随着石油天然气消耗量的不断增加,世界各国都开始致力于开发利用非常规油气资源以弥补常规油气资源,油页岩因其巨大的储量吸引了各国政府与学者的持续关注。油页岩地下原位裂解技术是当前油页岩研究领域的国际前沿技术,但由于油页岩的低渗透特性,需要通过水力压裂等储层改造技术增大油页岩地层的渗透性,进而为热载体及油页岩裂解产生的页岩油气提供运移通道。但是,地层中的地下水会通过油页岩压裂产生的裂隙进入到加热反应区,降低加热区温度并造成大量的热损耗,同时油气产物迁移到地下水层也会污染地下环境。针对该问题,壳牌ICP使用地下冷冻墙技术,但该技术能量消耗极大并且冻结周期漫长,吉林大学提出了一种通过注浆止水实现体系封闭的技术,并应用于吉林农安油页岩地下原位裂解先导试验工程。然而,传统注浆止水技术基于的浆液扩散理论以及浆液渗透半径公式,没有将油页岩地层压裂后的特殊地层条件引入到考虑范围之内。首先,传统的浆液渗透半径公式针对的是多孔介质岩土体地层或裂隙岩体地层,而油页岩储层改造所形成的是数个含有支撑剂的多孔介质缝;其次,多孔介质岩土体地层中地下水产生的是体积化影响、裂隙岩体地层中地下水产生的是缝隙化影响,而油页岩地层本身均质致密且不含水,压裂后地下水仅对裂隙中的多孔介质产生影响。因此,传统注浆止水的浆液扩散理论并不完全适用于压裂油页岩地层后产生的含有支撑剂的多孔介质缝,同时注浆条件下地下水对压裂裂隙多孔介质的影响也需要进一步的研究。针对以上问题,本文利用数值模拟及实验研究手段,研究分析在压裂油页岩地层后产生的特殊多孔介质条件下,地下水流量和压力对注浆止水浆液扩散范围、扩散速度等性质的影响,揭示地下水对浆液扩散特性的影响规律,应用该规律对农安油页岩原位裂解试验工程的注浆止水开展优化设计,并提出了注浆止水中布井原则等优化设计方案。首先,本文利用数值模拟软件对含有支撑剂的地层裂隙条件下,地下水对浆液扩散的影响进行了数值模拟。将农安油页岩原位裂解工程中油页岩地层的水文地质资料作为基本模拟参数,分析了在含有支撑剂的油页岩裂隙条件下,地下水流量及压力对浆液扩散特性的影响规律。根据数值模拟结果的综合分析,确定了浆液扩散模拟实验装置的关键尺寸,设计并制造了浆液扩散模拟实验装置,该装置包括裂隙地层系统、浆液配置与注入系统和参数检测系统三个部分,可以实现浆液扩散的可视化观察和实时记录。然后,利用浆液扩散模拟实验装置,开展了在含有支撑剂的裂隙条件下,不同地下水流量和地下水压力条件下的浆液扩散实验。实验结果表明:相同的注浆时间,浆液的扩散距离随地下水流量的增加而线性增加。当注浆时间为7min时,地下水流量分别为70ml/min,92ml/min和120ml/min时,浆液的平均扩散距离分别为27.95cm,31.125cm和32.625cm;相同的注浆时间,随着地下水压力的升高,浆液扩散距离缩小,且缩减倍数呈幂函数分布。当注浆时间为7min时,地下水压力分别为0.2MPa,0.3MPa,0.5MPa和0.6Mpa时,浆液的平均扩散距离分别为32.625cm、27.85cm、19.925cm和16.4cm,这与数值模拟结果相互验证。综合两种影响因素所得的浆液扩散距离拟合公式,得到了地下水流量与地下水压力共同作用下的浆液扩散距离的拟合公式,并将农安工程现场的测试数据代入拟合公式进行了对比分析,验证了该工程注浆井井距设计的可行性和拟合公式的准确性。最后,以农安油页岩原位裂解先导试验注浆止水工程为应用背景,利用COMSOL Multiphysics软件模拟了浆液在油页岩压裂地层中的扩散规律,分析了生产区敞开式和生产区封闭式两种注浆工艺中浆液的扩散特性,并优化了布井方案。数值模拟结果表明,若采用生产区封闭式注浆,各注浆井之间存在大量局部地下水高流速区,严重阻碍了浆液的扩散和交汇;若采用生产区敞开式注浆,则可以更快更好地获得地层封闭体系。此外,通过对不同注浆井距模拟结果的分析可知,井距过远会导致生产区过多地被浆液填充,井距过近则浪费了大量人力物力进行钻井施工。因此,需要分析计算并评估浆液扩散距离,进而合理确定注浆井的井距。通过对比优化设计方案与现场工程中NK-1井出水量,验证了优化后六边形布井方案的可行性,该布井方案可以满足止水要求,减少了注浆井数,降低了钻井工程成本。综上所述,本文设计了以油页岩原位裂解工程为背景的浆液扩散模拟实验装置,利用该装置进行了系统的注浆实验,结合数值模拟软件,探究了在含有支撑剂的油页岩裂隙中,地下水对浆液扩散特性的影响规律,并对农安油页岩注浆止水工程进行了验证和优化,为今后油页岩原位裂解工程的注浆止水提供了理论支撑和技术指导。