油页岩作为一种资源量丰富且储量分布集中的非常规油气资源备受国内外能源开发研究的关注。我国的油页岩资源总量居世界第四，主要分布在松辽、鄂尔多斯、准噶尔盆地。油页岩的开采方式主要分异位开采和原位开采。由于原位开采有望避免给环境带来极大危害，因此，油页岩的原位开采正成为目前研究的热点。油页岩原位开采是直接对地下油页岩层加热获取油气的一种开采方式，可以开发深层、高厚度的油页岩矿层，且具有采收率高、产品质量好、占地少和环保等优点。但是，原位开采方式完全在地下进行，不仅会改变地下岩层的结构、物理化学、力学性质，也会对地下水环境产生影响，造成地下水流场及水质的改变。本文以原位开采方式中壳牌ICP电加热技术为例，分析研究了原位开采油页岩对地下水环境的影响，论文取得的研究成果如下：1、以吉林省扶余市油页岩原位开采示范区为例，在大量收集相关资料的基础上，对示范区地质及水文地质条件进行了分析。示范区含水层主要包括松散岩类孔隙水和碎屑岩类孔隙裂隙水，并进行了抽水试验。采用公式法、直线图解法、全程曲线拟合法计算含水层的水文地质参数。松散岩类孔隙水单井涌水量为243.29m3/d，渗透系数K为30.09m/d，导水系数T为198.58m2/d，给水度为0.18，影响半径为94.61m；碎屑岩类孔隙裂隙水单井涌水量为36.94m3/d，渗透系数K为0.07m/d，导水系数T为0.35m2/d，贮水系数为0.00009。在油页岩原位开采示范区周围169km2范围内进行了两次野外调查，先后在23口抽水井中取得水样，并检测水样中17项指标，从而确定了地下水的环境背景值，并采用地下水质量综合评价法对地下水水质进行评价。结果显示：越靠近地表水体的区域，地下水水质越差，多为Ⅴ类水，超标离子主要为氨氮、锰、铁，其中氨氮超标最多。2、通过实验测定了加热前后油页岩的孔隙率，结果显示：油页岩被加热的温度越高，其孔隙率越大。常温下油页岩的孔隙率为2.552%，加热至300℃时孔隙率增加到10.120%，而加热至500℃时孔隙率增加到19.048%。3、采用自由浸水法测定了岩石吸水率，结果显示：油页岩被加热的温度越高，吸水率越大。常温下油页岩的吸水率为0.06%，加热至300℃时吸水率增大到0.34%，而加热至500℃时吸水率增大到0.76%。由此，可以看出，加热后油页岩孔隙率与吸水率的变化是同步的，从常温到300℃时孔隙率、吸水率的变化要小于300℃~500℃时孔隙率、吸水率的变化。4、通过浸泡试验进一步了解不同油页岩浸泡水样中无机物、有机物及金属元素的含量，进而分析了原位开采对地下水水质产生的影响，实验结果表明：水样中pH值随时间的延长不断升高，烃类物质（C10~C20）及金属元素（Pb、Cd、Cu）会相应增多。加热至300℃的粉末状油页岩释放的烃类物质最多，尤其是C16，最高含量为25.08g/L，其次是C15。受油页岩加热温度的影响，Cd、Cu与Pb的释放过程不同。加热油页岩温度低时，浸泡水样中释放的Cd、Cu更多，而加热油页岩温度高时，浸泡水样中释放的Pb更多。5、采用流体力学软件Fluent模拟原位开采前建立冷冻墙对地下水温度场、流速的影响。温度场的模拟中冷冻液循环达到稳定状态时的温度分别设置为-3℃、-6℃、-9℃三种条件，对流换热系数分别设置为200、600W/（m2K），共六个模拟方案。模拟结果表明：影响地下水温度场分布的因素是冷冻井对多孔介质的热传导作用。冷冻墙的厚度是由冷冻井稳定状态下的温度决定的，温度越低，形成的冷冻墙越厚。冷冻井的温度与形成的冷冻墙厚度呈线性关系，其关系式为h=8.6k-2241.7。6、地下水流速在冷冻墙周围分布极不均匀。冷冻墙之前，从3840.02m开始，地下水流速缓慢下降，直到4290.67m，流速迅速下降，到达冷冻墙处，流速减至为0。流经冷冻墙后，在开发中心线的水平剖面上，其流速先后经历降低、升高再降低（小范围），再逐渐增大直到恢复到地下水的初始平均流速。从4560.00m至4754.01m，流速先是增大，再减小；从4754.01m开始，流速不断升高，直到8430.17m处，才恢复到地下水实际平均速度。从而可以看出，水平方向上，冷冻墙对地下水流速的影响范围是3840.02m~8430.17m。在竖直方向上，开发中心线的竖直剖面上，距离冷冻井105m处，流速达到最大，为2.86×10-6m/s，是地下水实际平均流速的2.86倍。7、利用点荷载试验测定了加热前后油页岩及上覆围岩的单轴抗压强度和抗拉强度，同时也测量了岩石的内摩擦角和粘聚力。其中，泥岩的单轴抗压强度为14.32MPa，抗拉强度为0.57MPa，内摩擦角为33°，粘聚力140kPa；泥质粉砂岩的单轴抗压强度为23.00MPa，抗拉强度为0.92MPa，内摩擦角为42°，粘聚力113kPa；油页岩的单轴抗压强度为14.85MPa，抗拉强度为0.59MPa，内摩擦角为29°，粘聚力51kPa；加热至500℃的油页岩其单轴抗压强度为3.60MPa，抗拉强度为0.14MPa，内摩擦角为26°，粘聚力40kPa。这些力学指标的测定表明了油页岩力学性质在加热后明显变差。8、采用Geostudio岩土工程软件中的SIGMA/W模块对研究区的应力、应变及位移进行了模拟，模拟结果表明：原位开采中心处的最大下沉位移为0.58m。岩体的破坏部位分布在邻近开发油页岩层的上覆泥岩层中，破坏过程是首先受拉，产生大量裂隙，然后再沿着剪应力极值所在的截面发生剪切滑动。总之，原位开发油页岩不可避免会对周围地下水的温度、流速产生一定影响。更重要的是，原位加热致使油页岩的物理化学、力学及水理性质发生改变，从而引起了地下水赋存环境的改变，导致地下水流场和水质发生变化。