一种低渗透污染场地增渗过程监测方法与流程

本发明涉及污染场地修复技术领域，特别涉及一种低渗透污染场地增渗过程监测方法。

背景技术：

在先前的军事或者工业活动中，遗留了大量的包含地下水污染羽，污染土的污染场地，尽管在许多污染场地的修复方面已取得进展，但仍有相当数量的复杂污染场地在未来50至100年内采用传统修复手段可能无法实现修复，此类复杂污染场地包括低渗透污染场地，由于现场地质条件复杂，低渗透污染场地使用行之有效的环境修复方法很难在合理的时间内达到修复效果。针对此类低渗透污染场地修复，原位修复技术被认为是稳定重金属、去除土壤和地下水中挥发/半挥发性有机污染物的有效方法之一。原位修复技术减少了场地堆存的限制及因运输带来的额外修复成本。

压裂增渗技术是低渗透污染场地原位修复的重要发展，通过压裂介质，增加污染地层的裂隙发育，使得污染岩土颗粒充分暴露于修复药剂中，提高了修复效果。同时，为防止地层压裂后，裂隙随压力的消散而闭合，协同构建于能源开采领域压裂增渗过程的支撑剂是维持地层渗透性的关键材料。因此，压裂增渗的效果不仅与压裂后裂缝的导流能力还和支撑剂的分布规律，基于裂缝监测结果的施工工艺有关。因此，有效的裂缝监测技术对提高低渗透污染场地压裂增渗效果尤为重要，掌握裂缝的特征和支撑剂在裂缝中的分布规律对部署井位和井间距、优化裂隙参数和施工工艺、提高修复效果等具有重要的实际意义。

在环境修复现场，直接侵入性采样可能会受到严重限制，例如，由于现有基础结构所导致的不可取样，地下水成分的危险性和/或钻探可能会增加污染物传输途径并允许裂缝之间的交叉污染通过新近裸眼连通。裂隙岩土材料的地球物理性质取决于固体的固有性质以及填充裂缝的液相和气相，裂隙的几何排列和连通性也强烈影响某些地球物理性质，例如电导率，而电，电磁和雷达方法对它们很敏感，此外，裂隙本身的地球物理性质受到填充裂缝的材料(支撑剂，液相以及气相等)的强烈控制。因此，地球物理方法越来越多地用于污染场地修复点的表征和监测。与原位采样相比，地球物理方法公认的优势是所包含信息的空间连续性，这使它们对于在远离井眼/井眼之间进行空间结构插值具有吸引力。

目前应用于压裂裂缝监测的方法有许多，但都存在一定的局限性。应用较为广泛的是微地震裂隙监测方法，但该方法存在着精确度不高，尤其在低渗透污染场地黏土及软土层，地震波衰减更大，且无法监测支撑剂分布情况及数据反演计算量大等不足。微斜测井仪通过地层倾斜来反演确定裂缝参数，不能区分压开和未压开层段，也不能确定裂隙是否延伸的区域，对支撑剂形态分布更是难以预测，声学测井在软土地层中不适用，温度测井中，温度响应和支撑剂分布无关，示踪剂可能带来二次污染。近年来，基于磁性支撑剂的裂隙监测方法在水力压裂中得到了应用，然而在低渗的污染场地中，该方法对支撑剂的分布规律监测具有效果，由于支撑剂的可能嵌入压裂地层，因此，裂隙发育规律监测令人质疑。利用地层的岩土材料、支撑剂与岩土材料界面、支撑剂三者之间的导电性差异，电法可监测裂隙发育的长度和深度，然而对支撑剂的分布难以取得满意的效果。

技术实现要素：

本申请提供了一种低渗透污染场地增渗过程监测方法，解决了现有在低渗的污染场地中，基于磁性支撑剂的裂隙监测方法对支撑剂的分布规律监测未能取得满意效果的技术问题，实现了通过监测污染场地增渗过程获取数据用于压裂工艺包括泵入压力、流量、同一位置的压裂次数及间隔时间，焖井时间，支撑剂泵入时间与压力等参数优化，为低渗透污染场地压裂增渗提供参考和依据。

