)支撐劑在水下的原位強(qiáng)韌黏附效果，支撐劑與土壤顆粒和污染物顆粒黏附成團(tuán)，在塑性土層裂隙閉合過程中形成多層聚團(tuán)顆粒[61]，防止壓裂液反排，極大地提高裂縫寬度和土層閉合難度，減緩污染物顆粒隨裂隙遷移作用。結(jié)合新型支撐劑覆膜材料分子的精準(zhǔn)合成和高效快速覆膜技術(shù)，合成低密度支撐劑覆膜材料，從而降低覆膜支撐劑有效相對(duì)密度，提高自懸浮能力，降低沉降速度，從而提高覆膜支撐劑在地層裂縫中的運(yùn)移距離，增加裂縫長(zhǎng)度和表面積，實(shí)現(xiàn)裂縫長(zhǎng)效支撐與高效導(dǎo)流，克服支撐劑存在的懸浮性差、導(dǎo)流能力低、長(zhǎng)效性差等問題。

3.2 支撐劑與藥劑縫間運(yùn)移規(guī)律

支撐劑和藥劑在復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)中的輸送距離和鋪置范圍是衡量土壤原位立體修復(fù)效果的重要指標(biāo)。Zhang等人[62]利用三維離散元方法模擬了支撐劑和藥劑縫間傳輸過程，發(fā)現(xiàn)應(yīng)力界面處的收縮效應(yīng)嚴(yán)重影響支撐劑的傳輸距離，顆粒度較小的支撐劑和藥劑可通過增加壓裂液的粘度來減輕夾擠作用。陳等人[63]研究了自懸浮支撐劑攜帶液濾失作用對(duì)地層滲透率的影響機(jī)理，發(fā)現(xiàn)支撐劑對(duì)土壤地層滲透率和傷害率的影響主要取決于在多孔介質(zhì)內(nèi)的滯留量和耐沖刷能力。Alotaibi等人[64]通過液體運(yùn)移實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)支撐劑和藥劑在縫網(wǎng)中更易進(jìn)入分支裂縫，但是運(yùn)移距離較短。Sahai等人[65]研究了傳輸速度、濃度以及顆粒粒徑等對(duì)支撐劑在復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)中運(yùn)移的影響，并分析了支撐劑從主裂縫進(jìn)入分支裂縫的力學(xué)機(jī)理。但是污染場(chǎng)地原位修復(fù)中支撐劑與藥劑的運(yùn)移規(guī)律和機(jī)理尚未明確，所以在土壤原位立體修復(fù)過程中針對(duì)壓裂裂縫導(dǎo)流能力差、藥劑傳輸慢的難題，通過改變支撐劑的縫內(nèi)鋪設(shè)濃度、密度、圓球率、覆膜濃度、表面粗糙度與親疏水性，深入研究支撐劑隨溫度相變過程，實(shí)現(xiàn)支撐劑可控黏附。氣液驅(qū)動(dòng)過程中泵入仿生可控黏附覆膜支撐劑，建立裂縫間長(zhǎng)效支撐與高效導(dǎo)流高速通道，對(duì)支撐劑和藥劑在縫網(wǎng)運(yùn)移中的長(zhǎng)運(yùn)移、高導(dǎo)流與靶向黏附作用具有重要意義。

3.3 覆膜支撐劑吸附污染物成團(tuán)控制技術(shù)

