CN110685659A - 低渗透介质水力压裂改性的三维模拟***及使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例公开了一种低渗透介质水力压裂改性的三维模拟***及使用方法，所述低渗透介质水力压裂改性的三维模拟***包括主体装置、压裂***和测压***；所述的主体装置包括容器、排水底板、土工布、卵石垫层、模拟介质和铅块；所述的压裂***包括储液槽、加压泵、压裂管、压裂液返排管、流量计和压力表。本发明提供的低渗透介质水力压裂改性的三维模拟***以不同级配粘性土及砂岩土为模拟介质实现低渗透性及非均质介质性的刻画，构建的物理模型考虑水平压裂、垂向压裂等多种压裂模式及详尽的控制因素，实现区别于深埋的高地压地质环境，浅层低渗透岩土介质的压裂机理的研究；为促进场地修复治理技术的模式化及规范化提供科学依据。
Description
技术领域
本发明实施例涉及污染场地土壤及地下水环境修复处理领域，具体涉及一种低渗透介质水力压裂改性的三维模拟***及使用方法。
背景技术
污染场地是指土壤或地下水中污染物超过一定阀值，可能产生或已造成场地生态环境破坏的地块。随着社会经济的快速发展和城市布局的调整，对人身健康具有潜在风险的污染场地修复逐渐成为环境热点问题。经过多年的研究，国内外学者对污染场地修复提出多种方法，按修复技术的核心原理，划分为物理、化学、生物及复合处理技术。污染场地在修复过程中，尤其在低渗透介质中，微观上受污染物在介质中固-液-气多相态中的迁移、转化规律的影响；宏观上受不同污染场地水文地质条件差异及介质本身非均质性的控制，使其在修复效率上的存在不确定性，不同污染场地修复经验借鉴意义有限，至今，修复方案多依赖经验及实验室或现场中试确定。
压裂技术最早应用于石油的增产及页岩气开采，通过对岩土层加压形成人造裂隙，并注入粘度剂、支撑剂等防止裂隙闭合。支撑剂一般采用较原生介质更粗的颗粒，填充于压裂形成的裂隙网格，增加介质的渗透性；同时裂隙的延伸可能对介质原生结构产生改变，使非均质性得以改善。国外学者研究表明，压裂缝优先在原生裂隙中扩张，影响介质中压裂网格形态及影响范围的主要因素包括压裂压力，压裂形式，压裂液性质及岩土介质的理化指标等，压裂机理的研究多集中于油、气田开采领域。
在污染场地修复方面，研究多集中于将水力压裂法作为低渗透地层场地修复的预处理方法与其他技术联用以达到修复目标。Shakib等人发现将水力压裂技术与土壤气相抽提技术联合使用时，可增大污染物在固定相和非固定相之间的转化速率；Nilsson向压裂后的裂缝中注入热蒸汽，利用气相抽提的方法处理场地污染，最终使抽提井1.5～3.9m范围内污染物含量降低至43％，在抽提井3.9～5.5m范围内降低至72％。Wendy J.Davis-Hoover利用水力压裂法制造出裂缝后注入氧气、碳源、氮源等，实现低渗透介质污染场地生物修复效率的提升；Tzovolou等人通过试验进一步研究该联用技术对挥发性、半挥发性及非挥发性有机物的去除机理。Siegrist则在DCE污染的场地中采用水力压裂与高级氧化技术联用，以高锰酸钾为氧化剂。10个月后场地内DCE的浓度下降了70％。国内研究对水力压裂机理及其应用的研究较少，仅张久麟以室内柱体物理模型，将水力压裂技术与高级氧化技术联用，将TCE的去除率由43.2％提高到66.3％。
综上所述，水力压裂技术作为重要预处理方法，可与当下多种较为成熟的修复技术联用，对低渗透的污染场地进行修复，并有效的增加人工强化措施效率。
