多因素作用下石膏岩软化特性

为了研究隧道施工过程中石膏质围岩软化特性,以三叠系下统嘉陵江组地层中的石膏岩为研究对象,进行了多因素正交软化试验研究,分析了浸泡时间、溶液温度、 浓度对石膏岩软化后力学参数的影响规律。研究结果表明：石膏岩的软化系数和弹性模量随着浸泡时间的增加而减小,减小速率也随之降低;软化系数和弹性模量随溶液温度的升高而呈线性减小;在影响石膏岩软化后力学参数3个因素中浸泡时间的影响最大,权值高达80%,温度次之,权重为16%左右,而 浓度对石膏岩的软化影响非常微弱;建立了浸泡时间与溶液温度两个因素耦合作用下石膏岩软化后单轴抗压强度与弹性模量变化情况预测公式。在试验数据及结论的基础上从围岩坚硬程度划分、防排水措施及支护措施等方面提出了石膏围岩隧道的施工措施及建议。     

鄂尔多斯盆地奥陶系不同组构碳酸盐岩埋藏溶蚀实验

鄂尔多斯盆地奥陶系碳酸盐岩储层受埋藏溶蚀作用控制明显,而地层深部复杂的水-岩反应造成埋藏溶蚀研究难度较大,并进而影响了储层的评价与预测。分别利用CO₂溶液和乙酸溶液为流体介质进行溶蚀模拟实验,探讨埋藏条件下温度、压力、流体等因素对不同矿物及组构碳酸盐岩溶蚀作用的影响。结果表明:1）随着温度与压力升高,碳酸盐岩样品在乙酸溶液中的溶解速率均相应提高,在CO₂溶液中的溶解速率则先增加后减小,且在110℃~130℃区间内溶蚀速率最大;深埋藏环境下,各岩类溶蚀速率差异减小,并趋于一致;2）岩石矿物成分和组构,原岩初始孔隙度的大小及其连通关系,以及晶体的产状对成岩后期的埋藏溶蚀作用也具有重要的影响。不溶组分含量低、颗粒/灰泥比高、矿物成分复杂的碳酸盐岩由于组构选择性溶蚀作用而更易被溶蚀;碳酸盐岩的溶蚀速率随方解石含量的增加而增加,但深埋藏环境下,矿物成分含量差异对溶蚀速率的影响作用减弱;硬石膏与白云岩相伴生时,可优先溶蚀形成膏模孔,并促进白云石的溶解,改善储层效果。不同岩性,总体上灰岩较白云岩及过渡岩类更易发生埋藏溶蚀作用。结合研究区实际地质条件分析,砂屑灰岩、膏质白云岩等埋藏溶蚀强度较大,通过对原岩早期组构选择性溶蚀形成孔隙的继承和调整,叠加埋藏期岩溶作用后,可形成规模优质储层。     

地热系统作用下红层软岩力学性能试验研究

地热能源是目前绿色建筑的发展趋势,但红层软岩分布地区出现的系列建筑地基病害问题与地源热系统关系尚不清楚。依托成都某建筑群事故调查项目,研究了有无地热系统作用下泥岩、石膏岩的工程特性,并基于室内试验模拟,研究了不同加热方式、不同温度及不同浸水时间等因素下岩石宏观力学特性和微观结构特征。结果表明：（1）同一场地有无地热系统对岩石力学性质影响甚微,但有地热系统时岩体中裂隙发育数量明显增多,累积张开度明显增大;（2）随着浸泡时间增加,泥岩最大含水率可达30%以上,石膏岩含水率超不过15%,泥岩浸水软化效应较石膏岩显著,二者力学指标随含水率增加呈负指数型下降,石膏岩因晶粒大小不同,离散性大;（3）天然状态下石膏岩呈脆性破坏,泥岩呈延性破坏,石膏岩水岩界面溶蚀作用效应显著,随着石膏岩由表及里溶蚀加剧,温度变化效应对岩体内生裂隙萌发起一定促进作用;（4）在20～50 ℃温度变化范围内,石膏岩抗压强度随温度呈抛物线变化,而泥岩单调升高;（5）地热管与岩体间填筑不密实容易形成渗水通道,改变水动力条件,动水作用下使石膏岩裂隙及软弱夹层溶蚀加剧,形成更大空洞,从而诱发沉降。     