污染地層修復(fù)關(guān)鍵化學(xué)技術(shù)是使污染顆粒聚集成團(tuán)，受藥劑中和轉(zhuǎn)化為無害顆粒，因此多顆粒成團(tuán)控制技術(shù)的研究需要重點(diǎn)關(guān)注。Zhou等人[66]通過光譜分析表明土壤污染細(xì)顆粒主要通過化學(xué)力粘附在一起，形成新的聚集體。但是泥漿剪切速率變化會(huì)使團(tuán)聚體不可逆地固結(jié)成有限大小的密集團(tuán)簇，結(jié)構(gòu)變化直接影響支撐劑的流變性[67]。最新技術(shù)是使用球形團(tuán)聚技術(shù)進(jìn)行顆粒設(shè)計(jì)，從而控制溫度、組成顆粒的性質(zhì)和停留時(shí)間，使得目標(biāo)污染物顆粒快速集聚[68]。Afkhami等人[69]發(fā)現(xiàn)污染土壤顆粒團(tuán)聚速率受流動(dòng)雷諾數(shù)的強(qiáng)烈影響，其中顆粒之間相互作用主要發(fā)生在靠近通道壁的位置，這是由于這些區(qū)域中顆粒濃度較高所致。Zou等人[70]表明支撐劑可以通過疏水團(tuán)聚作用增加表觀粒度，有利于提高土壤污染顆粒的微懸浮回收率。目前污染顆粒成團(tuán)控制技術(shù)并不完善，藥劑自流動(dòng)反應(yīng)、顆粒聚集離散、粘附力較小等技術(shù)問題尚未解決，多顆粒成團(tuán)控制技術(shù)需要進(jìn)一步探究。通過添加惰性表面提高支撐劑的化學(xué)惰性避免藥劑表面流動(dòng)反應(yīng)，利用溫度相變精準(zhǔn)調(diào)控，實(shí)現(xiàn)支撐劑縫間多粒徑自成團(tuán)，并建立覆膜支撐劑粘附力、孔隙結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、支撐劑孔隙結(jié)構(gòu)自成團(tuán)效果評(píng)價(jià)體系，實(shí)現(xiàn)支撐劑吸附污染物顆粒自成團(tuán)隨壓裂液運(yùn)移的工藝動(dòng)態(tài)優(yōu)化，從而掌握污染顆粒成團(tuán)控制技術(shù)，對(duì)于開發(fā)出綠色環(huán)保、粘附能力強(qiáng)、性能穩(wěn)定的支撐劑新型制備技術(shù)與工藝尤為重要。

4 低滲污染地層氣液原位壓裂增滲設(shè)備

目前針對(duì)低滲污染地層的原位尺度氣液壓裂一體化增滲修復(fù)設(shè)備尚未研發(fā)，傳統(tǒng)壓裂設(shè)備碎片化、集成率低，同時(shí)傳統(tǒng)壓裂設(shè)備研發(fā)只關(guān)注裂縫溝通尺度和增滲效率，耗能、污染、工藝復(fù)雜等問題突出。現(xiàn)場(chǎng)廣泛使用的分段水力壓裂成套設(shè)備解決了水力壓裂裝置的密封性問題，使高壓泵站以較小的流量獲得較大的工作壓力[71]。受控源電磁設(shè)備利用電導(dǎo)率變化敏感性監(jiān)測(cè)水力壓裂過程[72]，但是監(jiān)測(cè)精度較低，靶向監(jiān)測(cè)較為困難。Josifovic等人[73]通過對(duì)壓裂泵的改進(jìn)提高了壓裂效率和壓裂設(shè)備施工環(huán)保水平。Cai等人[74]發(fā)明了一種新的多次脈沖SC-CO2射流壓裂設(shè)備，增強(qiáng)了深部地層的壓裂造縫效果。Chang等人[75]發(fā)現(xiàn)壓裂泵采用階梯式泵送速率有利于打開原有的自然裂縫和層理面，這種注入方法的裂縫復(fù)雜度最高。但是目前國(guó)內(nèi)外壓裂設(shè)備雖然解決了深層壓裂的高泵壓、大排量等的難題，但對(duì)于淺層土壤壓裂時(shí)存在傳輸效率低、靶向控制難度大、立體協(xié)同修復(fù)困難等缺陷，難以解決低應(yīng)力、低滲透率、高塑性污染場(chǎng)地的原位修復(fù)難題，這需要研發(fā)針對(duì)低滲污染土層的氣液驅(qū)動(dòng)靶向壓裂增滲一體化設(shè)備。這就需要針對(duì)不同低滲透地層條件和原位修復(fù)模式優(yōu)選氣液驅(qū)動(dòng)增滲設(shè)備設(shè)計(jì)參數(shù)，設(shè)置污染物和地應(yīng)力感知裝置，形成變量工況下智能靶向控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)壓裂裂縫凈壓力的精準(zhǔn)控制以及裂縫面開度和縫網(wǎng)規(guī)模的持續(xù)增強(qiáng)。采用永磁變頻控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力裝置的節(jié)能增效，設(shè)計(jì)氣液驅(qū)動(dòng)段塞注入連續(xù)混輸模塊，掌握集“氣液轉(zhuǎn)換—精準(zhǔn)計(jì)量—長(zhǎng)效支撐”于一體的原位壓裂控制技術(shù)(圖4)。通過組裝智能靶向控制氣液驅(qū)動(dòng)多介質(zhì)連續(xù)混輸?shù)牡蜐B透地層縫網(wǎng)壓裂增滲設(shè)備，實(shí)現(xiàn)“低滲污染場(chǎng)地高效一體化修復(fù)”目標(biāo)。

