动态模拟低渗地层返排水中物质迁移转化机制（英文版)

页岩气是一种非常规天然气资源，以甲烷为主，其含量一般在85%以上，是一种能减少大气污染的清洁能源。美国能源信息署2015 年发布页岩气资源评估报告显示，我国页岩气技术可采资源量为31.57 万亿立方米，居世界第一位，开发利用前景广阔。但是目前对页岩气的开采主要使用水力压裂法，这种方法需要将大量掺有化学物质的水注入页岩层中，击碎岩石，释放其中的天然气，消耗大量淡水，并且水力压裂之后成吨的包含了高污染物的废水回流到地面，不当的处理和存放方式还可能对地下和地表的水资源造成污染，在水资源日趋紧张的今天，引发了不少人的担忧。
本书以低渗气田返排水中有机污染物的产生原因、特点及危害为目标，探究页岩气开采返排液中污染物在地层中迁移的机理，明确了挥发性有机物迁移扩散、渗流过程中的相关机理，建立了动力学方程，并且根据真实数据及环境特性对模型进行进一步完善。针对无机物质，本书对无机离子在地层中的形态迁移行为和影响因素进行分析，建立数学预测模型，详细分析了储层中各种物质的迁移行为，为接下来减少页岩气开采造成的环境问题打下良好的基础。
本书分为两个部分，第一部分重点介绍了低渗气田中有机污染物的渗流与迁移的基本理论和模型预测。第1 章介绍了国内外低渗气田、水力压裂及所产生的水污染情况；第2 章介绍了低渗气田介质和污染物多相流等特性，总结出适合此环境的有机物扩散模型；第3 章根据真实案例，对第2 章提出的模型进行拟合并加以改进，本部分内容由马岚婷负责撰写。书中第二部分介绍了储层中无机离子的迁移机理及模型预测，为书中第4 章内容，由鱼涛和张帆负责编写。
感谢国家自然科学基金“鄂尔多斯陆相页岩气开采回流水中甲烷逸散的动力学、机理及影响因素研究（42207462）”、陕西省教育厅专项科研基金“页岩气开采返排液中挥发性有机物迁移机理及风险评估（22JK0501）”和陕西省自然科学基础研究计划项目“低渗气田返排水中苯系物迁移机理及逸散风险评估 （2022JQ-145）”的共同资助。感谢西安石油大学优秀学术著作出版基金的支持。
限于编者学识水平有限，书中不足和疏漏之处在所难免，恳请读者给予批评指正！

编者
2023年6月

马岚婷，女，西安石油大学。2012年至2018年就读于马德里理工大学，获得环境风险评价硕士、博士学位。2020年9月至今就职于西安石油大学化学化工学院环境工程系，从事教学与科研工作。主要研究方向—污染物逸散的数值模拟，数学建模，环境风险评估等。主持国家自然科学基金1项，陕西省自然科学基金1项，陕西省教育厅自然科学基金1项，发表SCI论文3篇。

《Dynamic simulation of the substance migration behavior in flowback fluid from low-permeability formation》（《动态模拟低渗地层返排水中物质迁移转化机制》）共四章，该书主要内容包括对页岩气开采返排液中污染物在地层中迁移机理的探究和动力学模型的建立。针对返排液中挥发性有机污染物迁移部分，主要明确挥发性有机物迁移扩散、渗流过程中的相关机理，建立了动力学方程，并且根据真实数据及环境特性对模型进一步完善。针对无机物质，本书对无机离子在地层中的形态、迁移行为和影响因素进行分析，建立数学预测模型，详细分析了储层中各种物质的迁移行为，为接下来减少页岩气开采造成的环境问题打下良好的基础。
本书可供从事石油天然气开发、油气田采出水处理及油气田环境保护技术开发及相关学科的研究人员和技术人员阅读，也可供高等院校相关专业师生参考或作为教学参考书。

CHAPTER 1 INTRODUCTION 1
1.1 Shale gas 1
1.2 Hydraulic fracturing 2
1.3 Impact the surrounding environment 7
1.3.1 Water Contamination Pathways 11
1.3.2 Wastewater Chemical Composition 13

CHAPTER 2 MATHMATIC MODELS 16
2.1 Dynamic Transport Model 16
2.1.1 Convection Advective f lux 17
2.1.2 Dispersive f lux 17
2.1.3 Diffusive f lux 18
2.1.4 Hydrodynamic Dispersion 19
2.1.5 Sorption/Retention 19
2.2 Contaminant transport model in vadose area 20
2.2.1 Vertical Transport Model 20
2.2.2 Concentration Predictive Model 21
2.2.3 Cumulative Mass Predictive Model 23
2.3 Monte-Carlo Method 24

CHAPTER 3 MODEL APPLICATION 25
3.1 Predicting Organic Compounds Concentration in flowback Water 25
3.1.1 Marcellus region introduce 25
3.1.2 Hydraulic Fracturing Model 28
3.1.3 Results Discussion 45
3.1.4 Conclusions 47
3.2 Determining VOCs Concentrations in Flowback and Produced Waters Storage Tanks/Pits 48
3.2.1 Temporal evolution of Flowback water volumes 49
3.2.2 Temporal evolution of concentrations of VOCs in storage tanks 52
3.2.3 Conclusions 56
3.3 Analysis of Vertical Transportation Mechanism of VOCs from Horizontal Hydraulic Fracturing Wastewater 56
3.3.1 Vadose zone transportation model 58
3.3.2 Cumulative Mass Percentage Estimation 61
3.3.3 Predicted Value of Total Concentration in Vadose Zone 65
3.3.4 Conclusions 70

CHAPTER 4 SUBSTANCE MIGRATION BEHAVIOR FROM FLOWBACK WATER IN SHALE FORMATION 72
4.1 A review of prediction methods for oilfield produced water scaling 72
4.1.1 Experimental 73
4.1.2 The harm of scaling 74
4.1.3 Scaling prediction of oilfield produced water 74
4.1.4 Conclusions 77
4.2 Co-Deposition Mechanisms of Calcium Sulfate and Calcium Carbonate Scale in Produced Water 77
4.2.1 Background 78
4.2.2 Methods and Materials 80
4.2.3 Results and Discussion 82
4.2.4 Conclusions 91
4.3 Effects of Influencing Factors on a Lab-Scale Device for Dynamic Scaling Mitigation 91
4.3.1 Experiments 92
4.3.2 Results and Discussion 94
4.3.3 Conclusions 100
4.4 Mixed scaling control technology of produced water in different layers of the Dingbian oil production plant 101
4.4.1 Materials and Methods 102
4.4.2 Results and discussion 103
4.4.3 Conclusions 107
4.5 Kinetic analysis applied to ferrous ions with hydrogen peroxide in acidified hydraulic fracturing reflux fluid model containing representative organic additives 108
4.5.1 Materials and methods 110
4.5.2 Results and discussion 113
4.5.3 Conclusions 126
4.6 Re-injection feasibility study of fracturing flow-back fluid in shale gas mining 126
4.6.1 Experimental 127
4.6.2 Results and discussion 128
4.6.3 Conclusions 131

References 132