马兰黄土孔隙结构特征——以赵家岸地区黄土为例

颗粒间的孔隙分布特征从本质上控制着马兰黄土的宏观结构,影响马兰黄土的强度特性。马兰黄土的微观结果分析已逐渐成为研究黄土基本特性的一个新方向。本文通过固结实验、扫描电镜和ImageJ图像分析软件对赵家岸滑坡地区马兰黄土的孔隙分布和变形特性进行分析。首先确定了适合ImageJ图像分析的扫描电镜二维照片的阈值和图像拍摄最佳倍数;获取了原状马兰黄土在不同含水量固结试验前后的孔隙数量和孔隙面积的分布特征;揭示了大、中架空孔隙为黄土固结过程中的主要变形区;建立了马兰黄土孔隙中大架空孔隙、中架空孔隙和小架空孔隙的逐步破坏模式;明确了水对孔隙破坏的促进作用,当含水量增加到液限范围时,大、中型架空孔隙会出现加速的破坏现象。     

影响黄土湿陷性因素的微观试验研究

借助扫描电子显微镜和光学数码显微镜, 分析了不同含水率黄土试样表面微区结构变化与黄土湿陷性的关系和不同埋深土样在水与外力共同作用下湿陷前后微观结构的变化特征。利用图像处理软件对所获取的微结构图像进行研究, 分析了黄土湿陷前后土样中大、中、小孔隙和微孔隙数量的变化。结果表明:湿陷后比湿陷前土样微孔隙增多31.18%, 小孔隙增多54.07%, 中孔隙减少30.49%, 大孔隙减少90.14%。这说明随着压力的不断增大, 黄土中的孔隙被逐渐压缩, 大孔隙和中孔隙的数量逐渐减少, 小孔隙和微孔隙的数量逐渐增加, 为黄土的湿陷变形提供了充分的空间。讨论了土样中4类孔隙对黄土湿陷的贡献量, 从微观角度综合分析了黄土湿陷的成因机理。     

黄土孔隙结构演化对其土-水特性影响分析

作为黄土的关键水力参数之一,土-水特征曲线(SWCC)受到了土体孔隙结构特征的影响;然而目前还缺乏基于黄土沉积过程的孔隙演化对其土-水特性影响分析。本文在陕西泾阳县泾河南塬黄土剖面自上至下取L₁、L₂和L₆黄土,通过扫描电镜定性分析黄土孔隙结构随沉积过程的演化特征,通过孔隙分布(PSD)曲线量化分析各层黄土的孔径分布特征;在此基础上,利用滤纸法测定黄土SWCC曲线,对比分析黄土SWCC随埋深的变化规律。通过Young-Laplace方程将孔径转化为对应的吸力值,将PSD与SWCC曲线采用同一吸力坐标放置一起,分析黄土孔隙结构分布与SWCC的对应关系。结果表明:随埋深的增大,黄土优势孔径及其分布密度减小;相应地,黄土SWCC的饱和段增长,进气值增大,过渡段变缓,持水能力增强。同时,在各层黄土取样位置取重塑土样,在确保制样含水率和干密度与对应原状土一致的情况下,对比分析重塑与原状黄土的孔隙结构与土-水特性,发现随着土层埋深的增大,两者之间孔隙结构差异增大,SWCC的差异也随之增大。     

马兰黄土孔隙结构参数与渗透性关系研究

利用改进的ZC-2015型渗气仪和TST-55型渗透仪进行马兰黄土渗气及饱和渗透试验,得到两个渗透性参数渗气率k_a和饱和渗透系数K_w,通过室内常规试验得到的孔隙比e,并利用图像处理软件（IPP）处理扫描电镜（SEM）照片得到的平面孔隙比e₀,结合试验结果并利用数学模型建立宏-微观孔隙参数与渗透参数之间的关系。结果表明:重塑土干密度增大,单位体积内颗粒数量增多,孔隙面积减少。原状风干土样埋深增大,大孔和中孔的孔隙面积、孔隙数量、孔隙平均直径明显减小;半对数线性模型可以消除K_w和k_a与孔隙结构参数在量级上的差异,拟合效果更好。lgK_w、lgk_a与e、e₀之间都呈现较好的线性关系;含水率变化时,渗气率拟合直线的斜率和截距的变化规律更明显。重塑土由于制样均匀,曲线的拟合度更高,而不同深度的原状黄土试样由于沉积过程造成的结构性的差异,致使其拟合度较重塑土偏低。     

