基于PetraSim的水力壓裂對地下水環(huán)境影響的數(shù)值模擬分析

胡尚志

(新疆維吾爾自治區(qū)水文局，新疆 830000)

近年來，隨著全球能源需求量的不斷增加，能源開采越來越朝著如頁巖氣等深部地下能源開采發(fā)展，并逐漸成為未來資源的重點。頁巖氣開采主要包括以下幾個步驟：①搭建鉆井平臺，鉆入地下1～2km的深度，當?shù)竭_頁巖層后橫向進行鉆進2～3km，通過將炸藥送入圍巖中，準備壓裂；②將水、砂、炸藥送入圍巖，進行爆破壓裂施工操作，使頁巖層中的天然氣釋放出來；③將鉆孔中的液體抽出來，然后使天然氣釋放出來，進入井孔，送至地表。水力壓裂是目前常用的頁巖氣開采技術，具有開采效率高，施工安全等特點。但是在壓裂過程中，不可避免的會造成一定的污染，誘發(fā)地質(zhì)問題。針對目前頁巖氣開采方面的問題，已有一些學者進行了研究，并取得了一定的成果。于茵研究了水力壓裂對含水層的影響，通過數(shù)值模擬的的手段，對不同情況的水平井進行模擬分析，分析水力壓裂對地下水鹽度場的影響[1]。還有一些學者對水力壓裂后地下水鹽度場等問題進行了研究[2- 10]。

1 理論分析

本文采用PetraSim模塊進行數(shù)值模擬分析，通過軟件提供的12種不同的狀態(tài)方程，建立物質(zhì)-能量守恒方程所需要的不同流體混合后的熱力學特征，如下式所示為基本物質(zhì)-能量平衡方程：

(1)

式中，Vn—研究區(qū)域；Γn—Vn的邊界；M—單位體積的質(zhì)量或者能量；F—物質(zhì)或熱量的流量；q—源匯項。

物質(zhì)累計項Mk的表達式如下所示：

(2)

熱累計項MNK+1的表達式如下所示：

式中，ρR—巖石骨架的密度；CR—巖石比熱容；T—溫度；μβ—β的比內(nèi)能。

對流運動中溶質(zhì)的流量Fk|adv的表達式如下所示：

各相中的通量Fβ按多項形式的達西定律計算表達式為：

式中，μβ—達西速度；k—絕對滲透率；krβ—相β的相對滲透率；μβ—粘度。

2 數(shù)值試驗研究

2.1 數(shù)值計算模型

本模型采用正交網(wǎng)格進行劃分。在垂直方向上共設置30層地層，范圍為0～1560m，具體的地層拋分情況如圖1所示。為了提高計算的速度和效率，對其中的相似地層進行了合并處理，水平方向范圍為269000～298010m。

圖1 地質(zhì)模型示意圖

2.2 模型參數(shù)

模型參數(shù)對于計算結(jié)果的可靠性和準確性具有重要的作用，因此本文對實際測量的地層參數(shù)與前任文獻中的參數(shù)進行對比分析，并進行匯總，具體地層參數(shù)見表1。

表1 模型主要地層參數(shù)

3 模型結(jié)果與分析

3.1 初始壓強場與鹽度場分析

為了提高計算精度和縮短計算時間，在水力壓裂之后的地層進行水-氣兩相平衡場模擬，如圖2(a)所示為初始壓強場分布示意圖，地層的初始壓強呈壓力梯度的形式分布，在同一深度壓強值相等。如圖2(a)所示，地層上部壓力梯度遞增值為1MPa/100m，頁巖層以14kPa/m壓力梯度遞增。如圖2(b)所示為初始鹽度場分布示意圖，設定頁巖層中鹽度值為0.1。如圖3所示為鹽度場隨時間變化的示意圖，隨著遷移時間的增加，鹽度場以羽狀形式向底層上部運動。如圖3所示，隨著水力壓裂后100—3000年后污染羽流前端遷移距離分別是700m、1000m、1250m、1340m。

圖2 初始壓強場和鹽度場分布

圖3 不同時間初始鹽度場分布示意圖

3.2 數(shù)值模型多情景預測分析

如圖4所示為有斷層的水平井的鹽度場分布模擬結(jié)果圖，水力壓裂100～3000年后污染羽流遷移前端距離分別為600m、900m、1100m、1300m。與研究區(qū)的模擬結(jié)果相差不大。無斷層直井不同時期模擬區(qū)域鹽度場分布圖如圖5所示，水力壓裂之后壓裂井及水力壓裂區(qū)分布較多污染物，隨著時間的增加，逐漸向上部遷移，水力壓裂100～3000年后，污染羽流遷移前端距離分別為210m、260m、430m、660m。與有斷層的水平井相比無斷層直徑遷移距離具有較大程度的降低。如圖6所示為無斷層水平井不同時期模擬區(qū)域鹽度場分布示意圖，其污染物分布規(guī)律與無斷層直井較為類似，水力壓裂之后短時間內(nèi)污染物只是分布在壓裂井及水力壓裂區(qū)周圍，隨著時間的增加，逐漸由向上部遷移的趨勢。

圖4 有斷層水平井不同時期模擬區(qū)域鹽度場分析

圖5 無斷層直井不同時期模擬區(qū)域鹽度場分析

圖6 無斷層水平井不同時期模擬區(qū)域鹽度場分析

如圖7所示為有斷層的直井、有斷層的水平井、無斷層的直井、無斷層的水平井四種情況下，水力壓裂10000年后的鹽度場的分布示意圖，有斷層的直井和有斷層的水平井進行水利壓裂10000年后污染物前端已經(jīng)接近地表，而無斷層的直井、無斷層的水平井污染物遷移的距離分別在950m和944m處，因此無斷層的直井、無斷層的水平井兩種情況下，污染物遷移到地表至少需要10000年的時間。

圖7 10000年后不同井的鹽度場分布示意圖

4 結(jié)論

(1)地層初始壓強呈梯度形式分布，分布在同一壓力梯度上的壓強值相等，上部地層壓力梯度大概呈1MPa/100m的梯度值遞增，而頁巖層的壓力梯度增加較大為14kPa/m的壓力梯度遞增。

(2)隨著遷移時間的增加，初始鹽度場以羽狀形式向底層上部運動。隨著水力壓裂后100～3000年后污染羽流前端遷移距離分別是700m、1000m、1250m、1340m，如圖所示隨著時間的增加，污染物的影響范圍和深度逐漸增加。

(3)不同井水力壓裂后的污染物分布較為相似，水力壓裂之后短時間內(nèi)污染物只是分布在壓裂井及水力壓裂區(qū)周圍，隨著時間的增加，逐漸向上部遷移，有斷層的直井和有斷層的水平井進行水利壓裂10000年后污染物前端已經(jīng)接近地表，無斷層的直井、無斷層的水平井污染物遷移的距離分別在950m和944m處。