岩土孔隙溶液成分研究意义浅谈

众所周知,天然沉积物是一个主要由固相和液相(含有多种溶解物质)所组成的复杂的多相体系.但多年来在研究沉积物化学成分时,往往只注重于固体颗粒部分,而忽视了其中的液相,因而不能全面地反映出沉积环境的化学特征.本文介绍的孔隙溶液成分可以阐明与沉积环境等方面有关的特征,这有助于诸多地质问题的研究.一、孔隙溶液含义孔隙溶液系指分布于岩土孔隙空间的以及被固体颗粒表面所吸附的液体.这种液体与一般游离滴状液态水不同,它在自身重力作用下不会自由移动.实验室条件下可采用压榨法、高速离心分离法或冲洗法(复验性差)从天然沉积物中直接获取这种溶液.由于理解不同,     

压力溶解对颗粒聚集岩体中热-水-应力耦合作用的弹塑性有限元分析

将Taron等提出的颗粒聚集体的压力溶解模型引入笔者所研制的孔隙介质热-水-应力耦合有限元程序中,并使用摩尔-库仑准则,针对一个假设的实验室尺度且位于饱和石英颗粒聚集岩体中的高放废物地质处置库模型,拟定弹性分析和弹塑性分析两种计算工况,进行4 a处置时段的数值模拟,考察了岩体中的温度、颗粒界面水膜及孔隙中的溶质浓度、迁移和沉淀质量、孔隙率及渗透系数、孔隙水压力、地下水流速和应力及塑性区的变化、分布情况。结果主要显示：弹塑性分析中由于应力调整和增大了分子扩散系数,使得塑性区的颗粒介质的溶解、迁移和沉淀有明显的变化,并对渗流场（孔隙水压力及流速）和应力场产生显著的影响。但两种工况弹性区中的颗粒介质的溶解、迁移和沉淀差别较小。     

滨海咸水储层微纳米颗粒形貌特征对其运移行为的影响

通过一维水平砂柱试验,结合多孔介质传质理论,从孔隙尺度探索含水层中微纳米颗粒形貌特征与其释放、运移、沉积过程的内在关联,揭示颗粒重组的力学诱导机制。研究结果表明,在渗流溶液水动力作用与物化性质相同,并且含水介质机械组成相近的条件下,球形硅微粉释放率最高,试验过程中累计释放颗粒质量达93.74 mg;咸水层原砂释放率最低,仅为0.62%。依据试验结果,利用双沉积位动力学模型进行反演,计算得到咸水层原砂在受运移距离控制点位沉积系数最大,高于人工制备砂样2个量级。结合电镜扫描与颗粒表面ζ电位测试结果,基于颗粒受力平衡分析,渗流剪切应力与颗粒法向截面面积成正比;同时伴随微纳米颗粒形貌、构成的变化,扩散双电层排斥力存在显著差异。因此,球状硅微粉颗粒通常以单体形式脱离多孔介质表面;片状次生黏土矿物颗粒多以大体积粒团形式释放,出现再次沉积或被孔喉捕获的机率提高。     

烷基糖苷对润湿性的改变及与界面张力的关系

降低界面张力、改变润湿性是表面活性剂应用于油田开发的重要特性。通过测量表面活性剂烷基糖苷溶液的表面张力及其与亲水(亲油)载玻片、原油间的接触角,研究了表面活性剂对油藏润湿性的改变行为。结果表明,表面活性剂分子在水固界面和油水界面的吸附使润湿性发生变化,且其在水固界面的吸附模式是决定润湿性改变的关键。同时,在测定油水界面张力,计算水固、油固界面张力的基础上,利用灰色关联分析确定了各界面张力对润湿性的影响程度:水固界面张力>油水界面张力>油固界面张力。可见,在利用表面活性剂改变润湿性的过程中,尤其应注意水固界面状态的变化。     

孔隙结构和水动力对饱和多孔介质中颗粒迁移和沉积特性的耦合影响

为了研究孔隙结构和水动力对悬浮颗粒在饱和多孔介质中沉积和迁移特性的影响,对天然硅粉（悬浮颗粒）和荧光素钠（示踪剂）在饱和多孔介质中的渗流迁移特性进行土柱试验,分别得到了5种不同渗流速度（0.033、0.066、0.132、0.199、0.265 cm/s）、两种不同多孔介质（石英砂和玻璃球）的悬浮颗粒和示踪剂全组合下的20条穿透曲线。根据试验结果,研究孔隙结构、渗流速度对饱和多孔介质中颗粒迁移和沉积过程中水动力作用机制、弥散效应、加速效应的影响。研究表明,悬浮颗粒的穿透曲线可以用一阶沉积动力学对流弥散方程的解析解来描述。随着渗流速度的增大,水动力学作用对颗粒出流浓度的影响越来越大,而孔隙结构的影响则相对减弱。同时,存在一个临界渗流速度值。当渗流速度超出该值时,悬浮颗粒迁移要快于示踪剂,而且临界渗流速度对于玻璃球和石英砂两种多孔介质是不同的;其次,在两种介质中,随渗流速度增大,弥散度增加,回收率和回收悬浮颗粒粒径增大,沉积系数先增大后减小。此外,在孔隙比相近的情况下,悬浮颗粒在玻璃球介质中的回收率要大于其在石英砂中的。可见,孔隙结构和渗流速度是影响饱和多孔介质中颗粒输运的重要因素,渗流速度越大,孔隙结构的作用越明显。     