因此，研究一种低渗透介质水力压裂改性的三维模拟***，是对目前场地修复参数来源主要依赖经验、实验室或现场中进行测试等途径的有效补充，对促进场地修复治理技术的模式化及规范化提供科学依据。
发明内容
为此，本发明实施例提供一种低渗透介质水力压裂改性的三维模拟***及使用方法，以解决现有技术中依赖经验、实验室或现场中进行测试的问题。
为了实现上述目的，本发明实施例提供如下技术方案：
根据本发明实施例的第一方面，提供一种低渗透介质水力压裂改性的三维模拟***，包括主体装置、压裂***和测压***；
所述的主体装置包括容器、设置在容器底部的排水底板、设置在排水底板上方的土工布、设置在土工布上方的卵石垫层、设置在卵石垫层上方的模拟介质、以及设置在模拟介质上方的铅块；
所述的压裂***包括储存有压裂液的储液槽、加压泵、压裂管、压裂液返排管、流量计和压力表，所述压裂管的一端伸入容器的卵石垫层，所述压裂管的另一端与加压泵的出口连接，所述加压泵的进口与储液槽连接，所述压裂液返排管的一端与容器底部连通，另一端伸入储液槽内；
所述的测压***包括预留水平压裂管、以及设置在预留水平压裂管上的流量计、压力表和阀门，所述预留水平压裂管的一端与容器外部的压裂管连通，另一端与压裂液返排管连通。
进一步的，所述的压裂液包括蒸馏水、支撑剂和粘度剂。
进一步的，所述支撑剂粒径为0.05～0.5mm。
进一步的，所述粘度剂的质量百分比浓度为1～5％。
进一步的，所述粘度剂包括羧甲基纤维素钠。
进一步的，所述的压裂管上设有流量计、压力表和阀门，所述的压裂液返排管上设有压力表和阀门，调节压裂压力计压裂液流量等重要参数。
进一步的，所述的模拟介质包括粘性土和粉砂刻画多孔介质的非均质性。
进一步的，所述模拟介质的含水量为5％～介质饱和。
根据本发明实施例的第二方面，提供一种低渗透介质水力压裂改性的三维模拟***的使用方法，包括以下步骤：
步骤一、模拟介质填充及理化性质测定；将模拟介质填充入主体装置的容器内，容器内由下至上依次设置排水底板、土工布、卵石垫层、模拟介质和铅块，其中模拟介质在填充前测定初始渗透系数、密度、孔隙度和有机质；
步骤二、主体装置加压测定；采用螺杆泵对模拟介质进行加压，压裂管的布设形式分为垂向及水平布设；通过控制阀门，调节连续加压及脉冲加压两种方式；以介质含水率、压裂粘度剂浓度、支撑剂粒径及压裂压力为控制因素进行正交试验，获得模拟介质改性后渗透系数K值达到1×10-4cm/s为边界求解条件，对应多组介质含水率、压裂粘度剂浓度、支撑剂粒径及压裂压力的数据，并建立介质含水率、压裂粘度剂浓度、支撑剂粒径及压裂压力与渗透系数K的函数关系；
步骤三、改性方式的识别及压裂模式筛选优化；以渗透系数K为边界条件对变量介质含水率、压裂粘度剂浓度、支撑剂粒径及压裂压力求解并分析。
进一步的，所述压裂液中附加投入示踪剂荧光素钠，观测介质裂隙在不同压裂模式下的变化趋势及特征，识别对介质整体渗透性及非均质性的改善的压裂模式。
本发明实施例具有如下优点：本发明实施例提供一种低渗透介质水力压裂改性的三维模拟***，以不同级配粘性土及砂岩土为模拟介质实现低渗透性及非均质介质性的刻画，构建的物理模型考虑水平压裂、垂向压裂等多种压裂模式及详尽的控制因素，增加压裂机理研究可靠性，实现区别于深埋的高地压地质环境，浅层低渗透岩土介质的压裂机理的研究；并为丰富低渗透介质污染场地的修复方法，为促进场地修复治理技术的模式化及规范化提供科学依据。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。
本说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。
