随着非常规页岩气资源的开发,水平井大规模水力压裂技术常被用于页岩储层的改造。一些学者认为压裂作用会萃取出页岩中的重金属元素,从而对地下水造成污染。地下岩层中基质孔隙、天然微裂隙网络、断层的存在使得岩层呈现强烈的非均质性。另外,在钻井过程中常用高碱性油基钻井液来提高井壁的稳定性,这将引起黏土和石英等硅质矿物的碱性侵蚀。本文以四川西南部威远产气区为例,综合运用理论分析、数值计算的研究方法,深入开展非均质页岩气藏污染物迁移机理及浅层含水层污染评估研究。主要研究成果如下:(1)利用Darcy定律、立方定律以及基于Brinkman-NS耦合原理的等效Darcy定律分别描述污染物在岩层基质、天然裂隙以及断层中的流动规律。基于损伤力学理论,从化学动力学角度出发,得到了钻井液碱性侵蚀作用下岩石的损伤参数。基于Blake-Kozeny方程,得到了侵蚀作用下渗透率随时间的变化关系,揭示了高碱性钻井液对岩层的侵蚀机理。基于以上研究,得到了非均质页岩气藏污染物迁移模型的基本控制方程组。(2)基于均质单裂隙单元、跨层裂隙岩体简化模型、非均质裂隙岩体简化模型以及高碱性钻井液侵蚀作用模型,通过一系列数值模拟并和前人研究结果进行对比分析,验证了非均质页岩气藏污染物迁移模型的有效性。通过对比4个模型中污染物的压力分布、浓度分布以及速度分布,发现上覆层的非均质性会影响污染物的迁移,天然裂隙可增大含水层被污染的风险,高碱性钻井液的侵蚀作用使得这种效果更明显。(3)基于四川西南部威远产气区地质特征,根据断层顶部污染物的浓度以及含水层中污染物的累积量这两个指标对含水层的污染程度进行评估。由于断层处的渗透率较高,污染物在断层处形成优势流。1000年后,虽然大部分污染物滞留于地下岩层中,但是仍有部分污染物迁移到含水层。其中,断层顶部Cd的浓度将会达到水质标准的562倍,这会严重污染浅层饮用水含水层,继而危害人们的健康。(4)采用局部分析法中的因子变化法详细讨论了断层(高度、宽度、倾角、渗透率)、纵向弥散度、天然裂隙(密度、开度)和pH等因素对含水层污染程度的影响,并对各因素的敏感性指数进行对比分析。断层的高度是影响污染物迁移的关键因素,含水层中污染物的累积量对pH值最为敏感,断层渗透率次之,其对纵向弥散度最不敏感。随后提出降低浅层含水层污染的设计方案,为浅层含水层污染评估提供理论与实践指导。