冻融循环作用下黄土的孔隙特征试验

为得到冻融循环后黄土孔隙分布的变化规律,以重塑黄土为研究对象,采用压汞法对历经不同冻融循环次数后黄土的孔隙特征进行研究。试验结果表明:冻融作用使土样内部颗粒发生重新排列连结,孔隙结构发生改变,孔隙分布逐步向小孔隙数量减少、大孔隙数量增多方向推进;冻融前10次过程中,孔隙分布变化不稳定,但随着冻融循环次数增加,趋势逐渐明朗,表现为0.010.10μm范围内的超微孔隙数量减少,而5.0010.00μm范围内的细微孔隙数量增多;孔隙率也随冻融次数增加先增大,在冻融第8次时达到最大,其后减小,50次后逐渐趋于稳定。根据试验结果,结合孔隙分形进行分析,认为孔隙结构在冻融循环作用下,不均匀性及复杂程度降低。     

非饱和黄土的接触角与孔隙特征试验

接触角及孔径是影响土壤润湿性、渗透性及毛细作用的重要因素。为了进一步认识非饱和黄土的毛细特性及渗透性,进行了非饱和黄土的接触角测试及压汞试验,对黄土孔隙体积与接触角的关系进行了分析,探讨了孔隙、接触角随深度的变化规律。研究发现,干燥状态下黄土的接触角高于天然状态下黄土的接触角;随着地层深度的增加,接触角增大;接触角与大、中孔隙体积为负相关关系,与微孔隙体积为正相关关系。在地层浅部,接触角与小孔隙体积为正相关关系,而对于深部地层,接触角与小孔隙体积为负相关关系;非饱和黄土中小孔隙及微孔隙含量较大,大、中孔隙含量相对较少。      

西峰塬黄土的湿陷性研究

采用双线法对西峰塬原状Q3黄土进行增湿、减湿情况下的压缩试验。分析了黄土的湿陷变形随湿度及压力的变化规律。利用SEM技术测试了黄土湿陷前后的微结构变化,采用微结构定量化分析方法和分形分维集合方法分析了黄土试样微观孔隙的变化规律。结果表明:(1)黄土湿陷性的产生是构成黄土架空孔隙的刚性结点变异导致。(2)同级压力下超越湿陷率随初始含水量的增加而变大; 初始含水量在同一水平下,随压力的增加超越湿陷率逐渐变大。(3)黄土湿陷过程伴随孔隙数量大幅增加,平均孔径减小,孔隙面积缩小,大中孔隙数量骤降; 孔隙结构变得更加复杂。本文提出了黄土超越湿陷率的概念及受外界因素的影响规律,分析了非饱和黄土的湿陷机理,即水分和外力不同组合情况的湿陷性。     

延安Q3原状黄土渗透各向异性及微结构分析

为研究原状马兰黄土的渗透各向异性,以延安削山造地重大工程开挖所揭露的完整黄土剖面中的马兰黄土层为研究对象,采用室内变水头渗透试验获取不同埋深不同渗流时长原状黄土垂直向和水平向的渗透系数,并对试验前后黄土试样垂直向和水平向SEM（scanning electron microscope）电镜扫描结果进行分析,从微观结构上揭示原状马兰黄土结构各向异性的原因。结果表明：原状黄土垂直向和水平向饱和渗透系数具有显著各向异性,且垂直向和水平向渗透系数都随渗流时间的持续而减小,各向异性渗透性能在时间尺度上具有某种衰减关系;同时,原状黄土各向异渗透性能随埋深的增大而逐渐减弱;土颗粒结构的接触、排列方式是导致黄土原生各向异性的根本原因,也是导致渗流初始阶段渗透系数各向异性的原因,而渗流作用产生的次生结构各向异性则使渗透系数各向异性在时间尺度上表现得更为明显。     

准中4区块致密砂岩孔隙结构特征研究

致密砂岩孔隙结构是影响储层物性、储集性能和渗流特性的主要因素,准确表征岩石的孔隙结构特征是储层评价的重要内容之一。为此通过岩心观察、CT扫描成像及其图像处理等对准噶尔盆地中部4区块董11井致密砂岩储层孔隙结构特征进行了定性及定量综合研究。研究结果表明,采用USM锐化、阈值选取及中值滤波法对微CT扫描灰度图像进行图像处理,可以更好地区分岩石内部骨架和孔隙的边界,提高了图像的分割精度;当数字岩心立方体模型边长在450体素时,孔隙度趋近定值;研究区致密砂岩储层储集空间主要以粒间孔隙和微裂隙为主,伴有少量的解理裂隙,孤立孔隙较多,孔隙形状复杂,分布不均匀;研究区致密砂岩连续截面面孔率分布不均匀,离散性强,在连续截面上面孔率频繁出现极大值与极小值（跳跃性较大）,容易在流体流动的过程中产生压降过大,造成部分孔隙喉道堵塞;研究区致密砂岩储层孔隙大小分布不均匀,孔隙直径在15~35 μm之间,占总孔隙数的60%左右,其面积占18%;直径在50~200 μm的孔隙数量占总孔隙数的20%,其面积占比达60%,为油气赋存提供了有利的储集空间。      