圖4 氣液原位壓裂增滲裝備Fig.4 Gas-liquid in-situ fracturing permeability enhancement equipment

圖5 低滲地層原位立體修復(fù)原理圖Fig.5 Schematic diagram of in-situ three-dimensional restoration of low permeability formation

圖6 氣液原位脈沖壓裂連續(xù)混輸增滲一體化效果圖Fig.6 Integrated effect diagram of continuous mixed transportation and permeability enhancement of gas-liquid in-situ pulse fracturing

5 原位立體空間深穿透壓裂技術(shù)及高導(dǎo)流工藝

5.1 氣液驅(qū)動(dòng)壓裂縫網(wǎng)深穿透技術(shù)

Guo等人[76]基于體積壓裂和深酸壓裂技術(shù)提出了三維酸壓裂的概念，實(shí)現(xiàn)了碳酸鹽巖層平面裂縫深穿透的目標(biāo)。Ni等人[77]研究了脈沖水力壓裂技術(shù)，埋在煤層中的礦物晶體被侵蝕成孔，從而改善煤層的透氣性達(dá)到煤層深穿透目標(biāo)。Zeng等人[78]針對(duì)頁巖層孔隙結(jié)構(gòu)特征復(fù)雜、巖石可塑性明顯、非線性壓裂特征明顯、最大和最小主應(yīng)力差高等問題提出了一種新的聯(lián)合壓裂方式，結(jié)果發(fā)現(xiàn)誘導(dǎo)裂縫的復(fù)雜性顯著增加，實(shí)現(xiàn)了深部頁巖儲(chǔ)層的高效穿透。McGinnis等人[79]通過對(duì)美國(guó)德克薩斯州西部泥巖和石灰?guī)r交互層的裂縫擴(kuò)展研究，發(fā)現(xiàn)目前壓裂裂縫難以穿透臨界邊界，儲(chǔ)層立體連通性較差。低滲地層復(fù)合深穿透技術(shù)有待進(jìn)一步研究，趙等人[80]分析了深層壓裂多級(jí)復(fù)合深穿透的原理，根據(jù)技術(shù)適用性對(duì)地層進(jìn)行選層論證，但是沒有提出具體的地層深穿透方法。低滲污染地層土體其最小主應(yīng)力方向?yàn)榇瓜颍炜p為水平縫，而石油和頁巖氣儲(chǔ)層最小主應(yīng)力方向?yàn)樗椒较颍炜p為垂直縫，低滲污染土層與油氣儲(chǔ)層縫網(wǎng)擴(kuò)展有本質(zhì)區(qū)別，然而最新的研究主要關(guān)注油氣儲(chǔ)層，所以針對(duì)污染場(chǎng)地低滲地層弱膠結(jié)、低強(qiáng)度、高塑性等特點(diǎn)和污染物類型修復(fù)工藝極度匱乏，目前國(guó)內(nèi)外壓裂技術(shù)不具備實(shí)現(xiàn)污染地層立體深穿透的條件，不能提高微裂縫的空間展布規(guī)模。氣液壓裂深穿透技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)氣液聯(lián)合驅(qū)動(dòng)，利用液體驅(qū)動(dòng)形成主干裂縫，再利用氣體驅(qū)動(dòng)形成分支裂縫，最后形成的網(wǎng)狀裂縫結(jié)構(gòu)比單一氣體或者液體驅(qū)動(dòng)壓裂系統(tǒng)所產(chǎn)生的裂縫具有更多的層次，低滲污染場(chǎng)地修復(fù)需要重點(diǎn)關(guān)注國(guó)際領(lǐng)先的氣液壓裂深穿透技術(shù)。

