油页岩注热生产期内污染物迁移规律研究

董付科 于洁清 曹磊 周长冰

摘 要：【目的】防止油页岩注热开采过程中污染物污染临近的含水层，有助于开发区防渗帷幕的设计及优化。【方法】利用数值软件分析了油页岩注热生产期内污染物沿各方向的迁移規律。【结果】油页岩生产期内，污染物污染范围随注热时间逐渐扩大，污染物沿水平方向扩散更为明显；污染物水平方向上浓度峰值出现在距生产井6 m范围内，竖直方向上浓度峰值出现在油页岩矿层与顶底板交界处。【结论】污染物生产期间扩散运移规律为防渗帷幕的设计提供了参考。

关键词：油页岩；原位改性；流体化采矿；污染物迁移；防渗帷幕

中图分类号：TD83；X131                   文献标志码： A               文章编号：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

油页岩是一种富含有机质的高灰分的固体可燃有机矿产［1-2］。油页岩内部有机质经过低温干馏可以生成页岩气、页岩油和固体残渣等，经过进一步加工制成汽油、柴油等工业燃料，因此，油页岩开采具有重要的战略意义［1］。MTI技术作为一种原位改性流体化采矿技术具有诸多优势，但是热解后的油气产物在运移过程中可能会污染临近含水层，对地下水资源存在潜在破坏危害。防渗帷幕是通过注浆等手段建立的一种人工封隔层，对油页岩原位开采区域的封闭保护非常有效。因此，研究油页岩注热生产期污染物迁移规律对防渗帷幕参数设计至关重要。

目前，国内外学者关于油页岩开发利用对环境的影响做了大量研究。Raukas等［3］对爱沙尼亚油页岩开发利用过程中的环境问题进行了研究，结果显示，开发过程中的地下水水质和地下水平衡遭到破坏。此外Reinsalu等［4］、Perence等［5］、Roots等［6］对爱沙尼亚油页岩矿井的地表水、工艺水和泥污等进行跟踪观测和检测，证明油页岩开发对环境产生了破坏，油页岩地下干馏过程中产生的油气、废渣及带有苯和酚化学物质的水都可能沿矿层裂隙通道渗入含水层，类似的环境问题也发生在广东茂名市油页岩产区。杨萌尧［7］比较了油页岩地表干馏及井下原位开采条件下生态环境评价指标体系。邱淑伟［8］研究了油页岩原位开采对地下水化学特征的影响，从物源分析、污染物进入地下水途径、污染物释放规律及迁移转化等方面进行了探讨。以上可以看出，上述研究多针对油页岩开采对地下水环境的影响及环境评价系统的建立，针对原位开采防渗帷幕设计的研究较少，防渗帷幕设计的参数选取及方案优化缺乏理论指导。研究油页岩注热生产期内污染物沿水平方向和竖直方向上的迁移规律，为防渗帷幕的设计提供技术支撑。

1 油页岩注热开采污染物迁移规律的数值模拟

1.1 模型建立

在承德御道口油页岩原位开采潜力区应用MTI技术，试验区油页岩矿层厚度20 m（埋深-200 m），頂底板为泥岩（厚15 m）和泥质砂岩（厚20 m）。在试验区设计油页岩注热开采的一注一采生产系统，注热井和生产井间距为90 m，如图1所示。

边界条件和初始条件：①模型上边界考虑自重应力（5 MPa），模型左右给定边界位移为0；②注热井压力恒定为3 MPa，生产井连通大气取0.1 MPa；内部初始孔隙压为0.1 MPa，顶底板边界设为不渗透；③初始地层温度为20 ℃，注热井初始温度为600 ℃，模型四周为绝热边界；④污染物初始浓度为0 mol/m3，流入浓度为0 mol/m3。

1.2 参数选取

模型中油页岩、泥岩和泥质砂岩的常温物理力学参数和热物性参数见表1，参数来源于文献资料［2］。

1.3 计算方案及测线布置

本研究模拟油页岩注热开采生产期2.5 a内污染物在油页岩顶底板及生产井周围地层内的迁移规律，其中油页岩（厚20 m）位于泥岩、泥质砂岩互层中，如图2所示。

防渗帷幕的设计需要综合考虑油页岩热解污染物在水平及竖直方向上的迁移距离，因此，取注热区（90 m×90 m）和非注热区（生产井外延300 m）为研究对象建立模型，在模型中布置5条水平测线研究污染物在生产井井周水平方向上的迁移规律，测线分别为B1（油页岩矿层中线）、B2（油页岩与泥岩交界线）、B3（油页岩底板5 m线）和B4（油页岩底板10 m线）；在模型中布置4条竖直测线研究污染物在两井间竖直方向上的迁移规律，测线分别为A1（距注热井15 m）、A2（距注热井30 m）、A3（距注热井45 m）和A4（距注热井60 m）。