固化盐渍土核磁共振微观特征

采用核磁共振技术,对不同配比的水玻璃、石灰+粉煤灰及石灰+粉煤灰+水玻璃的固化盐渍土的微观特征进行检测,结合无侧限抗压强度试验,分析了各固化方案的盐渍土固化效果,讨论了强度成因的微观特征机制。结果表明,不同固化土的孔隙特征有较大差异。石灰+粉煤灰固化盐渍土大孔隙减少;石灰+粉煤灰+水玻璃固化盐渍土孔隙总体积减少,但同时有大孔隙生成;水玻璃固化盐渍土孔隙总体增多,但随水玻璃浓度增大,孔隙体积有所减小。石灰+粉煤灰+水玻璃固化盐渍土抗压强度远大于其他固化方案,但是其孔隙结构并不是最优,说明颗粒间的胶结情况对固化效果的影响远大于孔隙特征。     

NaCl溶液对土体冻结特征影响的试验研究

冻结特征曲线(SFCC)是指冻土中温度和未冻水含量之间的关系,采用核磁共振系统和低温恒温冷浴获得了采用不同浓度Na Cl溶液饱和的黏土的冻结特征曲线。根据试验结果分析不同浓度的孔隙溶液对冻结特征的影响规律,结果表明:随着溶液浓度的增大,冻结特征曲线向上移动,也就是说在相同未冻水含量下,浓度越大,冻结温度越低。这主要是因为盐溶液引起了渗透势能,使得孔隙水中总势能降低,从而降低了孔隙水的冰点。在冻土中,孔隙水的冻结温度与能量状态有关,其中孔隙水的势能包括基质势能和渗透势能,而基质势能部分又分为毛细部分和吸附部分,渗透势能与孔隙溶液的浓度有关。当土体中未冻水含量较低时,主要是吸附效应在起作用。此时未冻水是以吸附膜的形式吸附在土颗粒的周围,将非饱和土的概念引入到冻土中,采用分子间作用力和吸附水膜厚度之间的关系,以描述处于吸附状态的冻结特征曲线。结合渗透势能来模拟不同浓度下的冻结特征曲线,与试验数据拟合结果较好。     

基于低场核磁共振的煤润湿性分析

煤润湿性在煤化工、煤矿安全生产及煤层气开发利用中有重要意义。目前煤的润湿性测定方法过程繁琐、操作困难、现场实用性差、测量结果可对比性差,不能快速有效地应用于煤层气储层的润湿性评价研究。基于系列低场核磁共振(LFNMR)实验,探讨了LFNMR应用于煤润湿性研究的可行性与研究方法。研究发现,LFNMR可应用于识别煤粉中不同状态水分：对于强水湿性煤粉,其T₂弛豫谱仅存在吸附态水峰与颗粒间水峰,而弱水湿性煤粉则存在吸附态水峰、颗粒间水峰和自由态水峰3个峰值;煤的水湿性越强,其颗粒间水峰和自由态水峰弛豫时间越短,并随着润湿时间的增加弛豫逐渐变快。当水对煤的润湿达到稳定状态时,煤样的自由态水峰和颗粒间水峰的加权平均值与型煤接触角法测得的接触角呈相关性较好的对数关系。该对数关系可应用于煤水润湿性的定量、半定量评价,这为采用该方法进一步研究煤储层的气、水相互作用提供了理论基础。     

