砂岩非饱和渗流中子成像研究

目录

前言

第1章  绪论  1

1.1  砂岩非饱和渗流问题的研究目的及意义  1

1.2  砂岩非饱和渗流与微观结构研究现状  5

1.2.1  砂岩非饱和渗流理论研究现状  5

1.2.2  砂岩非饱和渗流实验研究现状  9

1.2.3  砂岩微观结构研究现状  11

1.3  本书的主要内容  14

参考文献  15

第2章  中子成像技术应用及图像分析  23

2.1  中子成像技术在岩石渗流研究中的应用现状  23

2.1.1  二维中子成像在研究岩石介质内水动态分布特征的应用  23

2.1.2  三维中子成像在研究岩石介质内水动态分布特征的应用  24

2.2  中子成像技术原理及系统结构  26

2.2.1  中子成像技术原理  26

2.2.2  中子成像系统结构  26

2.3  中子成像设施  27

2.3.1  中国工程物理研究院反应堆  27

2.3.2  中国原子能科学研究院中国优选研究堆  28

2.4  中子图像处理分析  29

2.5  中子散射及束线硬化影响评估与纠正  30

2.6  本章小结  33

参考文献  34

第3章  砂岩基质非饱和渗流模型  36

3.1  吸水性系数模型  36

3.1.1  吸水性系数毛细管束模型  36

3.1.2  吸水性系数分形模型  38

3.2  非饱和扩散函数模型  41

3.2.1  基于Matano方法的非饱和扩散系数计算  42

3.2.2  广义菲克定律的非饱和扩散系数模型  42

3.2.3  非饱和扩散函数Lockington-Parlange模型  43

3.2.4  非饱和扩散函数Meyer-Warrick模型  44

3.2.5  非饱和扩散函数分形模型  45

3.3  吸水性系数和毛细管系数的关系  46

3.4  自发渗吸吸水质量模型  47

3.4.1  吸水质量毛细管模型  47

3.4.2  吸水质量分形模型  48

3.5  本章小结  48

参考文献  49

第4章  基于中子成像的砂岩基质吸水性系数研究  52

4.1  基于润湿锋位置演化特征的低渗砂岩吸水性系数研究  52

4.1.1  低渗砂岩样品描述  52

4.1.2  低渗砂岩孔隙结构的X射线CT成像研究  54

4.1.3  低渗砂岩渗吸中子成像实验及图像分析    59

4.1.4  结果与讨论  62

4.1.5  结论  67

4.2  基于砂岩吸水质量演化特征的中高渗砂岩吸水特征研究  68

4.2.1  中高渗砂岩物性、渗透率及孔隙结构表征  69

4.2.2  中高渗砂岩自发渗吸中子成像实验与吸水称重实验  75

4.2.3  中高渗砂岩吸水性系数研究  77

4.2.4  结论  89

4.3本  章小结  90

参考文献  91

第5章  基于中子成像的砂岩基质非饱和扩散函数研究  93

5.1  低渗砂岩非饱和扩散函数研究  93

5.1.1  低渗砂岩微观结构与渗透性分析  93

5.1.2  基于中子图像的低渗砂岩动态含水率测定  96

5.1.3  低渗砂岩非饱和扩散函数计算  98

5.1.4  低渗砂岩吸水过程中的动态含水率分布特征  102

5.1.5  低渗砂岩吸水性系数和毛细管系数关系研究  105

5.1.6  结论  109

5.2  中高渗砂岩孔隙结构与非饱和扩散函数的关系  110

5.2.1  中高渗砂岩内部中央含水率演变过程  111

5.2.2  中高渗砂岩非饱和扩散函数计算  112