饱和细粒土固结过程的三维孔隙演化特征

孔隙作为软土的重要组成单元,在软土性质发生改变时其变化最直接、最明显。研究软土固结过程中孔隙演化特征,对于认识软土排水固结机制具有重要理论意义。本文对大亚湾饱和细粒土在梯度压力下的孔隙结构进行微纳米尺度定量分析:将圆柱形土样进行真空冷冻升华干燥,利用同步辐射显微CT获取分辨率1.625μm的二维切片,应用Avizo软件的灰度阈值截断法将二维切片重建三维结构,采用形态学算法对三维孔隙结构进行量化和表征。研究表明:自沉状态下超过90%孔隙的等效直径为4～10μm,只有少数孔隙的等效直径大于40μm;土样在100kPa压力作用后,大孔隙数量迅速减小,小孔隙数量迅速增加,表明初始状态下孔隙对压力最为敏感;大中孔隙容易被压缩消灭或被分裂为小微孔隙;随压力增加孔径变化趋于平缓,小孔隙和微孔隙占优势,孔隙的抗压能力与大小成反比。经梯度压力作用后土体从絮凝结构逐渐变成片叠结构,颗粒之间平行排斥,孔隙丰度逐渐减小,形状变得细长,方向趋于水平。本研究利用同步辐射显微CT技术结合三维可视化软件Avizo,建立具有真实孔隙结构特征的软土三维模型,从微纳米尺度分析了饱和细粒土的固结蠕变机理。     

基于氮吸附法的页岩有机孔隙结构表征

页岩的微观孔隙结构对页岩气的赋存至关重要,气体吸附法可以较好对页岩的微观孔隙结构进行表征。通过测量丁页1井不同深度样品的矿物含量、RO值和TOC含量,结果表明丁页1井龙马溪组页岩样品的矿物含量比较稳定,有机质成熟度变化不大,均为过成熟。通过低温氮吸附法计算样品的比表面积和微、介孔容积和孔径分布,结果表明：（1）样品的平均孔径为2.8 ~ 4.9 nm,10 nm以下的孔隙提供了大部分的微、介孔容积。微、介孔容积为0.00136 ~ 0.0108 cm3/g,平均0.004 cm3/g,比表面积为2.54 ~ 13.69 m2/g,平均6.68 m2/g;（2）微、介孔容积、比表面积和TOC三者之间有很强的正相关性。通过计算TOC含量为0时的微、介孔容积和比表面积推算无机孔和有机孔之间的比例和其对比表面积的影响,发现有机孔提供了大部分的微、介孔容积,有机孔还是比表面积的主要贡献因素;（3）样品的吸附曲线符合IPUAC分类中的第IV型吸附曲线,样品的脱附曲线反映样品孔隙形态随TOC含量的增加,由楔形孔（不定型孔）变为连通的墨水瓶型孔（狭缝型孔）或墨水瓶型孔。     

南华北盆地偃龙地区二叠系泥页岩微观孔隙特征及其影响因素分析

运用氩离子抛光—场发射环境扫描电子显微成像测试技术,对南华北盆地偃龙地区ZK1614井二叠系海陆交互相—陆相的泥页岩样品进行观察并获取二次电子及背散射信息。结合X射线能谱信息和JMicro Vision软件灰度识别功能,对样品矿物组成及微观孔隙特征进行定性分析和定量表征,并探讨了孔隙发育分布的影响因素。研究发现:样品主要发育的孔隙以无机矿物孔为主,孔隙类型有粒内孔、粒间孔、少量有机质孔及微裂隙;样品面孔率介于0.92%~5.53%之间,整体来看,面孔率大小与孔隙数量正相关;孔径大小介于50~2000 nm间,不同区段的孔面积对数指标与单位面积孔数量对数指标呈两段式线性关系,孔径较小时两者负相关,孔径较大时两者正相关。不同矿物对孔隙的发育有不同的控制作用,脆性矿物主要影响裂隙的发育,对孔隙的发育有一定的抑制作用;粘土矿物因构造应力、矿物相变及脱水等作用形成大量孔隙,对孔隙的发育起一定的促进作用。研究区燕山期、喜山期因构造活动形成了大量尺度较大的裂隙,裂隙的发育使岩层的渗流性能增加,促进了有机酸和地层水对矿物的溶蚀作用,相应的促进了孔隙的发育。此外,随着埋藏深度的增加,孔隙体积随着压实作用的增大而逐渐减小。     