比表面积氮气吸附法在蒙脱石碱性溶蚀表征中的应用

蒙脱石矿物颗粒粒径小、比表面积大、水敏性强,易堵塞储层孔隙和喉道,是影响油田储层质量的主要黏土矿物,碱性条件下蒙脱石的溶蚀特征是油田开发中普遍关注的问题。对于蒙脱石溶蚀特征的表征,前人常用的方法有反应前后质量对比法、X射线衍射法、溶液离子浓度分析法及pH值分析法,质量对比法操作复杂,X射线衍射图谱计算人为误差大,溶液离子浓度法对难熔元素的检测误差大,pH值法受温度变化的影响。本文应用比表面积氮气吸附法测量蒙脱石在不同氢氧化钠浓度条件下的比表面积、孔容、孔径变化及吸附脱附曲线来表征其碱性溶蚀特征,优选出适合油田开发的氢氧化钠溶液浓度及充注时间(反应时间)等实验条件,确定了最佳溶蚀浓度为0.05 mol/L氢氧化钠溶液,最佳反应时间为3 h。实验表明,比表面积氮气吸附法测得的比表面积、孔容、孔径及吸附脱附曲线表征的蒙脱石溶蚀特征,与反应后溶液pH值及离子(如Si4+)浓度变化所得的结论相同,验证了该方法的正确性,且具有直观、准确、可靠的特点,可应用于比表面积较大的多孔矿物溶蚀研究。     

混合润湿孔隙介质中油自吸实验研究

混合润湿孔隙介质普遍存在, 使得多相流体渗流过程十分复杂, 但对其研究和认识至今仍很肤浅, 是油气运移成藏、剩余油气分布等方面研究中必须解决的关键难题。本文通过对饱和水的混合润湿模型进行油自吸实验, 观察不同混合润湿程度条件下油自吸运移过程, 分析认识混合润湿孔隙介质中多相渗流的机理。实验结果表明, 在混合润湿孔隙介质中油是否能够自发地运移与介质中亲油颗粒的比例关系密切, 但并非简单的单调变化关系。研究认为, 亲油颗粒与亲水颗粒随机分布, 导致多种与喉道配位颗粒的亲油-亲水关系, 当亲油颗粒比例占优才表现为亲油喉道。机理上, 混合润湿孔隙介质中油自吸运移的发生与否及程度取决于亲油喉道在空间上的连通程度, 后者与孔隙介质中亲油颗粒比例相当。仅有当孔隙介质中亲油颗粒足够多, 且组成的亲油喉道能够相互接触形成连续亲油通道时, 油才能够通过自吸运移进入多孔介质。     

NMR relaxation measurements of biofouling in model and geological porous media

Recently 2D nuclear magnetic resonance (NMR) relaxation techniques have been able to access changes in pore structures through surface and diffusion based relaxation measurements. This research investigates the applicability of these methods for measuring pore and surface changes due to biofilm growth in various model porous systems and natural geological media. Model bead packs of various construction containing 100 μm borosilicate and soda lime glass beads were used to demonstrate how changes in the measured relaxation rates can be used to non-invasively verify and quantify biofilm growth in porous media. However significant challenges are shown to arise when trying to implement the same techniques to verify biofilm growth in a natural geological media.     

介质润湿性和非均质性对重非水相运移影响孔隙尺度机制研究

重非水相(DNAPLs)是地下水常见的有机污染物,理解其运移机制对于污染物修复具有重要意义.为解释实验中多孔介质润湿性对DNAPL的流动速度及残余饱和度的影响,使用多相流相场法,在构造的二维孔隙中模拟DNAPL液滴的下落过程.结果表明:模拟能准确刻画多相流界面的不稳定性,重现与实验室尺度相似的现象.文章提出的双界面模型...     

石油污染多孔介质湿润性变异特征

一定程度的石油污染可使多孔介质的湿润性发生变异,导致介质持水能力降低、地下水石油污染、粮食产量品质下降等.采用滴水穿透时间法与酒精溶液入渗法,测定了亚粘土和粗砂在不同柴油、机油含量下的斥水水平,确定了亚粘土、粗砂由亲水表面变为疏水表面的临界含油量.结果表明,亚粘土、粗砂湿润性变异的临界机油含量分别约为7%、0.5%,粗砂湿润性变异的临界柴油含量约为14%,而柴油污染对亚粘土湿润性的影响不显著.另外,当石油污染多孔介质的含水量达到某一临界值时,湿润性将再次发生反转,由疏水表面变回亲水表面.测得机油、柴油污染粗砂的临界含水量约在0.2%~1%之间,机油污染亚粘土的临界含水量在数值上与其含油量近似相等.      

多孔介质中磷负载纳米铁运动特性的模型试验

纳米零价铁在多孔介质中的运动能力影响其作为污染地下水修复材料的应用潜力。已有研究多采用一维柱试验研究纳米零价铁的运动行为,对于其二维运动行为的报道有限。自主研发了模拟多孔介质中纳米颗粒运动的模型试验系统,采用细、中、粗3种不同粒径的玻璃珠模拟土体,通过取样测量和图像分析等方法获得了磷负载纳米铁在多孔介质中的运动行为。一维柱试验结果表明磷负载纳米铁在中玻璃珠和粗玻璃珠中均有一定的运动能力,其液相回收率分别为50.3%和41.0%,而在细玻璃珠中运动能力较差;二维模型试验表明磷负载纳米铁在中玻璃珠中的滞留量随距离逐渐降低,而在粗玻璃珠中则呈现出滞留量随距离先升高后降低的趋势。由模型试验结果分析可知,磷负载纳米铁的运动和滞留过程与多孔介质孔隙结构和流速密切相关,颗粒阻塞与表面沉积等不同物理过程的共同作用导致了其在不同粒径多孔介质中运动特性的差异。研究成果可用于评估磷负载纳米铁的运动能力及分析其在多孔介质中的运移和滞留机制,为纳米零价铁技术的工程应用和环境风险评价提供参考依据。     