5.2.3  中高渗砂岩内部含水率动态演变特征  118

5.2.4  结论  123

5.3  本章小结  124

参考文献  125

第6章  基于中子成像的裂隙砂岩非饱和渗流问题研究  126

6.1  裂隙砂岩非饱和渗流模型  126

6.2  裂隙低渗砂岩吸水性系数研究    128

6.2.1  裂隙低渗砂岩样品描述  129

6.2.2  裂隙低渗砂岩X射线CT成像研究  130

6.2.3  裂隙低渗砂岩渗吸中子成像实验及图像分析  131

6.2.4  裂隙低渗砂岩吸水性系数分析  133

6.2.5  结论  139

6.3  裂隙高渗砂岩吸水性系数研究  140

6.3.1  裂隙高渗砂岩样品描述  140

6.3.2  裂隙高渗砂岩X射线CT成像研究  142

6.3.3  裂隙高渗砂岩渗吸中子成像实验及图像分析  142

6.3.4  含粗糙裂隙高渗砂岩吸水性系数分析  148

6.3.5  含光滑裂隙高渗砂岩吸水性系数分析  153

6.3.6  结论  159

6.4  裂隙高渗砂岩非饱和扩散函数研究  161

6.4.1  裂隙高渗砂岩样品描述  161

6.4.2  裂隙高渗砂岩渗吸中子成像实验及图像分析  162

6.4.3  裂隙砂岩非饱和扩散函数分析  164

6.4.4  结论  173

6.5  本章小结  174

参考文献  174

彩图

第1章绪论　　1.1砂岩非饱和渗流问题的研究目的及意义　　岩石圈、水圈是人类生产生活的基础。岩石圈可提供丰富的矿产资源（如煤炭、油气、铁矿、有色金属等），地质空间资源（储存和处置二氧化碳、放射性核废料和有毒有害污水等，或开辟作为地下水库、地下油库、地下仓库、地下核试验的场地等）。岩石是一种多孔介质，其内部含有丰富的孔隙和裂隙，这些孔隙为地质流体的赋存和运移提供了空间。无论是矿产资源的开发还是地质空间资源的利用都需要对岩石进行开挖或扰动相应空间内的地质流体（水、气和油等）。随着水分不断渗流进入岩石，岩石介质从非饱和状态逐渐趋于饱和状态。而岩石介质的饱和状态不仅对其抗压、抗剪强度等固体力学性质有着重要影响，更对岩石介质内地质流体的赋存和运移起着关键作用。根据岩石饱水状态的不同，可以将岩石介质内的渗流分为饱和渗流和非饱和渗流。自然界中岩石在大多数情况下处于非饱和状态，而岩石介质的非饱和渗流问题相比于饱和渗流更为复杂，但却并未得到足够关注。非饱和渗流一般以毛细管力和重力等为驱动力，渗流过程中流体运移分布的非线性行为与饱和渗流有着本质区别，且非饱和状态下的岩石在材料力学性质等方面与饱和状态存在较大的差异。此外，岩石圈物质循环过程中，对岩体结构进行复杂地质作用和人类活动的改造，产生大量的裂隙、节理等地质结构面，使得岩体内渗流特性更为复杂，并大大增加岩体渗透率[1]。其中裂隙更是地质流体的天然渗流通道，其在非饱和渗流中起着重要的作用，既能够快速传输地质流体，也可作为天然屏障以隔断相邻岩块间流体的联系[1，2]。岩体裂隙中的非饱和渗流机理相对基质中的更为复杂，目前对该问题的研究也较为有限。　　我国是人口大国，能源消耗量大。2018年一次能源生产总量为37.7亿t标准煤，其中原煤产量占69.70%;能源消费总量为46.4亿t标准煤，其中煤炭消费量占能源消费总量的59.0%。由此可知，煤炭仍是我国的主要能源，但煤炭开采和利用而造成的水资源浪费、生态环境破坏及大气污染等问题日益严重，同时伴随着煤炭资源日益枯竭以及天然气等清洁能源供需严重失衡，能源与环境问题己经成为制约我国经济社会发展的关键问题。