油气田压裂返排液中污染气体浓度及扩散模型研究

关键词：延安油气田；压裂返排液；污染气体浓度；点一线一面源；扩散模型

中图分类号：X511 文献标志码：B

前言

随着科技和工业的快速发展，环境的开发与利用均从广度上与深度上呈指数递增。因不合理的工业布局和过快的城镇化进程等引发的环境污染问题日渐显著，严重威胁着社会的长远发展。空气中的污染气体排放量达到一定浓度，严重损害人类和动植物健康。在油气领域中，污染气体的排放问题较为严重。为缓解油气能源危机，油气工业普遍采取压裂作业技术进行勘探开采。压裂作业后返排到地上的压裂废液中含有大量的污染气体，影响区域空气质量。为此，对污染气体进行研究具有重要的研究价值。

关于污染气体的研究工作相继开展，但大多数集中在农业领域。魏佳欣等通过动态箱手段，取得氨气、甲烷等污染气体的排放量，以找到减排效果显著的沼液覆盖材料。李旺旺等利用设计的实验室规模系统，，以取得能够有效减排污染气体的堆肥处理药剂。顾沈怡等针对畜禽粪便堆肥排放的活性氮污染气体，以实现高效保氮，畜禽粪便高效资源化。然而上述方法在实验室规模的系统中进行，而真实的废弃物处理场景通常更为复杂，无法反映实际场景中的效果。

为此，研究油气田压裂返排液中污染气体浓度及扩散模型。对主要挥发性有机物成分进行定量测定。从点源、线源、面源扩散模式出发，建立污染气体扩散模型。

1研究区域概况介绍

延安油气田地处鄂尔多斯盆地的伊陕斜坡东南部，属于华北地台西部。油气田构造平缓，坡度不足10，包含五个一级构造单元，分别是天环坳陷、渭北隆起、晋西挠褶带、伊陕斜坡和伊盟隆起，含气层位主要以上石炭统本溪组、上古生界中二叠统石盒子组、下二叠统山西组为主，储层类型为特低孔、特低渗致密类，孔隙度、渗透率等物理属性的数值范围分别是3.4%～10.5%、0.07mD～0.42mD。该油气田井区主要有延2、延128、延145，各井区的生产井分别有227口、210口、103口，属于混合型井网模式。其中，直井型生产井占比为51.85%，侧钻型为14.81%，定向型与水平型分别为31.11%和2.22%。选取含气层系较为复杂且跨度较大的区域作为研究目标，分析进行压裂作业后返排液中的污染气体浓度及扩散形式。

2方法设计

2.1污染气体样本采集与分析

在延安油气田内，选取盒8段+山1段+山2段+本溪组作为气体样本采集区域。污染气体样本采集步骤为：

（1）为了不影响分析精度，保证污染气体样本质量，连接清洗仪和苏玛罐，真空处理两分钟，持续一分钟灌人高纯氮气。重复数次操作，并保证苏玛罐中的污染气体在挥发性有机物方法的检出限之内。

（2）在10处采集地点，通过瞬时采样方式，在大气压强的作用下，将空气样本在苏玛罐阀门打开的瞬间吸人苏玛罐中，完成污染气体样本采集。污染气体样本采集区域10处采集地点见图1。

（3）从当月12日6点，连续采集12次，采集时间间隔为两小时，标记好各样本的采集地点后，带回实验室以待研究。

在进行污染气体分析时，根据To-15与臭氧前体混合物的环保标准气，明确污染气体样本中的挥发性有机物成分，由此分析污染气体浓度。

在采集和分析从返排液挥发至空气中污染气体样本的过程中，所使用的仪器与试剂包括：V-true Sampler 200型多通道苏玛罐采样器，CC08型全自动苏玛罐清洗仪，ZJH-600型带溢流阀罗茨真空泵，7200型大气预浓缩仪，To-15型臭氧前体混合物（环保标准气），99.999%（5N）纯度的高纯氮气。

3结果与分析

3.1污染气体成分测定

研究区域中的油气田压裂返排液中污染气体样本中含有烷烃、烯烃、氧化物等几大类挥发性有机物成分。其中，检出率较大的前几种污染成分分别是甲烷、丙烷、戊烷、丙烯、一氧化碳、二氧化硫污染物。对于不同的污染气体成分，使用MATLAB进行污染气体扩散模型仿真实验。建立相应的方程和算法。根据参数输入和初始条件，实现污染气体浓度与扩散过程的模拟。

3.2污染气体的不同成分浓度

根据连续12次的污染气体分析结果，获取各污染成分浓度，不同污染成分的日排放浓度示意图见图2。

3.3污染气体扩散形式

利用扩散模型描述六种污染成分的扩散分布形式，已知试验活动当天的风向为西北风，下风口方向为东南向；点（0，0）表示返排池中心。由此可见，返排液中的污染气体一旦排出，就会在风速、风力、大气稳定度等因素的影响下，迅速从排放点扩散至下风口方向，即从点（0，0）以点源、线源、面源等形式向点（100，100）方向扩散。污染气体扩散示意图见图3。

综合图3中的各污染成分的浓度变化趋势可以看出，扩散过程具有一定的规律性。各污染成分的最大浓度均位于返排池上方，分别是843.45mg/m³、4.52mg/m³、15.88mg/m³、34.59mg/m³、0.63mg/m³、4.66mg/m³。污染气体浓度随风向以不同程度向下风口处递减，呈现出不同位置、不同时间下气体样本污染成分浓度不同的情况，从而准确描述出污染气体的扩散分布模式。结合各污染成分密度后发现，密度较小的丙烯、一氧化碳、二氧化硫三种污染成分扩散时的浓度削减程度相较于密度较大的烷烃类挥发性有机物成分更弱，扩散至下风口处的气体浓度更高，符合客观事实和科学规律。

4结束语

油气田低渗透性油层的开发是提高石油、天然气等能源产量的主要途径，但返排液中有害气体的逸散，会加剧污染。为确保环境与经济的平衡，研究油气田压裂返排液中污染气体浓度及扩散模型，促进油气田可持续开发利用。针对延安油气田压裂返排液中含有的污染气体，分别设计出气体样本采集、处理、分析与测定的流程，及以湍流扩散和浓度梯度扩散相关性为依据的扩散模型。根据扩散分布形式可知，研究区域的污染气体浓度多于午间达到峰值，且日间多高于夜间，受人类社会活动活跃度影响较大。气体从返排液排出后，在风力等因素的影响下，迅速从排放点扩散至下风口方向，呈现出返排池处浓度最高，以不同程度向下风口处递减的扩散分布模式。