2 模拟结果与讨论

2.1 油页岩注热生产期污染物沿水平方向迁移规律

图3为油页岩注热生产期内水平方向（生产井外延300 m范围）污染物浓度变化。注热生产期内，注热井与生产井之间存在较大压差（4.9 MPa），高温水蒸气在压差驱动下快速流动，在对流作用下污染物向周围岩体迁移。由图3（a）可知，随着注热时间延长，油页岩矿层中线上的污染物峰值浓度从0.1 mol/m3（0.5 a）增大至36.2 mol/m3（2.5 a），同时，污染物峰值范围逐年外移至6 m（2.5 a）。

生产期内污染物污染范围随注热时间逐渐扩大。2.5 a时污染范围的水平距离约为55 m，为0.5 a污染范围水平距离2 m的27.5倍，扩散速度约为26.5 m/a。可以看出，油页岩注热生产期内，有机质在高温下发生热解，一部分反应物随过热蒸汽流体进入生产井而排出，另一部分反应物残留在油页岩孔隙中形成污染物。随着污染物不断生成并积累，污染物随高温蒸汽渗流及扩散作用愈发明显，如果不建立有效的防渗帷幕，污染物极有可能污染地下水，随之带来严重的环境问题。

油页岩矿层区域为油页岩注热生产期间污染物的主要聚集区域。比较图3（a）及图3（b），当注热时间为2 a时，油页岩矿层中线上污染物峰值浓度出现在距离生产井5.4 m处，峰值浓度为27.7 mol/m3，相较而言，油页岩底板5 m线上污染物峰值浓度出现在距离生产井4.3 m处，峰值浓度为0.51 mol/m3，这说明泥岩及泥质砂岩可以作为油页岩热解污染物的天然防渗帷幕。

2.2 油页岩注热生产期污染物沿竖直方向迁移规律

图4为油页岩注热生产期内垂直方向（距离注热井15 m和60 m）污染物浓度变化。如图4（a）所示，油页岩矿层距注热井15 m处污染物浓度约为2 mol/m3，浓度随注热时间并无明显变化。如图4（b）所示，油页岩矿层距注热井60 m处污染物差异明显，污染物浓度随着注热时间明显增大，由均值2.2 mol/m3（0.5 a）增大至均值6 mol/m3（2.5 a），且污染物浓度在垂直方向呈现不均匀性。可以认为，越靠近生产井，油页岩矿层内污染物浓度随时间变化越明显。

如图4（a）所示，污染物竖直方向浓度峰值出现在油页岩矿层与泥岩交界处。交界处的峰值浓度随着注热时间增大而增大，下交界处的峰值浓度增长速率较上交界处大。污染物在竖直方向上的迁移速度约为4.85 m/a，当注热开采0.5 a时，污染物迁移至底板3 m，当注热开采2.5 a时，污染物迁移至底板12.7 m。

3 结论

基于油页岩注热开采的一注一采生产系统模型，研究了油页岩注热生产期内污染物沿水平方向和竖直方向上的迁移规律，主要结论如下。

①油页岩生产期内，污染物污染范围随注热时间逐渐扩大，污染物沿水平方向扩散更为明显。污染物水平方向上的扩散速度约为26.5 m/a，为竖直方向上扩散速度的5.5倍。生产期间，污染物在注热蒸汽压力作用下，沿水平方向迁移的速度较顶底板方向大。

②油页岩生产期内，污染物水平方向上浓度峰值出现在距生产井6 m范围内，且峰值浓度及浓度峰值范围随注热时间延长而增大。污染物竖直方向上的浓度峰值出现在油页岩矿层与顶底板交界处。油页岩矿层是油页岩热解污染物的主要聚集区，越靠近生产井的矿层内污染物浓度随时间变化越明显。

参考文献：

［1］赵阳升，梁卫国，冯子军. 原位改性流体化采矿导论［M］. 北京：科学出版社，2019.

［2］董付科. 油页岩原位注热开采污染物迁移规律的研究［D］. 太原：太原理工大学，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］杨萌尧. 油页岩不同开发方式生态环境影响评价研究［D］. 长春：吉林大学，2012.

［8］邱淑伟. 油页岩原位开采对地下水化学特征的影响实验研究［D］. 长春：吉林大学，2016.