图1为本发明实施例1提供的低渗透介质水力压裂改性的三维模拟***的结构示意图；
图中：1—压力表；2—阀门；3—加压泵；4—容器；5—流量计；6—压裂管；7—模拟介质；8—排水底板；9—预留水平压裂管；10—卵石垫层；11—储液槽；12—土工布；13—压裂液；14—铅块；15—压裂液返排管。
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义，下述实施例中的实验材料，若无特别说明，均是来源于商业途径，所述的实验方法，若无特别说明，均为通用实验方法。
针对现有技术中的不足，本案发明人经长期研究和大量实践，得以提出本发明的技术方案，如下将对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。
本发明实施例的一个方面提供了一种低渗透介质水力压裂改性的三维模拟***，包括主体装置、压裂***和测压***；
所述的主体装置包括容器4、设置在容器4底部的排水底板8、设置在排水底板8上方的土工布12、设置在土工布12上方的卵石垫层10、设置在卵石垫层10上方的模拟介质7、以及设置在模拟介质7上方的铅块14；
所述的压裂***包括储存有压裂液的储液槽13、加压泵3、压裂管6、压裂液返排管15、流量计5和压力表1，所述压裂管6的一端伸入容器4的卵石垫层10，所述压裂管6的另一端与加压泵3的出口连接，所述加压泵3的进口与储液槽11连接，所述压裂液返排管15的一端与容器4底部连通，另一端伸入储液槽11内；
所述的测压***包括预留水平压裂管9、以及设置在预留水平压裂管9上的流量计5、压力表1和阀门2，所述预留水平压裂管9的一端与容器4外部的压裂管6连通，另一端与压裂液返排管15连通。
优选的，所述的压裂液包括蒸馏水、支撑剂和粘度剂，但不限于此。
优选的，所述支撑剂粒径为0.05～0.5mm，所述粘度剂的质量百分比浓度为1～5％，所述粘度剂包括羧甲基纤维素钠。
优选的，所述的压裂管6上设有流量计5、压力表1和阀门2，所述的压裂液返排管15上设有压力表1和阀门2。
优选的，所述的模拟介质包括粘性土和粉砂，以刻画多孔介质的非均质性，所述模拟介质的含水量为5％～介质饱和。
根据本发明实施例的第二方面，提供一种低渗透介质水力压裂改性的三维模拟***的使用方法，包括以下步骤：
步骤一、模拟介质7填充及理化性质测定；将模拟介质7填充入主体装置的容器4内，容器4内由下至上依次设置排水底板8、土工布12、卵石垫层10、模拟介质7和铅块14，其中模拟介质7在填充前测定初始渗透系数、密度、孔隙度和有机质；
步骤二、主体装置加压测定；采用螺杆泵对模拟介质7进行加压，压裂管6的布设形式分为垂向及水平布设；通过控制阀门2，调节连续加压及脉冲加压两种方式；以介质含水率、压裂粘度剂浓度、支撑剂粒径及压裂压力为控制因素进行正交试验，获得模拟介质改性后渗透系数K值达到1×10-4cm/s为边界求解条件，对应多组介质含水率、压裂粘度剂浓度、支撑剂粒径及压裂压力的数据，并建立介质含水率、压裂粘度剂浓度、支撑剂粒径及压裂压力与渗透系数K的函数关系；
步骤三、改性方式的识别及压裂模式筛选优化；以渗透系数K为边界条件对变量介质含水率、压裂粘度剂浓度、支撑剂粒径及压裂压力求解并分析。
优选的，所述压裂液13中附加投入示踪剂荧光素钠，观测介质裂隙在不同压裂模式下的变化趋势及特征，识别对介质整体渗透性及非均质性的改善的压裂模式。