近年来，随着西部大型煤炭基地绿色减损保水开采，致密砂岩气、页岩气和煤层气等非常规能源的开发以及第三代核电项目的发展为进一步解决这些问题提供了可能。针对西部矿区煤炭高强度开采与水资源保护之间的矛盾[3]，钱鸣高院士提出了绿色采矿理念，提倡环境友好型保水减损开采[5]。该技术理论的关键是控制采空区裂隙带高度，以防其导通隔水层使砂岩含水层中的地下水向（或通过）裂隙渗流而造成地下水的浪费；顾大钊院士团队提出利用采空区建立地下水库的构想，对西部大型矿区煤炭开采过程中损失的水资源进行储存，以实现地下水资源的保护和利用[6-8]，如图1.1所示。但地下水库蓄水过程中，坝体围岩、坝体混凝土构筑物逐渐被水润湿，易导致坝体围岩、坝体混凝土构筑物以及其中钢筋锚杆的力学性质劣化，进而对地下水库稳定性和耐久性造成影响。上述问题与地面水坝和水库、建筑物耐久性研究领域所关注的科学问题有着很高的一致性，非饱和区域水分的输运对岩石力学行为有着重要影响，因此将上述领域形成的非饱和渗流理论成果应用于矿山岩体力学的研究中很有意义。　　图1.1西部矿区地下水库原理图[6-8]　　近年来，随着我国煤矿安全高效集约化生产，部分产能落后、不符合国家安全与生态环境标准以及达到生产生命周期的矿井（矿坑）将被闭坑或废弃，预计到2030年，我国关闭/废弃矿井数量将达到15000处[9]，由此引起的环境问题以及资源再利用问题得到了袁亮院士和武强院士等专家学者的关注[9，10]。废弃（闭坑)的矿井（坑）可提供巨大的地质空间资源，但同时也存在重大的安全和环境等问题[11，12]。例如，矿井关闭后采空区、巷道等形成了巨大的蓄水空间，为修建地下水库提供了前提。随着排水工作的停止，矿井或矿坑的水位将随着含水层地下水或地表水的补给逐渐抬升并趋于稳定，*终形成了巨大的矿井（坑）水体，实现了储水功能。但随着井下水位的抬升，地下水渗流场和化学场等发生变化，原处于非充水状态的建筑地基将被水逐渐润湿，破坏了岩土体地应力场与水动力场的原有平衡，从而影响建筑地基的安全和稳定；原处于应力平衡稳定状态的煤岩柱体被水逐渐润湿后强度降低，可能失稳而诱发矿区地面二次塌陷，甚至出现山体崩塌和滑坡等地质灾害。对于废弃的露天矿坑，矿坑坑底易积水，且水位随雨季的到来不断被抬升，矿坑边坡处于非饱和渗流区域而不断被润湿，极易失稳形成大面积滑坡灾害[13，14]。此外，关闭或废弃矿井除拥有丰富的水资源外，还赋存着丰富的煤炭、天然气和地热等资源。这些资源的利用不仅能够减少资源浪费，还可推动资源枯竭型城市转型发展。袁亮院士等[9]依托中国工程院重大咨询项目“我国煤矿安全及废弃矿井资源开发利用战略研究”提出了包括关闭/废弃矿井残余煤炭气化开发利用、关闭/废弃矿井非常规天然气开发利用、关闭/废弃矿井水资源智能精准开发、关闭/废弃矿井油气储存与放射性废物处置等内容的“关闭/废弃矿井资源精准开发利用”理念。上述理念面临的科学问题涉及渗流场、应力场、温度场等多物理场耦合问题，其中水在非饱和岩体中的渗流问题是该研究的重要组成部分。　　此外，地下水在非饱和岩体基质及裂隙中的渗流问题广泛存在于油气开采、非常规天然气开发工程中。油气开采过程中，毛细管自吸是水驱油气藏和裂隙性油气藏开采的重要机理，且在低压或能量衰竭油气藏注水开发方面应用效果显著，通过注水法可以提高油气采收率以实现对低渗储层的二次、三次增产[15]。但水相毛细管自吸这种非饱和渗流行为造成的水相圈闭损害妨碍了油气藏高效开发，因此该问题被美国能源部列为十项重点工程之一进行长期研究[16]。低渗砂岩气、页岩气和煤层气构成当今世界三大非常规天然气，其比重在我国天然气产量中逐年上升。非常规天然气的开采大多使用水力压裂技术，该技术将压裂液注入非常规