Numerical study of boundary conditions for solute transport through a porous medium

A transition region may be defined as a region of rapid change in medium properties about the interface between two porous media or at the interface between a porous medium and a reservoir. Modelling the transition region between different porous media can assist in the selection of the most appropriate boundary conditions for the standard advection–dispersion equation (ADE). An advantage of modelling the transition region is that it removes the need for explicitly defining boundary conditions, though boundary conditions may be recovered as limiting cases. As the width of a transition region is reduced, the solution of the transition region model (TR model) becomes equivalent to the solution of the standard ADE model with correct boundary conditions. In this paper numerical simulations using the TR model are employed to select the most appropriate boundary conditions for the standard ADE under a variety of configurations and conditions. It is shown that at the inlet boundary between a reservoir and porous medium, continuity of solute mass flux should be used as the boundary condition. At the boundary interface between two porous media both continuity of solute concentration and solute mass flux should be used. Finally, in a finite porous medium where the solute is allowed to advect freely from the exit point, both continuity of solute concentration and solute mass flux should be used as the outlet boundary condition. The findings made here are discussed with reference to a detailed review of previous relevant theoretical and experimental observations. Copyright © 2001 John Wiley & Sons, Ltd.     

储层岩石表面接触角的不确定性研究

本文指出，储层岩石表面粗糙，非均质性及高的能量，使我们难以用接触角来量度它的润湿性质，由于储层岩石孔隙结构不符合毛管束模型，使得Laplace公式仅在表现接触角趋于2度或180度时可用于根据毛管压力曲线计算储层岩石的孔径分布，好在由于储层岩石表面粗糙使我们常常会遇到这一极端情况。     

双重介质中核素迁移模型的解析解及其应用

给出了具有单裂隙的双重介质中，裂隙一端有分时注入源情形下的迁移模型的解析解及一些简化条件下的解析解，并利用解析解研究了核素在双重介质中的迁移问题。     

Experimental assessment of the infiltration properties of a coarse soil medium in a dielectric infiltration test

An accurate determination of the hydrological characteristics of porous media, such as the values of the porosity and effective porosity, are essential. This is important to understand the transport processes of infiltration and the movement of water and contaminants in the porous media. In this study, a laboratory soil column experiment to estimate the porosity and effective porosity of Toyoura standard sand samples, using a dielectric method termed the frequency domain reflectometry with vector network analyzer (FDR-V), was performed. The FDR-V device uses high-frequency microwaves, ranging from 0.1 to 3 GHz, to measure the complex dielectric constants of the sample. From the measured complex dielectric constant, the two parameters of the soil samples then were derived, using a proposed dielectric mixture model and tracer concentration model. The effective porosity of the soil sample is measured at 0.311 with the FDR-V dielectric method and 0.345 by the soil tracer column test. Comparing this with the calculated porosities of the soil sample, the ratio of effective porosity is approximately 78% for the dielectric method, and approximately 86% for the tracer concentration method. These different values can be explained to be within the measurement range with regard to the measurement volume for the soil column. These results indicate that measurement by the dielectric method using an FDR-V device is an efficient and useful tool for estimating the hydrological parameters of porous media because of the dielectric response of earth materials.     

多孔介质油水两相k~s~p关系数学模型的实验研究

数学模型是研究相对渗透率与饱和度关系曲线的重要方法。采用自行开发设计的人工平面多孔介质模型,测定了相对渗透率与饱和度的关系曲线。多孔介质选择粒径为0.5~1mm、1~2mm的标准砂,纯净的水为湿润相,用3号苏丹红染色的93#汽油为非湿润相,组成多孔介质油水两相流动系统。采用Van Genuchten and Mualeum(VGM)和Brooks-Corey-Burdine(BCB)两种数学模型计算相对渗透率与饱和度的关系曲线,通过比较两种数学模型计算结果之间和模型计算结果与实测结果的差异以及模型的应用、多相渗流系统自身特征,得出VGM、BCB两种数学模型计算结果符合实际情况,VGM模型应用过程更为简便,但VGM模型具有一定适用条件;在砂性多孔介质中,BCB模型计算相对渗透率与饱和度关系曲线更准确。