振动荷载及温度对白云岩和石灰岩溶蚀影响试验研究

在岩溶地区，列车运行期间的振动会对白云岩和石灰岩的水岩作用过程产生影响，再加上复杂的外界条件，这一影响会更加显著。以桂北岩溶石山地区白云岩和石灰岩为研究对象，利用自主设计的试验装置进行室内模拟试验，分别研究振动荷载及不同温度条件对白云岩和石灰岩的溶蚀的影响规律。研究发现：(1)常温常压条件下，在静止的酸性溶液中，白云岩的溶蚀速率小于石灰岩；(2)在H+充足的条件下，随着温度（0～45℃）的升高，石灰岩和白云岩的溶蚀速率都会增大，温度变化对于白云岩溶蚀影响更为显著；(3)白云岩和石灰岩的溶蚀受振动条件的强烈影响，二者的溶蚀量都随着振动次数的增加而增大，且在相同振动条件下石灰岩的溶蚀速率始终大于白云岩。该研究可为桂北岩溶石山地区的工程设计和建设提供理论依据。     

雄安新区蓟县系雾迷山组地层水对白云岩溶蚀的模拟实验研究

为了研究雄安新区雾迷山组地层水对白云岩的溶蚀作用,文章以雾迷山组白云岩为研究对象,以井下雾迷山组地层水为实验流体,开展高温高压条件下溶蚀模拟实验。实验结果表明：（1）样品在地层水中的溶蚀速率随温度增加总体呈下降趋势,具有快速下降—缓慢增加—快速下降的特征,在100～140℃范围内明显增加。样品在地层水中的溶蚀速率随压力增加明显增大。反应溶液的Ca2+、Mg2+浓度增加量随温度、压力变化特征与样品溶蚀速率随温度、压力变化特征一致;（2）孔隙、微裂隙欠发育的样品仅在样品表面发生溶蚀,使得样品表面变模糊。孔隙、微裂隙发育的样品,沿粒间、晶间孔隙及各类裂隙溶蚀、扩展,最终呈一定程度连通;（3）埋藏成岩环境下,在100～140℃范围存在一个保持较高溶蚀能力的温度窗口,这可能是研究区雾迷山组白云岩岩溶储层形成的有利温度区间。     

酸性流体作用下斜长石的稳定性

通过紫外分光光度计分析和扫描电镜观察,开展不同温度下酸性流体与斜长石相互作用实验得出:1在低温条件下斜长石较稳定,以溶解为主;在高温条件下,斜长石不稳定,以溶蚀、溶解为主;随反应温度升高,质量损失增大。2斜长石沿解理形成条带状溶孔,沿表面形成粒内溶孔。3在160℃和190℃条件下,形成新生高岭石沉淀,温度升高高岭石晶形变好,实验反应强度增大。4随反应温度升高,K+、SiO2和矿化度浓度升高。     

安徽庐枞盆地罗河铁矿水岩反应化学动力学实验

选择罗河铁矿含矿围岩云辉粗安岩为研究对象,使用叠层反应器,进行了在22MPa、100～400℃的条件下水岩相互作用地球化学动力学实验,系统地研究了不同温度、不同流速下元素的溶解情况并计算出其溶解速率。实验发现,元素在溶液中的浓度随着流速、温度的变化而变化。大多数元素在溶液中的浓度随着温度的升高而增加,一般在300～400℃时浓度达到最大。溶解速率随温度的不断升高而发生变化,各种元素达到最大溶解速率的温度大多在200～400℃之间。但是各个元素的最大溶解速率对应的温度并不相同。流体的流速影响着元素的溶解速率,元素的最大溶解速率并不都是在最大流速时产生的。     

