基于PetraSim的水力压裂对地下水环境影响的数值模拟分析

2018-11-14胡尚志

水利规划与设计 2018年10期

胡尚志

(新疆维吾尔自治区水文局，新疆 830000)

近年来，随着全球能源需求量的不断增加，能源开采越来越朝着如页岩气等深部地下能源开采发展，并逐渐成为未来资源的重点。页岩气开采主要包括以下几个步骤：①搭建钻井平台，钻入地下1～2km的深度，当到达页岩层后横向进行钻进2～3km，通过将炸药送入围岩中，准备压裂；②将水、砂、炸药送入围岩，进行爆破压裂施工操作，使页岩层中的天然气释放出来；③将钻孔中的液体抽出来，然后使天然气释放出来，进入井孔，送至地表。水力压裂是目前常用的页岩气开采技术，具有开采效率高，施工安全等特点。但是在压裂过程中，不可避免的会造成一定的污染，诱发地质问题。针对目前页岩气开采方面的问题，已有一些学者进行了研究，并取得了一定的成果。于茵研究了水力压裂对含水层的影响，通过数值模拟的的手段，对不同情况的水平井进行模拟分析，分析水力压裂对地下水盐度场的影响[1]。还有一些学者对水力压裂后地下水盐度场等问题进行了研究[2- 10]。

1 理论分析

本文采用PetraSim模块进行数值模拟分析，通过软件提供的12种不同的状态方程，建立物质-能量守恒方程所需要的不同流体混合后的热力学特征，如下式所示为基本物质-能量平衡方程：

(1)

式中，Vn—研究区域；Γn—Vn的边界；M—单位体积的质量或者能量；F—物质或热量的流量；q—源汇项。

物质累计项Mk的表达式如下所示：

(2)

热累计项MNK+1的表达式如下所示：

式中，ρR—岩石骨架的密度；CR—岩石比热容；T—温度；μβ—β的比内能。

对流运动中溶质的流量Fk|adv的表达式如下所示：

各相中的通量Fβ按多项形式的达西定律计算表达式为：

式中，μβ—达西速度；k—绝对渗透率；krβ—相β的相对渗透率；μβ—粘度。

2 数值试验研究

2.1 数值计算模型

本模型采用正交网格进行划分。在垂直方向上共设置30层地层，范围为0～1560m，具体的地层抛分情况如图1所示。为了提高计算的速度和效率，对其中的相似地层进行了合并处理，水平方向范围为269000～298010m。

图1 地质模型示意图

2.2 模型参数

模型参数对于计算结果的可靠性和准确性具有重要的作用，因此本文对实际测量的地层参数与前任文献中的参数进行对比分析，并进行汇总，具体地层参数见表1。

表1 模型主要地层参数

3 模型结果与分析

3.1 初始压强场与盐度场分析

为了提高计算精度和缩短计算时间，在水力压裂之后的地层进行水-气两相平衡场模拟，如图2(a)所示为初始压强场分布示意图，地层的初始压强呈压力梯度的形式分布，在同一深度压强值相等。如图2(a)所示，地层上部压力梯度递增值为1MPa/100m，页岩层以14kPa/m压力梯度递增。如图2(b)所示为初始盐度场分布示意图，设定页岩层中盐度值为0.1。如图3所示为盐度场随时间变化的示意图，随着迁移时间的增加，盐度场以羽状形式向底层上部运动。如图3所示，随着水力压裂后100—3000年后污染羽流前端迁移距离分别是700m、1000m、1250m、1340m。

图2 初始压强场和盐度场分布

图3 不同时间初始盐度场分布示意图

3.2 数值模型多情景预测分析

如图4所示为有断层的水平井的盐度场分布模拟结果图，水力压裂100～3000年后污染羽流迁移前端距离分别为600m、900m、1100m、1300m。与研究区的模拟结果相差不大。无断层直井不同时期模拟区域盐度场分布图如图5所示，水力压裂之后压裂井及水力压裂区分布较多污染物，随着时间的增加，逐渐向上部迁移，水力压裂100～3000年后，污染羽流迁移前端距离分别为210m、260m、430m、660m。与有断层的水平井相比无断层直径迁移距离具有较大程度的降低。如图6所示为无断层水平井不同时期模拟区域盐度场分布示意图，其污染物分布规律与无断层直井较为类似，水力压裂之后短时间内污染物只是分布在压裂井及水力压裂区周围，随着时间的增加，逐渐由向上部迁移的趋势。

图4 有断层水平井不同时期模拟区域盐度场分析

图5 无断层直井不同时期模拟区域盐度场分析

图6 无断层水平井不同时期模拟区域盐度场分析

如图7所示为有断层的直井、有断层的水平井、无断层的直井、无断层的水平井四种情况下，水力压裂10000年后的盐度场的分布示意图，有断层的直井和有断层的水平井进行水利压裂10000年后污染物前端已经接近地表，而无断层的直井、无断层的水平井污染物迁移的距离分别在950m和944m处，因此无断层的直井、无断层的水平井两种情况下，污染物迁移到地表至少需要10000年的时间。