利用SAXS表征不同变质程度煤纳米孔隙特征

文章通过小角X 射线散射（SAXS） 的方法研究了自然演化系列不同煤级煤的纳米孔隙结构和分布特征。结果表明, 随着煤级的增高,孔隙表面分形呈多阶段变化： Ro＜0.89%,壳质组开始逐渐液化,发育大量孔隙,分形维数不断增大; Ro 为0.9%~1.5%,因挥发分生油充填孔隙和原油沥青的芳构化等作用,而使微孔表面平整光滑,分形维数减小;Ro 为1.5% ~3.5%,镜质组裂解生气发育了大量纳米孔隙,分形维数再次增大;随后逐渐石墨化,表面分形再次降低。煤中纳米级孔 隙主要集中在50~100 nm 范围内。其中细介孔（2~10 nm） 体积百分比占0.21%~3.12%,中介孔（10~25 nm） 体积百分比占 5.06%~11.28%,粗介孔（25~50 nm） 体积百分比占21.06%~26.36%,大孔（50~100 nm） 所占体积百分比最大,高达 64.63%~68.36%。随着煤级升高,煤样的最可几孔径不断减小,最可几孔径由80 nm 减小到10 nm,减小的速度由缓到快; 中介孔和细介孔体积百分比不断增大,与成熟度分别呈对数和线性关系;粗介孔和大孔百分比不断减少,与成熟度呈对数 关系。最可几孔径变化也十分明显,在低煤化烟煤阶段时,随煤化程度增高最可几孔径略有下降（峰值处的孔径范围在 75~71 nm 内）,中高煤化烟煤阶段时,随煤化程度的增高最可几孔径呈较明显的下降趋势（峰值处的孔径范围在78~53 nm 内）,到无烟煤阶段时,其孔径则快速下降（峰值处的孔径范围在72~9 nm）。     

皖南地区古生界页岩孔隙特征及影响因素

为了评估下扬子皖南地区古生界页岩气储层性质,应用扫描电子显微镜、高压压汞法、N₂和CO₂气体吸附法,对皖南地区古生界页岩孔隙特征和孔隙结构进行研究,并探讨页岩孔隙发育的主要影响因素。结果表明,皖南地区古生界页岩孔隙度和渗透率低,页岩样品中常见粒间孔、凝絮孔、溶蚀孔、基质晶间孔和有机质孔,并且发育微米-纳米级孔隙。古生界页岩孔隙中50%以上为微孔和介孔;孔隙结构主要为圆柱孔、狭缝型孔和混合型孔,平均孔径范围为4.17~12.06 nm。页岩孔容和比表面积随着有机碳(TOC)含量的增大而增大;页岩孔隙度随着有机质成熟度(R_o)的增大而减小;页岩孔容随着黏土矿物含量的增加而增大,随着脆性矿物含量的增加而减小。     

四川盆地五峰组—龙马溪组重点井含气页岩孔隙类型与孔径分布

针对四川盆地五峰组-龙马溪组过成熟海相页岩,开展普通薄片观察、SEM成像、X-衍射全岩组分和黏土矿物分析、TOC含量测定、N2-CO2联合吸附实验和RG测定.结果表明,海相页岩发育有机孔、无机孔和微裂缝.有机孔多呈气孔状或海绵孔状,大、小混杂;无机孔多呈三角状、棱角状或长方形状;微裂缝多呈条带状,能有效沟通有机孔和无机...     