准噶尔盆地玛西斜坡区百口泉组砂砾岩埋藏溶蚀作用实验模拟研究

准噶尔盆地玛湖凹陷西斜坡区百口泉组发育低孔、低渗强非均质性砂砾岩储层,溶蚀作用显著,但溶蚀作用影响因素不明确。采用质量浓度2%的乙酸溶液代替埋藏条件下的有机酸,开展开放体系、高温高压溶蚀物理模拟实验。为研究有机酸溶蚀砂砾岩后储层物性、孔隙结构的变化,以及温度和泥质含量对溶蚀作用的影响,开展了两组溶蚀实验。结果表明:1）开放体系高温高压条件下,有机酸溶蚀砂砾岩中长石组分可以有效提高储层孔隙度以及渗透率,溶蚀显著增加半径10 μm左右的小孔隙和小喉道,对渗透率的改善效果尤为显著;2）有机酸溶蚀模拟实验反应后溶液中析出的主要阳离子（Al3+、Si4+、Na+、K+、Ca2+）表明斜长石和钾长石发生溶蚀,并且温度越高,泥质含量越低,长石溶蚀量越大。综合分析认为,在开放体系下,较高地温、较低泥杂基含量的砂砾岩有机酸溶蚀增孔效率更高,这一认识可为下一步寻找有利储层发育区提供理论支撑。     

溶液和温度作用下膨润土防水毯的渗透性能

以颗粒状和粉末状膨润土防水毯(GCLs)为对象,运用GDS (global digital systems)全自动渗透仪开展渗透试验,研究CaCl_2溶液作用下GCLs渗透性能的温度效应,初步探讨其机理。试验表明:当水化液为0.05mol/L的CaCl_2溶液时,两种GCLs渗透系数随温度升高呈现增大趋势;当水化液为去离子水时,颗粒状GCL渗透系数随温度升高而减小,粉末状GCL渗透系数随温度升高而增大。去离子水情况下,膨润土吸附结合水量随温度升高而减小;CaCl_2溶液作用下,吸附结合水量较去离子水情况大幅降低。当CaCl_2溶液浓度一定时,膨润土膨胀指数随温度升高而略有增大;当温度一定时,膨润土膨胀指数随CaCl_2溶液浓度升高而显著减小。以去离子水进行试验时:颗粒状和粉末状GCLs渗透系数随温度的变化主要影响因素为凝胶态蒙脱石数量,其次为流体黏滞系数和吸附结合水量;颗粒状GCLs膨润土孔隙结构越不均匀,凝胶态蒙脱石数量的影响就越显著,导致渗透系数随温度升高而减小、固有渗透率随温度升高显著降低。以CaCl_2溶液进行试验时,两种GCLs渗透系数随温度变化的主要受流体黏滞系数和吸附结合水量的影响,而受凝胶态蒙脱石数量的影响较小。孔隙溶液性质、温度和膨润土类型均对GCLs的防渗性能具有重要影响。     

长石溶解模拟实验研究综述

在综合分析前人研究成果基础上,对长石溶解模拟实验研究进行了综述.研究表明,长石溶解与其成分、结构、反应的温压条件以及流体性质等有关.在相同的温压条件下,3种长石的稳定性依次为:钾长石>钠长石>钙长石,且温度升高可加强长石的溶解能力,促进长石的溶解,而压力的变化对长石的溶解影响不大.长石的溶解速率在酸性区域随pH值增大而减小、在中性区域溶解速率低且受影响小、在碱性区域随pH值增大而增大.有机酸通过提供H+、络合金属元素来提高长石的溶解度.长石的溶蚀速率与颗粒的总表面积大小以及颗粒表面粗糙度有关,总表面积越大,表面越粗糙,则反应速率越快,而且溶液的矿化度越低越有利于长石的溶解.长石的溶解过程由表面反应和扩散反应所控制,描述长石溶蚀机理的模型主要包括:表面反应模型和淋滤层扩散模型.     