5.2 氣液驅(qū)動(dòng)壓裂縫網(wǎng)高導(dǎo)流工藝

與常規(guī)地層相比，低滲污染地層基質(zhì)滲透率較低，藥劑從表面難以滲透到深部污染地層，但是縫網(wǎng)具有高效導(dǎo)流能力，所以裂縫是修復(fù)藥劑通往污染地層的唯一通道，縫網(wǎng)高效導(dǎo)流的研究具有重要意義。曹等人[81]研究了剪切自支撐型和單層支撐型低滲頁巖地層壓裂后所形成的裂縫導(dǎo)流能力變化規(guī)律。Rodolfo等人[82]發(fā)現(xiàn)沙質(zhì)土壤比粘土土壤抗土壤滲透性更高。Dahu等人[83]通過反復(fù)凍融破壞土壤顆粒的原始結(jié)構(gòu)，提高裂縫導(dǎo)流能力，從而提高地層修復(fù)能力。Gerald等人[84]首次提出使用承載力理論對(duì)非飽和土壤中的阻力進(jìn)行初步處理的方法，從而達(dá)到高效導(dǎo)流的目的。縫網(wǎng)高導(dǎo)流的核心在于支撐劑運(yùn)移到縫網(wǎng)尖端，實(shí)現(xiàn)縫尖自成團(tuán)。氣液驅(qū)動(dòng)壓裂技術(shù)可以利用液體推動(dòng)氣體前驅(qū)，裂縫破裂擴(kuò)展程度動(dòng)態(tài)增加，達(dá)到支撐劑和藥劑在縫網(wǎng)中長(zhǎng)效運(yùn)移的效果，其中長(zhǎng)效運(yùn)移是通過支撐劑本身的低密度與表面電荷斥力，克服傳統(tǒng)支撐劑在裂縫口易沉降的弱點(diǎn)，大幅增加支撐劑的運(yùn)移距離，隨后支撐劑多粒徑自成團(tuán)特性在水下自主激活，可以在微裂縫上有效黏附防止微裂縫閉合，形成長(zhǎng)效支撐縫網(wǎng)，由于支撐劑表面富含疏水惰性特性，所以藥劑液體等通過的摩阻大幅降低，藥劑可以輸送到整個(gè)污染地層，從而實(shí)現(xiàn)縫網(wǎng)高效導(dǎo)流與污染地層的高效修復(fù)。所以基于多目標(biāo)優(yōu)化的低滲透地層原位高導(dǎo)流空間立體縫網(wǎng)壓裂增滲技術(shù)工藝是環(huán)境修復(fù)的一個(gè)新方向。

5.3 原位立體修復(fù)效果評(píng)價(jià)體系

Capobianc等人[85]通過對(duì)污染場(chǎng)地修復(fù)的3 個(gè)階段進(jìn)行生命周期評(píng)估，形成修復(fù)效果評(píng)價(jià)指標(biāo)。Hou等人[86]通過投入產(chǎn)出生命周期評(píng)估和生命周期影響分析數(shù)據(jù)庫(kù)量化環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)和技術(shù)的影響。Chen等人[87]則使用IO-LCA模型來定量評(píng)價(jià)污染土壤修復(fù)效果。Gu等人[88]運(yùn)用層次分析法和公式評(píng)價(jià)方法的智能集成，基于修復(fù)場(chǎng)地探測(cè)建立了污染土壤修復(fù)的多場(chǎng)景綜合評(píng)價(jià)體系。Alecsandra等人[89]基于土壤的主要理化特性評(píng)估污染場(chǎng)地修復(fù)效果。Yawar等人[90]建立了污染土壤毒性和生物活性的二次模型以評(píng)估修復(fù)效果。各類評(píng)價(jià)方法和評(píng)價(jià)模型都基于具體區(qū)塊土壤修復(fù)案例而建立，目前尚未有統(tǒng)一的污染地層修復(fù)效果評(píng)價(jià)體系，評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)其他污染修復(fù)區(qū)塊具有明顯差異性。因此，對(duì)多種評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行深層次評(píng)估，深入探究污染場(chǎng)地修復(fù)結(jié)果，結(jié)合長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)修復(fù)理論，從經(jīng)濟(jì)、環(huán)境、技術(shù)等方面評(píng)價(jià)形成修復(fù)技術(shù)評(píng)價(jià)體系，對(duì)污染場(chǎng)地進(jìn)行修復(fù)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，建立適用于多種污染場(chǎng)地的原位立體修復(fù)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系非常必要。

