随机固-热耦合模型与岩石热破裂数值试验研究

1. 大连轻工业学院 信息科学与工程学院,大连 116034;2. 辽宁工程技术大学 力学与工程科学系,辽宁 阜新 123000     

Meso–Cenozoic thermal regime in the Bohai Bay Basin,eastern North China Craton

This article discusses the Meso–Cenozoic thermal history, thermal lithospheric thinning, and thermal structure of the lithosphere of the Bohai Bay Basin, North China. The present-day thermal regime of the basin features an average heat flow of 64.5 ± 8.1 mW m^–2, a lithospheric thickness of 76–102 km, and a ‘hot mantle but cold crust’-type lithospheric thermal structure. The Meso–Cenozoic thermal history experienced two heat flow peaks in the late Early Cretaceous and in the middle to late Palaeogene, with heat flow values of 82–86 mW m^?2 and 81–88 mW m^?2, respectively. Corresponding to these peaks, the thermal lithosphere experienced two thinning stages during the Cretaceous and Palaeogene, reaching a minimum thickness of 43–61 km. The lithospheric thermal structure transformed from the ‘hot crust but cold mantle’ type in the Triassic–Jurassic to the ‘cold crust but hot mantle’ type in the Cretaceous–Cenozoic, according to the ratio of mantle to surface heat flow (q_m/q_s). The research on the thermal history and lithospheric thermal structure of sedimentary basins can effectively reveal the thermal regime at depth in the sedimentary basins and provide significance for the study of the basin dynamics during the Meso–Cenozoic.     

Magnitude of latent heat in thermally loaded clays

Temperature changes are known to induce specific couplings in clay, in particular, an anomalously high thermal pressurization in undrained conditions or a thermal compaction in drained conditions, both of which are potential threats for the mechanical stability and sealing capacity of the geomaterials. Thermodynamical analysis of those peculiar thermomechanical couplings points to a potentially important latent energy, which in turn could limit the temperature change upon heating or cooling. The direct measurement of latent energy developed during a laboratory geomechanical test is challenging. Instead, proper identification of thermal hardening in conventional experiments with temperature changes provides an alternative route to estimate latent energy. In this work, existing laboratory thermomechanical tests of clays are analyzed with a rigorous thermodynamic framework to quantify the magnitude of latent energy in thermomechanically loaded clays. A thermodynamically consistent constitutive model for fully saturated clays that combines two key features, (a) the temperature dependence of the blocked energy and (b) the framework of bounding plasticity, is proposed. The performance of the model is validated by reproducing results obtained in laboratory tests for Boom and Opalinus clays. The thermomechanical loads considered to validate the model performance were then used to estimate the percentage of work that remains latent in the clayey material during plastic yielding. We find that the magnitude of latent energy is quite significant, typically a few tens of percent of the total dissipated energy, and increases significantly with temperature. Accordingly, it is expected to play an important role in the thermomechanical response of clays.     

温度对粘性土介质力学特性的影响

分析了温度效应对粘性土介质若干基本力学特性的影响。对粘性土的热固结问题、温度对粘性土介质渗透特性的影响、粘性土中的热传导规律及热阻抗特性、土-水体系在温度效应下的作用机理、温度作用下粘性土的本构规律等进行了深入研究。特别就温度诱致的孔隙水压力的变化机理及不同性质土类粘性土体积变化的可逆性问题进行了探讨。     

煤田自燃烧失量的计算方法探讨

在定量分析地面红外辐射温度与地面热流密度的基础上,归纳了二者之间的相互关系,探讨了根据地面的红外辐射温度计算地面热流密度和煤田自燃烧失量的方法,在此基础上提出利用陆地卫星LandsatTM第六波段计算煤田自燃烧失量的方法.     

热棒技术加强高原冻土区路基热稳定性的应用研究

热棒是传热效率很高的热导装置，适合于增强青藏高原多年冻土区建筑物地基的热稳定性，介绍了青藏高原多年冻土区内某试验路基中使用热棒的一些基本情况，分析了热棒的工作状态和制冷作用半径，并针对不同的气候情况对路基本体和路基基底的地温场分布状况变化进行了对比分析。结果发现，使用热棒后经过1a时间，路基基底的冷储量得到了显的增加，在路基工程中使用热棒保护冻土和增强路基热稳定性是成功有效的，最后对热棒路基的设计参数提出了一些建议。     

沉积盆地热体制研究的基本原理和进展

沉积盆地动态热体制研究可以分别在盆地和岩石圈两种尺度上进行，其目的是盆地热历史的重建或恢复。在盆地尺度下，热历史是通过地层中古温标（直接或间接的）反演而获得的；在岩石圈尺度下，则是通过盆地构造热演化模拟正演而获得的。古温标的动力学模型和盆地数学模型是正、反演过程的基础。本文综述了镜质体反射率、磷灰石裂变径迹和蒙脱石－伊利石转化三种主要古地温计的动力学模型和不同类型盆地成因模型的发展概况，勾画了盆地热历史重建正、反演方法程序的基本框架，并就几个相关问题提出了意见。最后介绍了新近开发出的油气盆地热历史及构造热演化模拟系统。     