石膏矿岩水致老化效应试验

为研究石膏岩的水致老化效应,在室内模拟石膏矿采空区的水环境条件,包括不同空气湿度环境和饱和地下水环境。将石膏岩岩样置于其中,定期取出测定其力学性质指标,得到石膏岩老化的宏观力学表现,并结合核磁共振技术测定试验过程中石膏岩岩样内部的孔隙结构变化,分析石膏岩的水致老化机制。研究结果表明,水对石膏岩的老化效应具有显著的影响。老化程度随时间递增,石膏岩的单轴抗压强度、巴西抗拉强度和弹性模量与置于水环境中的时间基本呈负指数关系,泊松比则无明显变化规律;石膏岩老化程度和老化速率与水的状态密切相关。相对湿度越高,石膏岩的老化越显著,老化速率也更快,尤其是被液态水浸泡时,石膏岩的老化最显著,老化速率最快。水对石膏岩的老化过程是水的物理作用与化学作用的耦合,而化学作用是水致石膏岩老化的根本原因。石膏岩与水接触时,石膏的溶解、重结晶作用的不断进行改变着石膏岩的矿物组成结构,使其结构由紧密变得松散,孔隙率增大,力学性质不断弱化。该试验研究结果可为石膏矿开采的设计及采后空区的长期稳定性评估提供参考。     

川东北飞仙关组鲕滩储层硫酸溶蚀的证据和模式探讨

川东北飞仙关组鲕滩储层的主要储集空间为溶蚀孔洞,主要由大气淡水溶蚀作用、有机酸溶蚀作用和硫酸溶蚀作用所形成。通过硫酸对灰岩和白云岩溶蚀实验、天然气中硫化氢含量与飞仙关组石膏厚度关系分析、天然气中硫同位素与地层中的硫同位素比较、方解石胶结物的阴离子分析等证据,首次提出了硫酸溶蚀在该储层形成中起很重要的作用。探讨了硫酸溶蚀形成储层的模式。     

滨海岩溶区过渡带碳酸盐岩溶浊作用的试验研究

滨海岩溶具有内陆一般岩溶区不同的发育机理，其过渡带混合溶蚀作用是控制滨海岩溶发育的最主要因素之一。通过七组不同淡水与海水配比的混合溶蚀实验（封闭CO2－H2O系统），初步得出了过渡带混合溶蚀作用的基本结论：（1）滨海岩溶区过渡带岩溶发育的基本规律与内陆一般岩溶区岩溶发育规律的基本一致，即岩性，结构是控制滨海岩溶发育的最主要因素；（2）滨海岩溶区混合过渡带内碳酸盐岩的混合溶蚀速率大于纯淡水或纯海水中同种岩石的溶蚀速率；（3）在不同的CO2分压条件下，滨海岩溶区混合过渡带内碳酸盐岩的混合溶蚀机理不同。     

An Experimental Study of Mixture Corrosion Effects of Carbonate Rocks in the Transitional Zone of Littoral Karst Areas

The mechanism for development of littoral karst differs from that of inland karst, and the mixture corrosion effects are one of the most important factors that control the development of littoral karst. Through seven groups of static experiments carried out in a closed CO2-H2O system, basic conclusions can be drawn as follows: (1) the basic law of corrosion process in a transitional zone of seawater-freshwater in littoral karst areas is identical with that in the fresh water, i.e., the lithologic characteristics and rock structure are the main factors which control the development of littoral karst; (2) the mixture corrosion rate of the carbonate rock in the above transitional zone is faster than that in fresh water or seawater; (3) the mechanism for development of carbonate rocks differs at various pressures of CO2 in a transitional zone in littoral karst areas.     

水热综合作用下钙芒硝盐岩强度等参数的衰减规律研究

为了研究钙芒硝盐岩在水热综合作用下强度等参数的衰减规律,通过自行研制的实验装置,模拟了钙芒硝盐岩在30~70℃温度的蒸馏水中的浸泡实验。在浸泡40d过程中,测试了钙芒硝盐岩的单轴抗压强度、弹性模量、纵波波速、破坏模式等参数,总结了浸水前后钙芒硝盐岩参数随时间、温度的变化规律;通过偏光显微镜对比观察了在浸泡前后钙芒硝盐岩微观结构的变化特征;分析了成分、结构、时间、温度等因素对钙芒硝盐岩强度等参数衰减的影响。研究结果表明:(1)钙芒硝盐岩强度随浸泡时间的增加衰减剧烈。浸泡7d后,钙芒硝盐岩强度衰减为初始强度的50% ~72%。浸泡30~40d后,钙芒硝盐岩强度衰减至初始强度的10%以下。(2)钙芒硝盐岩在长时间的浸泡过程中,主要是其中的可溶成分的溶解、溶蚀作用导致了钙芒硝盐岩结构的劣化。(3)在实验温度(30~70℃)范围内,钙芒硝等矿物的溶解过程大致经历了溶解度先增大后减小的过程,钙芒硝盐岩强度存在先减小后增大的变化,但在相同浸泡时间下各浸泡温度间强度差值小于初始强度的10%,钙芒硝盐岩强度随浸泡温度(30~70℃)变化不大。论文研究成果深化了盐渍岩土,尤其是钙芒硝盐岩水岩相互作用的认识,同时也为盐渍岩土工程问题提供了理论参考。     