6 總結(jié)與展望

我國(guó)土地受工業(yè)開發(fā)長(zhǎng)期影響，低滲地層污染現(xiàn)象十分嚴(yán)重，低滲污染場(chǎng)地亟待高效快速修復(fù)。目前，針對(duì)污染土層已開發(fā)出水力噴射修復(fù)技術(shù)，但是傳統(tǒng)增滲修復(fù)技術(shù)在土層存在易膨脹、應(yīng)力擾動(dòng)大、修復(fù)體積小、恢復(fù)周期長(zhǎng)等問題，我國(guó)低滲污染場(chǎng)地壓裂修復(fù)技術(shù)尚未取得突出性成果，其主要原因在于針對(duì)低滲污染場(chǎng)地許多科學(xué)問題和工藝方法尚未解決，相關(guān)理論和技術(shù)問題需要深入探索：

(1)低滲土體具有強(qiáng)度低、塑性變形大、滲透率低、導(dǎo)流能力弱等特點(diǎn)，土體通常表現(xiàn)出與巖石截然不同的變形、強(qiáng)度特征以及破裂機(jī)制[33]，土體水力壓裂涉及土體的彈—塑性變形，裂縫的萌生、擴(kuò)展、分叉、交匯，壓裂液濾失，多孔介質(zhì)滲流—應(yīng)力耦合等關(guān)鍵問題[52-53]。針對(duì)低滲土體人工裂縫擴(kuò)展機(jī)理不明和縫網(wǎng)難以長(zhǎng)效支撐問題，揭示氣液驅(qū)動(dòng)壓裂土壤力學(xué)行為及縫網(wǎng)壓裂造縫機(jī)制，提出裂縫起裂和擴(kuò)展多場(chǎng)耦合數(shù)值模擬方法，創(chuàng)建原位氣液壓裂復(fù)雜縫網(wǎng)的評(píng)價(jià)模型，形成低滲透地層縫網(wǎng)壓裂改造控制理論。

(2)現(xiàn)有支撐劑在低滲塑性地層應(yīng)用時(shí)存在易嵌入、導(dǎo)流能力低、懸浮能力弱等難題[61]，研制仿貽貝可控粘附覆膜支撐劑，研發(fā)綠色環(huán)保、粘附能力強(qiáng)和性能穩(wěn)定的支撐劑縫間多粒徑自成團(tuán)技術(shù)，通過粘附黏土成團(tuán)增加裂縫縫寬，提高藥劑在低滲地層運(yùn)移修復(fù)效率，優(yōu)化氣液驅(qū)動(dòng)支撐劑和藥劑協(xié)同運(yùn)移工藝，有效提高污染場(chǎng)地原位修復(fù)縫網(wǎng)壓裂增滲能力。

(3)針對(duì)低應(yīng)力、低滲透、低傳質(zhì)“三低”地層特性，提出基于土壤特性、污染物類型、環(huán)保約束下的原位滲透性增強(qiáng)氣液縫網(wǎng)壓裂深穿透技術(shù)和壓裂施工優(yōu)化方法，形成集“氣液轉(zhuǎn)換—精準(zhǔn)計(jì)量—長(zhǎng)效支撐”于一體的多介質(zhì)連續(xù)混輸壓裂增滲設(shè)備，解決現(xiàn)有壓裂修復(fù)設(shè)備碎片化和集成率低的難題。

(4)目前尚未有統(tǒng)一的污染地層修復(fù)效果評(píng)價(jià)體系，評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)其他污染修復(fù)區(qū)塊具有明顯差異性。因此，對(duì)多種評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行深層次評(píng)估，指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)修復(fù)技術(shù)選擇，進(jìn)一步明確修復(fù)污染物性質(zhì)，深入探究污染場(chǎng)地修復(fù)結(jié)果，結(jié)合長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)修復(fù)理論，從經(jīng)濟(jì)、環(huán)境、技術(shù)等方面形成修復(fù)技術(shù)體系，建立適用于多種污染場(chǎng)地的原位立體修復(fù)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系非常必要。

(5)圍繞低滲污染場(chǎng)地原位立體修復(fù)相關(guān)科學(xué)技術(shù)問題，開展基于低滲土體原位氣液驅(qū)動(dòng)壓裂縫網(wǎng)形成機(jī)理、新型長(zhǎng)效可控黏附支撐劑和深穿透一體化集成設(shè)備的多學(xué)科交叉研究，形成低滲土壤立體修復(fù)基礎(chǔ)理論和原創(chuàng)低滲污染場(chǎng)地修復(fù)技術(shù)，為我國(guó)污染場(chǎng)地高效修復(fù)提供理論和技術(shù)支撐。