一种用于矿井水地质封存的数值模拟方法

摘要

本发明公开了一种用于矿井水地质封存的数值模拟方法，属于地质封存技术领域，一种用于矿井水地质封存的数值模拟方法，本发明可以实现通过对不同区域的数据参数采集，选取较为适合进行有害废液深部地质封存的区域，通过建立相应的水文地质概念模型和数学模型，导入软件进行运算，求解得出初步的数据结果，随后通过粘滞性、密度和水文地质参数的变化来进行参数变化下的数据模拟，从而模拟应对不同数据情况下的填埋有害废液变化情况，通过与初步的数据结果相结合得出结论，探讨有害废液填埋后对周围生态环境的影响，从而提高有害废液填埋的成功性和变化性，方便相关领域技术人员面对不同情况及时做出相应的应对措施。

说明书

技术领域

本发明涉及地质封存技术领域，更具体地说，涉及一种用于矿井水地质封存的数值模拟方法。

背景技术

随着中国工业化进程的加速，一些生活、工业废液源源不断的产生，且不易处理，并且待带有极大的危害性，处理不当会对生态环境带来不可估量的损害，并且危及人们的生活安全，在美国及欧洲的一些国家，深井地下灌注已成为有害废液重要的处置方式之一，据美国联邦环保署(EPA)的研究，有选择的对化学工业废液进行地下灌注，几乎比其他所有处理方式都要安全，其风险分析设想的所有情况中，泄露几率在百万分之一到四百万分之一，至2001年，美国19个州已有I类灌注井529口，其中有害废物灌注井163口，每年有超过3400×104m3有害废液被灌注到地下。

经过严格的设计、建造、操作以及监测等过程，I类有害废液灌注井的建立必须提供“无转移”申请，其中，“流动圈闭”认证要求:注入流体在10000年内，垂向上不会流出灌注带，水平方向不会到达排放点(井、导水断层、裂隙发育带等)或接触地下饮用水源，因此需要事先进行废液在地下灌注层中运移的模拟，以确保在运输填埋过程中的安全性，过去20多年很多学者对深井灌注下污染物的运移进行了研究，探讨通过深部地质封存的方法来处理有害废液。

发明内容

1.要解决的技术问题

针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种用于矿井水地质封存的数值模拟方法，本发现可以实现通过对不同区域的数据参数采集，选取较为适合进行有害废液深部地质封存的区域，通过建立相应的水文地质概念模型和数学模型，导入软件进行运算，求解得出初步的数据结果，随后通过粘滞性、密度和水文地质参数的变化来进行参数变化下的数据模拟，从而模拟应对不同数据情况下的填埋有害废液变化情况，通过与初步的数据结果相结合得出结论，探讨有害废液填埋后对周围生态环境的影响，从而提高有害废液填埋的成功性和变化性，方便相关领域技术人员面对不同情况及时做出相应的应对措施。

2.技术方案

为解决上述问题，本发明采用如下的技术方案。

一种用于矿井水地质封存的数值模拟方法，包括以下步骤：

S1、数据采集：采集多个合适地理区域参数，分析具体参数，选取最适地理区域；

S2、建立模型：根据采集的地理区域参数进行分类，分别建立水文地质概念模型与数学模型；

S3、软件运算：通过数值模拟软件对模型进行运算，采用区域离散化方法进行模拟；

S4、模型求解结果：根据数据进行求解，得出初步模拟结果；

S5、参数变化模拟：对运算参数进行分模块化，通过粘滞性、密度和水文地质参数的改变进行多样化模拟，得出相应变更数据；

S6、得出结论：将初步模拟结果与变更数据结合分析，得出模拟结论。

本发现可以实现通过对不同区域的数据参数采集，选取较为适合进行有害废液深部地质封存的区域，通过建立相应的水文地质概念模型和数学模型，导入软件进行运算，求解得出初步的数据结果，随后通过粘滞性、密度和水文地质参数的变化来进行参数变化下的数据模拟，从而模拟应对不同数据情况下的填埋有害废液变化情况，通过与初步的数据结果相结合得出结论，探讨有害废液填埋后对周围生态环境的影响，从而提高有害废液填埋的成功性和变化性，方便相关领域技术人员面对不同情况及时做出相应的应对措施。

进一步的，S2中所述数学模型暂不考虑温度变化与化学反应，所述数学模型包括压力控制方程，所述压力控制方程为：

式中：ρ—液体密度；

u

x

ρ

Q—注入废液速率；

t—时间；

Φ—有效孔隙度，

所述压力控制方程相对应的运动方程为：

式中：k

μ—粘滞性系数；

p—液体压强；

z—高程，

所述运动方程引用

得到：

式中：ρ

进一步的，S2中所述数学模型包括溶质运移方程，所述溶质运移方程为：

式中：C—液体浓度；

D

C

所述溶质运移方程连接有相耦合的多个参数表达式，多个所述参数表达式为：

φ＝φ

式中：Φ

C

C

C

C^—液体浓度与注入废液浓度的比值，即相对浓度，

μ

进一步的，S2中所述水文地质概念模型选取范围为20km×15km，所述选取范围位于模拟区域中心处，所述水文地质概念模型包括灌注层和隔水层，所述灌注层概化为均质各向同性含水层，所述含水层中流体运动符合达西定律，所述隔水层包括边缘砂岩和大断层，隔水层能够有效阻止流体垂向上的运移，进而简化为流体在多孔介质中运移的二维数学模型，边缘砂岩能够界定在该方向尖灭的事实，大断层能够界定隔水边界。