本申请所提供的一种低渗透污染场地增渗过程监测方法，包括以下步骤：

对低渗透污染场地进行勘查；

对所述低渗透污染场地进行无水压裂与支撑剂充填；

采集所述无水压裂与支撑剂充填完成后的所述低渗透污染场地的磁场分布及电导率分布；

根据所述磁场分布及电导率分布进行所述低渗透污染场地的地层信息反演；

根据所述地层信息反演的结果调整所述压裂作业的工艺参数。

作为优选，所述对低渗透污染场地进行勘查，包括：

根据前期勘察报告确定所述低渗透污染场地的污染类型、污染程度、地层分布类型、地下水位；

勘探所述低渗透污染场地各地层的渗透性分布、含水率分布、温度分布；

获取增渗前所述低渗透污染场地的电导率分布以及磁场分布。

作为优选，各所述地层的渗透性的勘探过程为：地表2米以内采用双环试验确定，超过2米采用注水法确定；

各所述地层的含水率及介电常数通过时域反射仪测试获得；

各所述地层的电导率通过电极测试获得；

各所述地层的温度通过温度传感器获得；

各所述地层的水平磁场及垂直磁场通过磁力传感器获得；

根据各所述地层的渗透性、含水率、介电常数、电导率、温度、水平磁场及垂直磁场，分别运用插值法获得所述低渗透污染场地的渗透性分布、含水率分布、介电常数分布、电导率分布、温度分布、磁场分布。

作为优选，对所述低渗透污染场地进行无水压裂与支撑剂充填，包括：

所述无水压裂为：通过高压泵组将压裂液经钻杆通道压入所述低渗透污染场地的地下，形成裂隙；

所述支撑剂充填为：将导电磁性支撑剂导入所述裂隙中；

所述压裂液为高压氮气、液氮、超临界二氧化碳中的一种或多种组合；

所述高压泵组的压力控制在0.5～30mpa；

所述钻杆上装有磁力传感器、温度传感器及电极。

作为优选，采集所述无水压裂与支撑剂充填完成后的所述低渗透污染场地的磁场分布，包括：

对所述低渗透污染场地的目标层位进行压裂作业，所述支撑剂注入压裂井的井筒，通过各个位置的所述磁力传感器获得对应位置的磁场值，根据各个位置的所述磁场值确定压裂作业后的磁场分布；

设置所述支撑剂的注入参数，所述支撑剂充填作业完成后，再次测量含所述支撑剂的地层的磁场值，根据含所述支撑剂的地层的所述磁场值确定支撑剂充填后的磁场分布；

压裂作业后的磁场分布及支撑剂充填后的磁场分布的数据采集完成后，进行磁场分布数据的误差矫正和储存。

作为优选，采集所述无水压裂与支撑剂充填完成后的所述低渗透污染场地的电导率分布，包括：

对所述低渗透污染场地的目标层位进行压裂作业，所述支撑剂注入压裂井的井筒，通过各个位置的所述电极获得对应位置的电导率值，根据各个位置的所述电导率值确定压裂作业后的电导率分布；

设置所述支撑剂的注入参数，所述支撑剂充填作业完成后，再次测量各个位置的电导率值，根据各个位置的电导率值确定支撑剂充填后的电导率分布；

压裂作业后的电导率分布及支撑剂充填后的电导率分布的数据采集完成后，进行电导率分布数据的处理和储存；

电导率测量采用三维直流电法、高密度电法，通过程控电极转换实现水平剖面和垂直剖面不同电极间距和不同排列顺序的电导率测量；

所述电导率分布数据的处理，具体为：剔除温度等对电导率的影响，采用公式：

t为测试点当前温度，ρ18为18℃下岩土体电阻率，α为温度修正系数，选用范围为0.020～0.040。

作为优选，根据所述磁场分布及电导率分布进行所述低渗透污染场地的地层信息反演，包括磁信号异常地层信息反演，具体为：

根据采集的支撑剂充填作业完成后的地层的磁场值，扣除增渗前所述低渗透污染场地的磁场值，获得磁异常信号点数据，由所述磁异常信号数据通过插值获得当次压裂注入支撑剂后等值线图，基于所述等值线图分析磁性支撑剂分布形态及运移距离。

