南极冰钻钻井液对环境影响的数值模拟

【摘要】随着经济全球化的快速发展，各国对资源的需求量不断增大，同时也带来了很多问题，例如资源的过度开采与利用、环境污染和气候变化问题等。为了解决人类共同关心的资源、环境、气候等问题，世界上越来越多的国家开始重视对南极的科学研究，在南极大陆建设了科学考察站并且开展冰层取心科学钻探工作。保证南极冰层取心钻进的关键技术之一就是安全环保、性能优良的超低温钻井液，在深入分析国内外极地钻探工作中使用过钻井液的基础上，根据南极冰穹A地区冰层特点及其对钻井液的要求，开展超低温钻井液各组成材料的理论分析，确定了用于南极冰层取心钻进用钻井液的类型，测试了脂肪酸酯及其混合物在不同温度条件下粘度和密度，对钻井液在低温条件下的变化机理进行了深入的理论分析。南极深冰层取心钻探是南极科学考察的重要组成部分，通过获得高质量冰岩心样品对冰层的结构组成、力学性质、冰的动力学特性等一系列的问题进行深入的研究，同时也需要对目前未知的冰层与基岩的接触关系进行研究，以获得南极地质构造与资源的相关信息，指导今后的极地科学考察工作。在从事极地钻探时，必须要使用到钻井液，为了更好地保护南极环境，必须研究出一种低污染的钻井液体系。在认真分析南极DomeA具体的地理条件及所钻岩层的特点的基础上，对钻井液在冰雪层、冰层及冰下基岩层的渗漏、钻井液在使用过程中的挥发等可能对南极的环境所造成的污染等问题进行了系统的分析，确定了的钻井液污染的评估方法。利用VisualModflow软件对钻井液在冰层及冰下基岩层的渗漏问题进行了数值模拟；利用EIAProA软件对钻井液的挥发对极地气候的影响进行数值模拟，建立相应的数学模型，研究分析了钻井液对南极空气、积雪、冰、冰下岩石等的影响规律，对加强南极的环境保护具有十分重要的现实与长远意义。论文以建立钻探场区地下水系统数学模型为基础，通过对钻探场区自然地理、水文地质条件的分析，将雪层、基岩层作为数值模拟的对象，采用地下水软件VisualModflow建立地下水水流模型和溶质运移数值模型，对钻探场区雪层、基岩层污染物的运移和扩散进行数值模拟，预测在未来几年内污染物在雪层、基岩层内的浓度和污染羽范围。⑴雪层：弥散系数等于0.1[1/(mg/L)]时，4年后，运移最大浓度C4=70mg/L，污染面积S4≈0.4880m2，10年后，运移最大浓度C10=160mg/L，污染面积S10≈0.6283m2；弥散系数等于0.01[1/(mg/L)]时，4年后，运移最大浓度C4=450mg/L，污染面积S4≈1.4752m2，10年后，运移最大浓度C10=700mg/L，污染面积S10≈3.719m2；弥散系数等于0.001[1/(mg/L)]时，4年后，运移最大浓度C4=1200mg/L，污染面积S4≈9.8779m2，10年后，运移最大浓度C10=1200mg/L，污染面积S10≈28.3447m2；⑵岩层：弥散系数等于0.1[1/(mg/L)]时，4年后，运移最大浓度C4=400mg/L，污染面积S4≈0.0150m2，10年后，运移最大浓度C10=1000mg/L，污染面积S10≈0.0170m2；弥散系数等于0.01[1/(mg/L)]时，4年后，运移最大浓度C4=4000mg/L，污染面积S4≈0.0150m2，10年后，运移最大浓度C10=10000mg/L，污染面积S10≈0.0170m2。从模型的预测结果可以看出，钻井液在水平方向上污染物主要依靠其本身的弥散作用运移，弥散系数减小时，污染物运移最大浓度增加，污染羽面积增加。论文以低脂肪酸酯为钻井液，并将其作为污染物，分析了污染物随着时间运移扩散的变化情况，预测的结果基本上反映了整个钻探场区内溶质运移的分布规律。这种分析与预测方法适合于研究钻井液在冰雪层、基岩层中的扩散问题，也能准确地评估钻井液对地层所产生的环境影响。采用大气环评专业辅助系统EIAProA建立大气预测模型，依据大气预测模型结果提出有效的保护措施。首先对估算模式SCREEN3进行介绍，设置模型参数，模拟并分析了各参数对最大占标率和浓度的影响规律：当气体流量由25m3/s减小到10m3/s时，污染物最大占标率由Pmax=27.18％增加到Pmax=284％，最大浓度由1.36E-01增加到1.42E-00；当气体排放速率由0.17g/s减小到0.017g/s时，污染物最大占标率由Pmax=27.18％减小到Pmax=2.72％，最大浓度由1.36E-01减小到1.36E-02；当气体排放高度由5m升高到10m时，污染物最大占标率由Pmax=27.18％减小到到Pmax=3.9％，最大浓度由1.36E-01减小到1.95E-02。然后进行风险预测，用于计算污染物排放后不同时间的超标面积。从大气预测模型可以知道，影响预测模型的主要参数有气体流量、气体排放速率和气体排放高度等。通过对污染气象的分析，可以推测该地区大气污染特点，同时也可以为大气扩散模型提供符合该地区情况的参数。论文所确定的研究方法和建立的数学可准确地模拟钻井液对冰雪层、基岩层、大气中的扩散问题，为南极冰层钻探钻井液对地层的渗漏和大气污染提供了可靠的评估手段，对于加速我国南极深冰心研究项目具有重要的理论与现实意义。研究成果对于常规的石油与天然气勘探、固体矿床勘探等领域，评估钻井液的污染问题也具有重要的借鉴价值。
【作者】王莉莉；
【导师】赵大军；徐会文；
【作者基本信息】吉林大学，地质工程，2014，硕士
【关键词】南极冰钻；低温钻井液；VisualModflow；EIAProA；环境评估；

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