[口头报告]油页岩原位热解过程中BTEX迁移扩散及污染含水层研究

油页岩原位热解过程中BTEX迁移扩散及污染含水层研究
编号：1393 稿件编号：2855 访问权限：私有 更新：2023-04-10 10:46:01 浏览：194次 口头报告

报告开始：2023年05月06日 16:52 （Asia/Shanghai）

报告时间：8min

所在会议：[15A] 15A、水文地球科学 » [15A-1] 15A-1 水文地球科学

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摘要
     油页岩作为一种重要的替代能源，以其巨大的储量、丰富的综合利用层次引起了世界关注。目前油页岩开采主要有异位开采（地面干馏）和原位开采两种技术工艺。与异位开采相比，油页岩原位开采具有对地层系统破环较小、占用土地面积较少及水资源消耗量较小等优点，已成为国内外最具前景的开采工艺。油页岩原位开采尚处于试验性开采阶段，热解工艺对地质环境影响方面的相关成果较少，因此探究油页岩原位开采过程中有机污染物迁移扩散规律及污染含水层机理，为实现油页岩能源合理开发利用与环境保护协调发展提供重要的科技支撑。
     研究依托于国家自然科学基金“油页岩原位开采过程中BTEX释放及污染含水层机理研究（42002260）”，采用“野外采样-热解试验-物理模拟-数值模拟-典型矿区初步应用”的技术路线。选取辽宁抚顺油页岩典型矿区为研究区，通过热解和污染物迁移扩散实验确定目标污染物，根据矿区地质信息，利用数值模拟方法，研究原位热解过程扰动地层机理，确定污染物迁移扩散路径。构建实验室尺度苯系物在含水层中迁移转化模型，确定溶解相水动力弥散参数，结合数值模拟获得NAPL相在含水层多孔介质中残余饱和度。利用所建模型，对油页岩上覆含水层中BTEX时空演化进行模拟，揭示BTEX迁移扩散规律及多相转化机制。
主要研究成果如下：
  1. 根据抚顺油页岩矿区地质信息，采用COMSOL Multiphysics多物理场耦合数值模拟软件，建立抚顺油页岩原位开采数值模型，对油页岩原位开采条件下，由热解所导致的油页岩上覆岩层应力场变化及岩层位移进行研究。模拟研究发现：①油页岩热解后期，由于有机质的较快裂解，地层应力场发生了显著变化。②热解导致的地层沉降主要发生在油页岩完全热解区，其上部岩层出现了较明显位移，随热解温度持续升高，地层位移量逐渐增大。③有机质热解后期及无机质发生裂解阶段，油页岩热解区及其上覆边缘产生并逐渐发育导水裂隙带，且可延伸至上部含水层。
  2. 根据原位热解工艺，研发“地层保温单元”装置，模拟油页岩原位热解地层系统。通过地层单元保温试验，模拟油页岩原位热解后地层高温环境下，油页岩/油页岩灰渣释放有机污染物过程，对不同时长上覆介质中有机物进行检测。研究揭示：热解完全油页岩向上覆介质中TOC释放量随保温时间延续呈增大趋势，未热解完全油页岩向上覆介质中TOC释放量随保温时间延续则呈减小趋势，表明油页岩原位热解后仍具有持续污染地层能力及条件。在热解完全和未热解完全油页岩上覆介质中均检测到甲苯、乙苯、二甲苯等可挥发性有机物，确定油页岩原位热解可释放苯系物（BTEX）。
  3. 研发BTEX二维水动力弥散物理模拟装置，开展苯、甲苯、二甲苯、乙苯在含水层中多相迁移实验，通过溶解相苯系物运移过程及特征分析，获得其在含水层中时空分布规律，并用解析法计算确定4种苯系物溶解相水动力弥散参数，苯、甲苯、二甲苯、乙苯纵向弥散度分别为0.114m、0.050m、0.046m、0.053m，横向弥散度分别为1.35×10-7m、3.90×10-7m、3.85×10-7m、2.96×10-7m。通过NAPL相苯系物在含水层中监测分析，发现4种苯系物在含水层介质中主要以水平迁移为主。随时间延续，NAPL相污染晕面积呈扩大趋势，但扩大速率逐渐降低，之后趋于稳定。在物理模拟系统中，建立同一尺度考虑溶质迁移、挥发、溶解及吸附过程数值模拟模型，应用COMSOL Multiphysics 软件进行求解，利用实验数据确定4种苯系物NAPL相残余饱和度。苯系物NAPL相污染晕面积和溶解相浓度特征指标实测值与模拟值拟合效果均较好，所构建模型可用于苯系物多相迁移扩散过程模拟。
  4. 根据研究区地质及水文地质条件，考虑油页岩原位热解对含水层造成的影响，建立油页岩原位热解场景下BTEX进入含水层后的迁移扩散模型，模拟含水层多孔介质中苯、甲苯、二甲苯、乙苯多相迁移扩散过程，阐释BTEX多相形成、分布演化规律及污染含水层机制。研究发现，4种苯系物运移至含水层后，其NAPL相及溶解相在含水层中进行垂向及水平向迁移。60-80d，NAPL相通过含水层，达到含水层与上覆介质交汇处，并在此汇聚。随时间延续，NAPL相污染晕面积逐渐扩大，至140-180d趋于稳定。溶解相污染晕面积随时间延续不断扩大，其污染浓度峰值区随NAPL相运移而分布。NAPL相污染晕形成后，残留在多孔介质中NAPL相处于持续溶解过程。至500d，NAPL相污染晕面积不再扩大，平均饱和度逐渐降低，而溶解相污染晕面积持续增大，为NAPL相3-5倍。多相迁移扩散研究揭示，溶解相污染物运移较快、产生污染晕面积较大，NAPL相污染过程比溶解相更为持久，构成溶解相新生污染源。
  5.       油页岩原位热解过程中BTEX 迁移扩散及污染含水层研究，对认识和揭示油页岩原位开采过程中有机污染物释放规律、向含水层输送机制具有重要的理论意义，对油页岩原位开采过程中地下水环境保护具有重要实际意义。
关键字
苯系物,迁移扩散,油页岩,原位开采,含水层
报告人
李晴宇
吉林大学

稿件作者
李晴宇 吉林大学
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