油氣田壓裂返排液中污染氣體濃度及擴散模型研究

關鍵詞：延安油氣田；壓裂返排液；污染氣體濃度；點一線一面源；擴散模型

中圖分類號：X511 文獻標志碼：B

前言

隨著科技和工業的快速發展，環境的開發與利用均從廣度上與深度上呈指數遞增。因不合理的工業布局和過快的城鎮化進程等引發的環境污染問題日漸顯著，嚴重威脅著社會的長遠發展。空氣中的污染氣體排放量達到一定濃度，嚴重損害人類和動植物健康。在油氣領域中，污染氣體的排放問題較為嚴重。為緩解油氣能源危機，油氣工業普遍采取壓裂作業技術進行勘探開采。壓裂作業后返排到地上的壓裂廢液中含有大量的污染氣體，影響區域空氣質量。為此，對污染氣體進行研究具有重要的研究價值。

關于污染氣體的研究工作相繼開展，但大多數集中在農業領域。魏佳欣等通過動態箱手段，取得氨氣、甲烷等污染氣體的排放量，以找到減排效果顯著的沼液覆蓋材料。李旺旺等利用設計的實驗室規模系統，，以取得能夠有效減排污染氣體的堆肥處理藥劑。顧沈怡等針對畜禽糞便堆肥排放的活性氮污染氣體，以實現高效保氮，畜禽糞便高效資源化。然而上述方法在實驗室規模的系統中進行，而真實的廢棄物處理場景通常更為復雜，無法反映實際場景中的效果。

為此，研究油氣田壓裂返排液中污染氣體濃度及擴散模型。對主要揮發性有機物成分進行定量測定。從點源、線源、面源擴散模式出發，建立污染氣體擴散模型。

1研究區域概況介紹

延安油氣田地處鄂爾多斯盆地的伊陜斜坡東南部，屬于華北地臺西部。油氣田構造平緩，坡度不足10，包含五個一級構造單元，分別是天環坳陷、渭北隆起、晉西撓褶帶、伊陜斜坡和伊盟隆起，含氣層位主要以上石炭統本溪組、上古生界中二疊統石盒子組、下二疊統山西組為主，儲層類型為特低孔、特低滲致密類，孔隙度、滲透率等物理屬性的數值范圍分別是3.4%～10.5%、0.07mD～0.42mD。該油氣田井區主要有延2、延128、延145，各井區的生產井分別有227口、210口、103口，屬于混合型井網模式。其中，直井型生產井占比為51.85%，側鉆型為14.81%，定向型與水平型分別為31.11%和2.22%。選取含氣層系較為復雜且跨度較大的區域作為研究目標，分析進行壓裂作業后返排液中的污染氣體濃度及擴散形式。

2方法設計

2.1污染氣體樣本采集與分析

在延安油氣田內，選取盒8段+山1段+山2段+本溪組作為氣體樣本采集區域。污染氣體樣本采集步驟為：

（1）為了不影響分析精度，保證污染氣體樣本質量，連接清洗儀和蘇瑪罐，真空處理兩分鐘，持續一分鐘灌人高純氮氣。重復數次操作，并保證蘇瑪罐中的污染氣體在揮發性有機物方法的檢出限之內。

（2）在10處采集地點，通過瞬時采樣方式，在大氣壓強的作用下，將空氣樣本在蘇瑪罐閥門打開的瞬間吸人蘇瑪罐中，完成污染氣體樣本采集。污染氣體樣本采集區域10處采集地點見圖1。

（3）從當月12日6點，連續采集12次，采集時間間隔為兩小時，標記好各樣本的采集地點后，帶回實驗室以待研究。

在進行污染氣體分析時，根據To-15與臭氧前體混合物的環保標準氣，明確污染氣體樣本中的揮發性有機物成分，由此分析污染氣體濃度。

在采集和分析從返排液揮發至空氣中污染氣體樣本的過程中，所使用的儀器與試劑包括：V-true Sampler 200型多通道蘇瑪罐采樣器，CC08型全自動蘇瑪罐清洗儀，ZJH-600型帶溢流閥羅茨真空泵，7200型大氣預濃縮儀，To-15型臭氧前體混合物（環保標準氣），99.999%（5N）純度的高純氮氣。

3結果與分析

3.1污染氣體成分測定

研究區域中的油氣田壓裂返排液中污染氣體樣本中含有烷烴、烯烴、氧化物等幾大類揮發性有機物成分。其中，檢出率較大的前幾種污染成分分別是甲烷、丙烷、戊烷、丙烯、一氧化碳、二氧化硫污染物。對于不同的污染氣體成分，使用MATLAB進行污染氣體擴散模型仿真實驗。建立相應的方程和算法。根據參數輸入和初始條件，實現污染氣體濃度與擴散過程的模擬。

3.2污染氣體的不同成分濃度

根據連續12次的污染氣體分析結果，獲取各污染成分濃度，不同污染成分的日排放濃度示意圖見圖2。

3.3污染氣體擴散形式

利用擴散模型描述六種污染成分的擴散分布形式，已知試驗活動當天的風向為西北風，下風口方向為東南向；點（0，0）表示返排池中心。由此可見，返排液中的污染氣體一旦排出，就會在風速、風力、大氣穩定度等因素的影響下，迅速從排放點擴散至下風口方向，即從點（0，0）以點源、線源、面源等形式向點（100，100）方向擴散。污染氣體擴散示意圖見圖3。

綜合圖3中的各污染成分的濃度變化趨勢可以看出，擴散過程具有一定的規律性。各污染成分的最大濃度均位于返排池上方，分別是843.45mg/m³、4.52mg/m³、15.88mg/m³、34.59mg/m³、0.63mg/m³、4.66mg/m³。污染氣體濃度隨風向以不同程度向下風口處遞減，呈現出不同位置、不同時間下氣體樣本污染成分濃度不同的情況，從而準確描述出污染氣體的擴散分布模式。結合各污染成分密度后發現，密度較小的丙烯、一氧化碳、二氧化硫三種污染成分擴散時的濃度削減程度相較于密度較大的烷烴類揮發性有機物成分更弱，擴散至下風口處的氣體濃度更高，符合客觀事實和科學規律。

4結束語

油氣田低滲透性油層的開發是提高石油、天然氣等能源產量的主要途徑，但返排液中有害氣體的逸散，會加劇污染。為確保環境與經濟的平衡，研究油氣田壓裂返排液中污染氣體濃度及擴散模型，促進油氣田可持續開發利用。針對延安油氣田壓裂返排液中含有的污染氣體，分別設計出氣體樣本采集、處理、分析與測定的流程，及以湍流擴散和濃度梯度擴散相關性為依據的擴散模型。根據擴散分布形式可知，研究區域的污染氣體濃度多于午間達到峰值，且日間多高于夜間，受人類社會活動活躍度影響較大。氣體從返排液排出后，在風力等因素的影響下，迅速從排放點擴散至下風口方向，呈現出返排池處濃度最高，以不同程度向下風口處遞減的擴散分布模式。