本发明所提供的低渗透介质水力压裂改性的三维模拟***的原理在于：以不同配比粘性土加粉砂为模拟介质实现低渗透性及非均质介质性的刻画，基于连续加压及脉冲式加压的试验条件，将压裂压力(PF)，压裂液中粘度剂浓度(α)，介质含水率(θ)，支撑剂颗粒粒径(d)视为变量，构建物理模型的正交试验。根据原位修复方法对介质渗透性的要求，将介质压裂改性的目标K值设置为1×10-4cm/s，并假设为试验求解的边界条件，测定满足条件时，各组试验的PFi,αi,θi,di，并尝试拟合变量与K的函数关系，即K＝F(PFi,αi,θi,di)。
1)构建低渗透介质压裂物理模型
物理模型①试验***包括主体装置、压裂***和测压***，如图1所示。主体装置用于承载模拟介质6，即为压裂过程主要区域，尺寸B×L×H为50cm×50cm×70cm；选用粘性土加粉砂为模拟介质6，填入主体装置，由下至上介质结构分别为排水底板8，土工布12，卵石垫层10，模拟介质7，铅块14。压裂***由压裂液13(蒸馏水+羧甲基纤维素钠)，加压泵3，压裂管6及相关阀门2及流量计5构成。测压***主要由压裂进口端压力表，压裂返排管15的压力表1及主体装置侧壁测压管构成。
2)浅层低渗透介质压裂改性的控制机理研究
测定模拟介质初始渗透系数，密度，孔隙度，有机质等理化指标。
为实现浅层低渗透介质压裂改性控制机理的研究目的，试验考虑的主要控制因素包括介质含水率(θ)，压裂粘度剂(羧甲基纤维素钠)浓度(α)，支撑剂粒径(d)及压裂压力(PF)；物理模型试验压裂方式包括垂向及水平压裂；加压方式包括连续加压及脉冲式加压；试验变量中θ取值范围为5％～饱和态，α取值范围1～5％；d考虑细砂～中砂的粒径范围，即0.05～0.5mm；上述参数间采用正交模式构建试验工况，在试验过程中调节压裂压力(PF)，使模拟介质渗透系数K调节至1×10-4cm/s量级。根据控制因素的输出测定，尝试分析变量(PF,α,θ,d)与K的函数关系。
以下通过若干实施例进一步详细说明本发明的技术方案。然而，所选的实施例仅用于说明本发明，而不限制本发明的范围。
实施例1
本实施例提供一种低渗透介质水力压裂改性的三维模拟***的使用方法，包括以下步骤：
第一步骤，模拟介质7填充及理化性质测定。将模拟介质7填充入主体装置，由下至上介质结构分别为排水底板8，土工布12，卵石垫层10，模拟介质7，铅块14。排水底板8：用于模型流体的泄流；土工布12：保证透水性的同时，防止介质的流失；卵石垫层10：保证模型底部流体的导排通畅；模拟介质7：低渗透介质为研究对象；铅块14覆盖于表层，防止曝气压力过大是，对介质结构的完全破坏。其中模拟介质7在填充进入前需测定的理化指标包括：初始渗透系数，密度，孔隙度，有机质等。
第二步骤：主体装置加压测定。采用WL型螺杆泵(技术参数：流量1.1～150m3/h，压力0.6～2.4MPA，转速180～250r/min)对模拟介质7进行加压，为适用本装置，在出水口设置阀门2对压入模拟介质7的压力及流量进行进一步的控制。压裂管6的布设形式分为垂向及水平布设；通过控制阀门，调节连续加压及脉冲加压两种方式；考虑介质含水率(θ)，压裂粘度剂(羧甲基纤维素钠)浓度(α)，支撑剂粒径(d)及压裂压力(PF)为控制因素进行正交试验。获得模拟介质改性后渗透系数K值达到1×10-4cm/s为边界求解条件时，对应的多组PF,α,θ,d的数据，并建立(PF,α,θ,d)与K的函数关系。