进一步的，S3中所述数值模拟软件为SWIFT数值模拟软件，所述SWIFT数值模拟软件采用块中心有限差分方法进行离散，所述SWIFT数值模拟软件通过中心或向后加权算法对时间和空间域上进行运算，SWIFT数值模拟软件可用于模拟饱和地下水系统中流体、热量、盐分和放射性核素运动和迁移规律，模拟分析深井灌注、高放射性核废料处置分析、海水入侵、含水层热能储存问题。

进一步的，S5中所述粘滞性参数改变采用时间变化，所述粘滞性参数为不随浓度变化的常数，所述常数为0.00035Pa·s，粘滞性参数可以反映灌注期内流体压力抬升值与原始条件的对比结果，界定在定流量注入时，不考虑灌注废液的粘滞性大于灌注层中流体粘滞性情况下，渗透系数变大，从而所需要的灌注压力或压力梯度变化。

进一步的，S5中所述密度参数变化时忽略粘滞性变化，所述密度参数设定为注入废液与灌注层中流体密度相同，所述密度参数为1010kg/m

进一步的，S5中所述水文地质参数包括孔隙度、渗透率和弥散度，所述孔隙度缩减一半，所述渗透率和弥散度增加一倍，通过孔隙度、渗透率和弥散度的参数变化模拟封存过程的不确定性，进行多样化分析。

进一步的，S1中所述地理区域包括具有良好地质稳定性的洼陷区域，所述洼陷区域周围连接有终止地质活动的大断层，所述地理区域包括拟灌注区，所述拟灌注区据地表约2000m,所述拟灌注区包括有块状砂岩、粉砂岩和灰质砂岩，有块状砂岩、粉砂岩和灰质砂岩具有合适的孔隙度和渗透性能，其上、下存在一定厚度的渗透性低且连续性较好的以泥岩为主的封盖层。

进一步的，S3中所述区域离散化方法包括模拟区，所述模拟区分隔为300×300矩形网格单元，所述网格单元采用灌注井加密，网格单元内根据静力平衡原理通过灌注层中已知某点的压力推算得到初始压力分布。

3.有益效果

相比于现有技术，本发明的优点在于：

(1)本发现可以实现通过对不同区域的数据参数采集，选取较为适合进行有害废液深部地质封存的区域，通过建立相应的水文地质概念模型和数学模型，导入软件进行运算，求解得出初步的数据结果，随后通过粘滞性、密度和水文地质参数的变化来进行参数变化下的数据模拟，从而模拟应对不同数据情况下的填埋有害废液变化情况，通过与初步的数据结果相结合得出结论，探讨有害废液填埋后对周围生态环境的影响，从而提高有害废液填埋的成功性和变化性，方便相关领域技术人员面对不同情况及时做出相应的应对措施。

(2)水文地质概念模型包括灌注层和隔水层，灌注层概化为均质各向同性含水层，含水层中流体运动符合达西定律，隔水层包括边缘砂岩和大断层，隔水层能够有效阻止流体垂向上的运移，进而简化为流体在多孔介质中运移的二维数学模型，边缘砂岩能够界定在该方向尖灭的事实，大断层能够界定隔水边界。

(3)SWIFT数值模拟软件通过中心或向后加权算法对时间和空间域上进行运算，SWIFT数值模拟软件可用于模拟饱和地下水系统中流体、热量、盐分和放射性核素运动和迁移规律，模拟分析深井灌注、高放射性核废料处置分析、海水入侵、含水层热能储存问题。

(4)粘滞性参数为不随浓度变化的常数，常数为0.00035Pa·s，粘滞性参数可以反映灌注期内流体压力抬升值与原始条件的对比结果，界定在定流量注入时，不考虑灌注废液的粘滞性大于灌注层中流体粘滞性情况下，渗透系数变大，从而所需要的灌注压力或压力梯度变化。

(5)密度参数设定为注入废液与灌注层中流体密度相同，密度参数为1010kg/m

(6)S5中水文地质参数包括孔隙度、渗透率和弥散度，孔隙度缩减一半，渗透率和弥散度增加一倍，通过孔隙度、渗透率和弥散度的参数变化模拟封存过程的不确定性，进行多样化分析。

(7)洼陷区域周围连接有终止地质活动的大断层，地理区域包括拟灌注区，拟灌注区据地表约2000m,拟灌注区包括有块状砂岩、粉砂岩和灰质砂岩，有块状砂岩、粉砂岩和灰质砂岩具有合适的孔隙度和渗透性能，其上、下存在一定厚度的渗透性低且连续性较好的以泥岩为主的封盖层。