作为优选，根据所述磁性支撑剂分布形态可分为团状、树枝状、伞状三类。

作为优选，根据所述磁场分布及电导率分布进行所述低渗透污染场地的地层信息反演，还包括电信号异常信息反演，具体为：

根据压裂后地层位点水平方向和垂直方向的电导率值，插值获得空间上的电导率分布，并针对岩土体的地质环境各因素与电导率的关系，采用经验公式为：

式中：ρ为岩土体电阻率，单位ω·m；ρm为岩土体颗粒电阻率，单位ω·m，ρci为黏性土电阻率，单位ω·m；ρw为水的电阻率，单位ω·m；ρa为空气电阻率，单位ω·m；pci为黏土含量；为孔隙度；sw为饱和度。

由所述经验公式可获取孔隙度的分布特征，以此获取空间上裂隙形态的分布。

作为优选，根据所述地层信息反演的结果调整所述压裂作业的工艺参数，所述压裂作业的工艺参数包括：支撑剂泵入时间与压力、流量、同一位置的压裂次数与间隔时间、焖井时间。

本申请实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

本申请基于基于电导磁性支撑剂，以地球物理方法为理论基础，导电磁性支撑剂为场信号差异源，对增渗过程进行监测；当裂隙的出现和发育并填入导电支撑剂时，会明显改变土体的导电性，并且磁性支撑剂的导入会改变磁场原有的磁信号，通过监测井上或井下地层水平和垂直方向的磁信号差异与电导率的差异变化，综合反演地层信息，动态评估增渗效果及裂隙扩展程度、支撑剂流动路径。本申请通过监测污染场地增渗过程获取数据用于压裂工艺包括泵入压力、流量、同一位置的压裂次数及间隔时间，焖井时间，支撑剂泵入时间与压力等参数优化，为低渗透污染场地压裂增渗提供参考和依据。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1为本申请实施例提供的低渗透污染场地增渗过程监测方法的流程示意图；

图2为本申请实施例提供的低渗透污染场地增渗过程监测原理图；

图3为本申请实施例提供的低渗透污染场地的电极与传感器的布设示意图；

图4为本申请实施例提供的低渗透污染场地压裂增渗完成后的支撑剂的形态分布图。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

参见附图1和2，本申请提供一种低渗透污染场地压裂增渗过程的监测方法，具体以地球物理方法为理论基础，导电磁性支撑剂为场信号差异源，对增渗过程进行监测。当裂隙的出现和发育并且填入导电支撑剂时，会明显改变土体的导电性，并且磁性支撑剂的导入会改变磁场原有的磁信号，通过监测井上或井下地层水平和垂直方向的磁信号差异与电导率的差异变化，综合反演地层信息，动态评估增渗效果及裂隙扩展程度、支撑剂流动路径。

本申请所提供的一种低渗透污染场地增渗过程监测方法，参见附图1，包括以下步骤：

s1：对低渗透污染场地进行勘查；

s2：对低渗透污染场地进行无水压裂与支撑剂充填；

s3：采集无水压裂与支撑剂充填完成后的低渗透污染场地的磁场分布及电导率分布；

s4：根据磁场分布及电导率分布进行低渗透污染场地的地层信息反演；

s5：根据地层信息反演的结果调整压裂作业的工艺参数。

下面通过具体实施例来详细介绍该低渗透污染场地增渗过程监测方法，包括以下步骤：

步骤1、低渗透污染场地勘察

低渗透污染场地勘察包括，根据前期勘察报告确定场地污染类型、污染程度，地层分布类型，地下水位等，补充勘探各地层渗透性，地层含水率分布，温度等信息，以及确认增渗前地层电导率分布特性、水平磁场分布以及垂直磁场分布等地球物理信息。

渗透性测试，地表2米以内采用双环试验确定，超过2米，采用注水法确定；地下水位以上地层含水率、介电常数的确定采用时域反射仪测试，电导率采用电极测试，基于温度传感器监测各地层温度，时域反射仪传感器和温度传感器布设间隔为1～5米，同一岩性地层深度间隔1～3米，并确保不同岩性地层均含传感器。磁场分布监测所用的测试设备为磁力仪，优选为超导量子干涉磁力仪、量子光学高灵敏度磁力仪。测线沿东西和南北两个方向布置，间距10～20米，基于上述测量结果后，通过插值获得整个场地地层渗透性，含水率，电导率以及磁场等分布图，作为后续压裂工艺背景值。