第三步骤：改性方式的识别及压裂模式筛选优化。K为边界条件对变量PF,α,θ,d的求解，仅能说明在改性介质流体的渗流速率达到1×10-4cm/s，但渗流条件的改变是依靠压裂后形成更为显著的“优势通道”或是介质整体渗透性及非均质性的改善来实现，需要进一步分析。本装置在压裂液中附加投入示踪剂荧光素钠，观测介质裂隙在不同压裂模式下的变化趋势及特征，识别对介质整体渗透性及非均质性的改善的压裂模式。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。
Claims (10)
1.一种低渗透介质水力压裂改性的三维模拟***，其特征在于：包括主体装置、压裂***和测压***；
所述的主体装置包括容器、设置在容器底部的排水底板、设置在排水底板上方的土工布、设置在土工布上方的卵石垫层、设置在卵石垫层上方的模拟介质、以及设置在模拟介质上方的铅块；
所述的压裂***包括储存有压裂液的储液槽、加压泵、压裂管、压裂液返排管、流量计和压力表，所述压裂管的一端伸入容器的卵石垫层，所述压裂管的另一端与加压泵的出口连接，所述加压泵的进口与储液槽连接，所述压裂液返排管的一端与容器底部连通，另一端伸入储液槽内；
所述的测压***包括预留水平压裂管、以及设置在预留水平压裂管上的流量计、压力表和阀门，所述预留水平压裂管的一端与容器外部的压裂管连通，另一端与压裂液返排管连通。
2.根据权利要求1所述低渗透介质水力压裂改性的三维模拟***，其特征在于：所述的压裂液包括蒸馏水、支撑剂和粘度剂。
3.根据权利要求2所述低渗透介质水力压裂改性的三维模拟***，其特征在于：所述支撑剂粒径为0.05～0.5mm。
4.根据权利要求2所述低渗透介质水力压裂改性的三维模拟***，其特征在于：所述粘度剂的质量百分比浓度为1～5％。
5.根据权利要求2所述低渗透介质水力压裂改性的三维模拟***，其特征在于：所述粘度剂包括羧甲基纤维素钠。
6.根据权利要求1所述低渗透介质水力压裂改性的三维模拟***，其特征在于：所述的压裂管上设有流量计、压力表和阀门，所述的压裂液返排管上设有压力表和阀门。
7.根据权利要求1所述低渗透介质水力压裂改性的三维模拟***，其特征在于：所述的模拟介质包括粘性土和粉砂。
8.根据权利要求1所述低渗透介质水力压裂改性的三维模拟***，其特征在于：所述模拟介质的含水量为5％～介质饱和。
9.一种如权利要求1—8中任一项所述低渗透介质水力压裂改性的三维模拟***的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、模拟介质填充及理化性质测定；将模拟介质填充入主体装置的容器内，容器内由下至上依次设置排水底板、土工布、卵石垫层、模拟介质和铅块，其中模拟介质在填充前测定初始渗透系数、密度、孔隙度和有机质；
步骤二、主体装置加压测定；采用螺杆泵对模拟介质进行加压，压裂管的布设形式分为垂向及水平布设；通过控制阀门，调节连续加压及脉冲加压两种方式；以介质含水率、压裂粘度剂浓度、支撑剂粒径及压裂压力为控制因素进行正交试验，获得模拟介质改性后渗透系数K值达到1×10-4cm/s为边界求解条件，对应多组介质含水率、压裂粘度剂浓度、支撑剂粒径及压裂压力的数据，并建立介质含水率、压裂粘度剂浓度、支撑剂粒径及压裂压力与渗透系数K的函数关系；
步骤三、改性方式的识别及压裂模式筛选优化；以渗透系数K为边界条件对变量介质含水率、压裂粘度剂浓度、支撑剂粒径及压裂压力求解并分析。
10.根据权利要求9所述的使用方法，其特征在于：所述压裂液中投入示踪剂荧光素钠，以观测介质裂隙在不同压裂模式下的变化趋势及特征，识别对介质整体渗透性及非均质性的改善的压裂模式。
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