热红外遥感技术在铀矿勘查中的应用潜力探讨

随着新型热红外传感器的相继问世及热辐射相关理论的不断发展,热红外遥感在资源勘查尤其是铀矿勘查领域呈现出了巨大的应用潜力。从地表温度、热惯量和热红外光谱3个方面对热红外遥感在资源勘查应用中的理论依据、研究现状进行了阐述,对其在铀矿勘查应用中的研究目标、研究内容进行了详细论述,并以ASTER热红外波段为数据源在华南某花岗岩铀矿区进行了实例应用,取得了良好的效果。实践表明,热红外遥感技术在铀矿勘查领域具有良好的应用前景和独特的应用价值,必将在铀矿找矿工作中发挥重要的指导作用。     

Determination of paleoheat-flux using multiple thermal indicator tomography

Multiple thermal indicator tomography is a non-linear inversion procedure which permits simultaneous determination of geological, chemical kinetic, and thermal parameters in the burial and thermal histories of sediments. The procedure is based on inverting measurements with depth in a well of multiple thermal indicators, each of which must have experienced the same thermal history. For two wells from diverse geological settings, tomography is used to assess the paleoheat-flux variations with time most consistent with all the thermal indicator data. Resolution and sensitivity of the results are also addressed. For the case history of well X in the North Sea, with both vitrinite reflectance and sterane isomer thermal indicators, a generally decreasing heat flux from past to present is obtained roughly halving every 50 Ma. The activation energy for the sterane isomer is also determined simultaneously to be 42±20 kJ/mole. For the second case history of the Irma Mclean well in the onshore Gulf of Mexico, data from four thermal indicators are available: vitrinite reflectance, sterane and hopane isomers, and sterane aromaticity. A general decrease in paleoheat-flux from amount 2.8 heat flux units (HFU) at 100 MaBP to 1.25 HFU at the present day is obtained, the activation energy for the sterane isomer is simultaneously determined to be around 50±20 kJ/mole, while the corresponding values are around 80±20 kJ/mole for the hopane isomer, and around 65±20 kJ/mole for sterane aromatization.     

中低温热储及其井中热场

中低温地下热水有着广阔的开发利用前景,其成因及赋存规律的研究,是合理勘探、开发的基础。本文从地层、构造及水文地质条件入手,根据地热传导原理,研究了传导型热储的发育条件,划分了主要热储类型。在此基础上,对井(孔)中热场及井液温度变化规律进行了分析,给出了井液温度分布曲线及井液温度变化与地层的对应关系。该成果对勘探开发地下热水有指导意义。      

太湖南岸地热资源现状及资源潜力评价

根据热储埋藏条件、盖层、导热构造、地形地貌的总体特征,将太湖南岸地热资源区划分为湖州太湖南岸地热资源区、湖州小梅口地热资源区和湖州苍山地热资源区3区。通过计算区内地热流体年开采累计可利用热能量、热储中的热量、热储中岩石的热量和热储中水的热量,得出太湖南岸地热资源区热储中的热量是现有7口地热井年开采累计可利用热能量的1 162倍,其中,热储中水的热量是现有7口地热井年开采累计可利用热能量的126倍,热储中岩石的热量是现有7口地热井年开采累计可利用热能量的1 036倍,研究表明太湖南岸地热资源区可利用的地热资源丰富、潜力巨大。初步预测太湖南岸地热资源区东西两侧广大区域内均有可能存在丰富的地下热水资源,可作为今后地热资源勘查的重要区域。     

鄂尔多斯盆地上古生界泥页岩热模拟实验

采用高压釜热模拟实验对鄂尔多斯盆地上古生界太原组、本溪组的4块泥页岩样品进行了生烃过程模拟分析。在热模拟实验过程中,甲烷气是最主要的气态烃类产物,其产率在热模拟过程中持续增加,在温度600℃时可达50 mg/g。C2～C5的产率变化在热模拟过程中表现出相似的特征,均是先增大至峰值后开始减小,C2～C5的热裂解是甲烷产生的主要来源。样品的气态烃产率主要与有机质热成熟度有关,热成熟度越低,样品有机质的生烃潜力越大,在热模拟过程中气态烃的产率越高。     

南襄盆地南阳凹陷地热成因研究

通过研究南阳凹陷区域地质构造,地温场特征和热储层特征,认为南阳凹陷地热田为典型的沉积盆地型地热田.南阳凹陷热源主要由地下水在正常梯度下经围岩增温加热和地下水沿深大断裂的上涌两部分组成,朱阳关——夏馆——大河断裂、方城——邓县断裂、新野断裂等活动性深大断裂为热量传导提供了良好的通道,古近系稳定的砂岩泥岩互层为深层地热良好...     