高温下石灰岩和砂岩膨胀特性的试验研究

利用自行研制的高温岩石膨胀特性试验装置,对石灰岩和砂岩试件300～700 ℃高温过程中的膨胀特性进行试验研究。试验结果表明,升温过程中,石灰岩和砂岩的膨胀应力随温度的增加而增大,且砂岩膨胀速率比石灰岩大,刚到700 ℃时砂岩膨胀应力是石灰岩的2.45倍。升温过程中膨胀应力与温度曲线的拟合函数为2次抛物线,相关系数达0.94以上。恒温过程中,随时间延长2种岩石的膨胀应力缓慢增加,最后逐渐趋于稳定的数值。600 ℃高温后2种岩石膨胀均达到极限,但具体表现不同,700 ℃恒温结束时砂岩稳态膨胀应力是石灰岩的3.14倍。岩石热膨胀应力变化与其岩性、内部矿物分解、孔隙率变化、声速变化等有显著关系。     

超临界CO2注入煤层对顶板岩石纵波速度及力学响应特征研究

深部煤层CO₂地质封存与CH₄强化开采(CO₂–ECBM)技术在提高煤层气采收率的同时可实现碳减排,具有能源和环境双重效益。超临界CO₂(ScCO₂)、水和煤层顶板之间的地球化学反应可改变其物理力学性质,增加CO₂泄漏的风险。以沁水盆地胡底煤矿3号煤层顶板岩石为研究对象,开展“ScCO₂–水–岩”地球化学反应模拟实验,探讨CO₂煤层封存条件下ScCO₂–水–顶板岩样地球化学反应过程及其对岩石纵波速度和力学性质的影响。结果表明:ScCO₂–水–岩之间化学溶蚀反应造成岩样Ca、Mg元素显著降低,促使岩样表面形成孤立状溶蚀孔,并随着反应时间的持续,进而形成大量的“溶蚀坑”和“溶蚀缝”;增加了岩样结构不连续性,使得声波传播路径增大、能量损失加剧,导致纵波波速降低;ScCO₂–水–岩反应后岩样的峰值强度和弹性模量降低,泊松比升高,且三者之间的变化率与反应时间之间呈现Logistic函数的变化关系。对于胡底煤矿而言,ScCO₂–水–岩反应过程中顶板力学性质的弱化不足以造成盖层的破裂和CO₂泄漏,但在评价煤层CO₂封存安全性时,还应考虑煤层吸附膨胀应力对顶板的影响。      

膏岩三轴压缩试验及高温相变特征研究

采用伺服刚性试验机对天然膏岩开展三轴压缩试验,研究了温度及围压对膏岩强度及变形特性的影响。结果表明,膏岩在不同围压下均具有良好的塑性流动特性,加载后无明显的剪切破坏面,而是出现明显的侧向膨胀。根据三轴试验结果,利用摩尔-库仑定律得到了膏岩的强度准则及抗剪强度参数。升高温度导致膏岩强度降低,且高温下石膏发生晶型转变,从二水石膏脱水转变为半水石膏,利用扫描电镜和X衍射对此过程进行了研究。脱水过程导致瞬间孔隙应力增加,膏岩破坏特性由延性转变为脆性。随着持续加载,破裂断面逐渐愈合。膏岩显著的塑性流动能力及快速的裂隙愈合能力对于天然气盖层的封闭稳定性具有重要意义。