低温氮吸附法判识构造煤的实验研究

煤体结构是煤与瓦斯突出防治和煤与瓦斯共采的重要地质因素之一。为了区分煤体结构在地应力作用下的破坏程度,采集了淮北矿业股份有限公司桃园煤矿8283采煤工作面煤样,基于自相似原理和实验室内对煤样的加压模拟实验,通过煤基质纳米级孔隙在低温氮吸附-解吸曲线上的响应对比分析,建立了低温氮吸附法判识煤体结构的方法,并对淮北矿业股份有限公司桃园煤矿10号煤层内1026和1035工作面煤体宏观结构及微观孔隙发育特征进行了对比研究。结果表明,煤体微观孔隙结构变化与构造煤发育程度密切相关;随着煤体破坏程度的提高,在吸附-解吸曲线上表现为吸附量明显增大,纳米级孔隙的比表面积和比孔容明显增加,平均孔径略有增加;构造煤解吸曲线上有明显的陡降点,而原生结构煤的解吸曲线不具有这个特征。     

广州饱和软土固结过程微孔隙变化的试验分析

软土的孔隙特征及其变化规律对软土的压缩性和渗透性有重大的影响,软土孔隙特征随荷载变化规律的试验研究为揭示软土排水固结过程与变形规律,建立基于孔隙压缩规律和渗流机制的排水固结模型提供有力依据。利用美国全自动压汞仪,对不同压力下固结的广州番禺淤泥土样的孔隙及其尺度分布进行测试,根据测试结果对土样孔隙尺度分布特征及其随固结压力的变化规律给出了定量分析。试验结果表明：淤泥土中介于0.4～2.5 μm范围的颗粒间及团粒内的小孔隙所占比例最大,而大于10 μm的大孔隙和小于30 nm的超微孔隙所占比例均很小;较大的孔隙更易于被压缩而湮灭或被分裂成微小孔隙;固结压力将显著改变淤泥土的孔隙尺度及其分布特征,以致改变土体的压缩性和渗透性。在固结前期( 200 kPa)孔隙尺度较大,压缩系数和渗透系数较大并随固结压力增加而快速减小;在固结后期( 200 kPa)孔隙尺度小,压缩系数和渗透系数小,且随固结压力增加的变化趋于平缓。     

渝东南地区龙马溪组高演化页岩微纳米孔隙非均质性及主控因素

对页岩气赋存的主要场所页岩孔隙的研究是解决页岩气赋存和保存机理的关键,但目前缺少有效的手段去定量刻画高演化页岩微纳米孔隙的非均质性特征。通过低压N2吸附/解吸、高压压汞、场发射扫描电镜(FE-SEM)等实验,运用分形维数对渝东南地区龙马溪组高演化页岩微纳米孔隙非均质性进行了定量分析。结果表明：高演化页岩的微纳米级孔隙非均质性极强。中孔(2.0~50.0 nm)中2.0~4.5 nm 的孔隙分形维数平均2.853 4,4.5~50.0 nm 的孔隙分形维数平均2.7367,这种极强非均质性主要受有机质控制。总有机碳(TOC)含量大于1.7 %时,有机质孔在中孔中占主导地位,粘土矿物含量的增加会在一定程度上增加中孔的非均质性。宏孔(＞50.0 nm)分形维数平均2.8441,非均质性较强,主要受石英和碳酸盐等脆性矿物控制,随着碳酸盐矿物含量的增大,非均质程度增加,有机质对页岩宏孔的非均质性影响不明显。     

鄂尔多斯盆地延长探区延长组页岩气储层孔隙结构特征

为了评价陆相页岩气储层的储集空间和储气能力,以鄂尔多斯盆地延长探区上三叠统延长组长7段、长9段页岩为研究对象,运用电子扫描显微镜、高压压汞、低温CO2和N2气体吸附等实验方法,对陆相页岩气储层孔隙类型特征、孔隙结构及其影响因素进行研究。结果表明：(1)延长探区上三叠统延长组陆相页岩发育多种类型微观孔隙,以粒间孔和粒内孔为主,少量晶间孔和溶蚀孔,有机质孔发育较少,为陆相页岩气赋存提供了储集空间;(2)延长组页岩中介孔(2～50 nm)贡献了其主要的孔容和比表面积,占总孔容的7437%,占总比表面积的6440%,且长9段页岩的总孔容和总比表面积均大于长7段页岩;(3)延长组页岩孔隙结构以狭缝型孔和板状孔为主,孔径主要分布在04～09 nm、3～25 nm和5～200 μm区间段内,延长组页岩平均孔径为853 nm,且长7段页岩平均孔径大于长9段页岩;(4)页岩有机碳含量、有机质成熟度及矿物成分含量共同影响着延长组页岩孔隙的发育,其中矿物成分含量是以介孔孔隙为主的延长组页岩孔隙发育的主控因素,有机碳含量及成熟度的增加主要对页岩中微孔孔隙的发育起到积极作用。