(8)模拟区分隔为300×300矩形网格单元，网格单元采用灌注井加密，网格单元内根据静力平衡原理通过灌注层中已知某点的压力推算得到初始压力分布。

附图说明

为了更清楚地说明本发明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一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的流程示意图；

图2为本发明的离散化边界条件示意图；

图3为本发明灌注层网格中心高程等值线图图；

图4为本发明的废液运移范围示意图；

图5为本发明的净压力随时间的变化图；

图6为本发明的处浓度随时间的变化图；

图7为本发明的废液运移范围比较图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述；显然，所描述的实施例仅仅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。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“顶/底端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“套设/接”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接，可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通，对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1：

请参阅图1，一种用于矿井水地质封存的数值模拟方法，包括以下步骤：

S1、数据采集：采集多个合适地理区域参数，分析具体参数，选取最适地理区域；

S2、建立模型：根据采集的地理区域参数进行分类，分别建立水文地质概念模型与数学模型；

S3、软件运算：通过数值模拟软件对模型进行运算，采用区域离散化方法进行模拟；

S4、模型求解结果：根据数据进行求解，得出初步模拟结果；

S5、参数变化模拟：对运算参数进行分模块化，通过粘滞性、密度和水文地质参数的改变进行多样化模拟，得出相应变更数据；

S6、得出结论：将初步模拟结果与变更数据结合分析，得出模拟结论。

请参阅图1-7，S2中数学模型暂不考虑温度变化与化学反应，数学模型包括压力控制方程，压力控制方程为：

式中：ρ—液体密度；

u

x

ρ

Q—注入废液速率；

t—时间；

Φ—有效孔隙度；

压力控制方程相对应的运动方程为：

式中：k

μ—粘滞性系数；

p—液体压强；

z—高程；

运动方程引用

得到：

式中：ρ

进一步的，S2中所述数学模型包括溶质运移方程，所述溶质运移方程为：

式中：C—液体浓度；

D

C

所述溶质运移方程连接有相耦合的多个参数表达式，多个所述参数表达式为：

φ＝φ

式中：Φ

C

C

C

C^—液体浓度与注入废液浓度的比值，即相对浓度，

μ

请参阅图2-3，S2中水文地质概念模型选取范围为20km×15km，选取范围位于模拟区域中心处，水文地质概念模型包括灌注层和隔水层，灌注层概化为均质各向同性含水层，含水层中流体运动符合达西定律，隔水层包括边缘砂岩和大断层，隔水层能够有效阻止流体垂向上的运移，进而简化为流体在多孔介质中运移的二维数学模型，边缘砂岩能够界定在该方向尖灭的事实，大断层能够界定隔水边界，S3中数值模拟软件为SWIFT数值模拟软件，SWIFT数值模拟软件采用块中心有限差分方法进行离散，SWIFT数值模拟软件通过中心或向后加权算法对时间和空间域上进行运算，SWIFT数值模拟软件可用于模拟饱和地下水系统中流体、热量、盐分和放射性核素运动和迁移规律，模拟分析深井灌注、高放射性核废料处置分析、海水入侵、含水层热能储存问题。

请参阅图4，S5中粘滞性参数改变采用时间变化，粘滞性参数为不随浓度变化的常数，常数为0.00035Pa·s，粘滞性参数可以反映灌注期内流体压力抬升值与原始条件的对比结果，界定在定流量注入时，不考虑灌注废液的粘滞性大于灌注层中流体粘滞性情况下，渗透系数变大，从而所需要的灌注压力或压力梯度变化，请参阅图1-5，S5中密度参数变化时忽略粘滞性变化，密度参数设定为注入废液与灌注层中流体密度相同，密度参数为1010kg/m

请参阅图1-7，S1中地理区域包括具有良好地质稳定性的洼陷区域，洼陷区域周围连接有终止地质活动的大断层，地理区域包括拟灌注区，拟灌注区据地表约2000m,拟灌注区包括有块状砂岩、粉砂岩和灰质砂岩，有块状砂岩、粉砂岩和灰质砂岩具有合适的孔隙度和渗透性能，其上、下存在一定厚度的渗透性低且连续性较好的以泥岩为主的封盖层.请参阅图2，S3中区域离散化方法包括模拟区，模拟区分隔为300×300矩形网格单元，网格单元采用灌注井加密，网格单元内根据静力平衡原理通过灌注层中已知某点的压力推算得到初始压力分布。

本发现可以实现通过对不同区域的数据参数采集，选取较为适合进行有害废液深部地质封存的区域，通过建立相应的水文地质概念模型和数学模型，导入软件进行运算，求解得出初步的数据结果，随后通过粘滞性、密度和水文地质参数的变化来进行参数变化下的数据模拟，从而模拟应对不同数据情况下的填埋有害废液变化情况，通过与初步的数据结果相结合得出结论，探讨有害废液填埋后对周围生态环境的影响，从而提高有害废液填埋的成功性和变化性，方便相关领域技术人员面对不同情况及时做出相应的应对措施。

以上，仅为本发明较佳的具体实施方式；但本发明的保护范围并不局限于此。任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其改进构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围内。