中国东西部典型盆地中—新生代热体制对比

沉积盆地的热体制和热历史是盆地动力学和油气成藏研究的重要内容,中国东西部盆地受不同构造背景和动力学机制影响,热体制存在明显差异。文中从盆地的热历史、热岩石圈厚度和岩石圈热结构3个方面对渤海湾和塔里木这两个中国东西部典型盆地中—新生代的热体制进行了分析,表明东西部盆地在中—新生代时期的热体制存在较大差异。中—新生代时期渤海湾盆地经历了早白垩世—晚白垩世早期(K1—K12)和始新世—渐新世(E2—E3)两期热流高峰,而塔里木盆地热流值是逐渐降低的过程;渤海湾盆地的热岩石圈厚度在中—新生代经历了早白垩世晚期和古近纪中—晚期两次快速的减薄高峰,减薄高峰时期岩石圈厚度仅为43~55km;而塔里木盆地则经历了中生代缓慢增厚—古近纪以来快速增厚的过程。由地幔热流与地表热流比值确定的岩石圈热结构揭示出渤海湾盆地经历了三叠—侏罗纪的"冷幔热壳"型和白垩纪以后的"热幔冷壳"型;塔里木盆地则由"热幔冷壳"型在新近纪末期转变为"冷幔热壳"岩石圈热结构。深部岩石圈的热结构和热状态的这种差异与岩石圈热-流变结构和岩石圈变形特征密切相关,通过对沉积盆地中—新生代时期的热历史和岩石圈热结构演化的研究,可以揭示沉积盆地深部的热状态,为中—新生代以来的成盆动力学机制研究提供有科学意义的参考。     

关于岩石导热性野外测定方法的研究

导热系数是岩石重要的物理参数之一，其在地热能开发及岩土热工程应用中有着重要意义.目前的测试方法需要将岩样采回实验室进行表面加工，运输和加工过程会破坏岩石结构和影响含水率等，不仅测试工艺复杂，而且导致测试结果不准确.本研究提出一种现场获取岩石导热系数的新方法.利用导热耦合剂填充岩石表面与探头之间的接触面，减小测试过程中的接触热阻，辅助热物性测试仪器来开展野外导热系数测试工作.通过配制不同导热硅脂与不同铜粉掺量充分混合的导热耦合剂进行对比实验，确定导热耦合剂的最优配比.实验表明，导热耦合剂的涂抹能有效地减小探头与岩石表面的接触热阻，提高测试精度，且导热耦合剂本身对岩石的导热系数影响甚微.研究成果可为野外准确便捷地获得岩石导热系数提供参考.     

Soil thermal properties at Kalpakkam in coastal South India

Time series of soil surface and subsurface temperatures, soil heat flux, net radiation, air temperature and wind speed were measured at two locations in Kalpakkam, coastal southeast India. The data were analysed to estimate soil thermal diffusivity, thermal conductivity, volumetric heat capacity and soil heat flux. This paper describes the results and discusses their implications.     

温度作用下缺陷花岗岩热损伤:以甘肃北山缺陷花岗岩为例

为了研究温度作用下缺陷花岗岩的热损伤问题,以甘肃北山缺陷花岗岩为例,从损伤力学和热力学的角度出发,研究了缺陷花岗岩内部热应力的产生机理,推导出缺陷花岗岩裂纹热损伤的临界应力公式,分析了高温作用对花岗岩热弹性比能变化的影响规律,建立了温度作用下花岗岩热损伤演化方程,并对温度作用下花岗岩应力损伤面可能存在的形态进行了研究。对含缺陷的花岗岩在温度作用下结构内部结构晶体单元损伤、晶体单元损伤应力变化规律进行数值模拟,结果表明:当模拟温度升高到60℃时,花岗岩缺陷裂纹附近出现明显的热损伤,远离缺陷处出现微弱的热损伤;当温度升高到120℃时,花岗岩缺陷处剪切破坏特征明显,裂纹处的热损伤点继续增大,远离缺陷处出现非常明显的不间断损伤点,损伤量、热应力、能量累计数出现了突变;此后,随着温度升高到200℃,损伤增量变化微弱。北山缺陷花岗岩的损伤量和温度之间存在直接的演化关系。     

热屏障井对地下水源热泵换热影响模拟

对于场地受限的地下水源热泵项目,随着系统运行时间的增加易引发热贯通现象进而降低机组运行效率。地下水源热泵设计中,在抽灌水井连线间布设热屏障井可改变地下水流场,降低热量在抽灌井间的运移速度,有利于延长热贯通发生时间并缓解热贯通程度。通过构建地下水换热模型,模拟计算夏季制冷工况条件下36组热泵运行场景,分析了热屏障井的位置,过滤管长度及回灌量对热贯通和含水层温度场的影响规律。结果表明:热屏障井回灌量的增加有利于提升热屏障效果,但提升幅度随回灌量的增加逐渐减弱;最大水位降深值随着热屏障井回灌量的增加呈线性增长;增加热屏障井滤管长度可提升热屏障效果,提升效果随屏障井回灌量的增加逐渐增强。通过模型多周期、长时间模拟计算发现,热屏障井的运行可促使回灌的冷热量集中在回灌井一侧,对于采用冬夏季抽灌井交换运行模式的热泵系统,可充分利用含水层储能,提升机组运行效率。