步骤2、无水压裂与支撑剂充填

低渗透污染场地压裂增渗采用无水压裂，压裂液由高压泵组经钻杆通道压入地下，增加地层孔隙性，导电磁性支撑剂导入用于支撑裂隙防闭合，压裂井和邻井钻杆上均装有磁力计传感器、温度传感器及电极。

压裂液为高压氮气、液氮、超临界二氧化碳等一种和几种组合，高压泵组0.5～30mpa压力可调。支撑剂为自悬浮导电磁性支撑剂，堆积密度低于1g/cm³，粒径小于80μm，磁化强度为2～6emu/g，导电率为0.1～0.01s/cm。磁力计传感器采用霍尔效应磁传感器、巨磁阻传感器、磁通门传感器中的一种，传感器与电极沿环向间隔30～60°，沿钻杆2～10cm布设，用于测试压裂井和邻井周围支撑剂分布与裂隙发育情况，如图3所示。钻头进尺每次为0.5～0.8m。

步骤3、磁场信号采集系统

上述布设的地面磁力计、压裂井磁力计和邻井磁力计分别与计算机数据处理中心通讯连接，钻头到达目标层位后，在压裂设备启动之前，测量初始背景值，根据步骤1所得数据，调整压裂参数，启动压裂设备，对目标层位进行压裂作业，支撑剂注入压裂井井筒，第二次测试磁场分布，设置支撑剂注入参数，完成作业后，再次测量地层含支撑剂的磁场分布。数据采集完成后，传输至处理中心进行误差矫正储存。

磁场分布测量，包括三分量磁场值与总磁场值以及方向；所述数据采集包括采样、量化、编码以及误差矫正，采样满足奈奎斯特采样定理。采样有效位不低于19位、2khz；误差矫正包括三轴非正交性误差矫正、零偏误差矫正、刻度因素误差矫正以及外界干扰信号过滤。

步骤4、电场信号采集系统

地层电导率测量采用三维直流电法、高密度电法，通过程控电极转换实现水平剖面和垂直剖面不同电极间距和不同排列顺序的电导率测量。采集数据经数据处理中心进行处理存储。

数据处理包括剔除温度等对电导率的影响。考虑温度影响采用公式：

t为测试点当前温度，ρ18为18℃下岩土体电阻率，α为温度修正系数，针对低渗透污染地层岩土特性，选用范围为0.020～0.040。

步骤5、地层信息反演

磁信号异常地层信息反演，根据上述步骤3采集的磁场信号，扣除相应背景值，获得磁异常信号点数据，由磁异常信号数据通过插值获得当次压裂注入支撑剂后等值线图，基于等值线图分析磁性支撑剂分布形态。

通过上述步骤4获得压裂后位点水平方向和垂直方向的电导率值，插值获得空间上的电导率分布图，并针对岩土体的地质环境各因素与电导率的关系，采用经验公式为：

式中：ρ为岩土体电阻率，ω·m，ρm为岩土体颗粒电阻率，ω·m，ρci为黏性土电阻率，ω·m，ρw为水的电阻率，ω·m，ρa为空气电阻率，ω·m，pci为黏土含量，为孔隙度，sw为饱和度。

由上述公式，可获取孔隙度的分布特征，以此获取空间上裂隙形态的分布。单次压裂后加入焖井工艺，连续扫描电导率变化，可获取裂隙发育的时间变化规律。

步骤6、压裂工艺优化

采用磁信号异常分析获取支撑剂的分布形态及运移距离。支撑剂的形态分布可分为团状、树枝状、伞状三类，如图4所示。

支撑剂的作用是支撑裂隙不闭合，因此，尽可能多的裂隙中充填有支撑剂对渗透是有利的。由于导入支撑剂的压力过大或者过小，都达不到理想的效果，根据支撑剂的形态分布，可以反馈调节支撑剂泵入压力，以达到最优效果，当支撑剂形态为团状时，应适当增加压力，而成伞状时，需适当减少压力。

电导率的分布揭示了裂隙扩展程度、裂隙发育的特征以及裂隙中支撑剂与岩土层、支撑剂之间的接触情况，以及裂隙随时间的变化情况，根据电导率监测结果，可以调整压裂工艺，包括泵入压力、流量、同一位置的压裂次数及间隔时间，焖井时间，支撑剂泵入时间与压力。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。