螺旋叶片强化中深层地热同轴换热器换热性能数值模拟

为强化同轴换热器在中深层地热开发中的传热效果,提出一种螺旋叶片形式新型地热同轴换热器。通过建立内插不同间距(d=200、150、100 mm)螺旋叶片的换热器数值模型,模拟套管中换热流体特性。结果表明：在Re=4 500～11 500的湍流状态下,螺旋叶片作为扰流元件,通过改变流体的流动形态和热边界层厚度,可以有效强化换热器的单相对流换热效果,提高开采岩土体热量的能力。随着间距减小,强化换热效果进一步增强,努赛尔数(Nu)增大。当间距d=100 mm时,强化传热效果最好,综合换热能力最强,较光滑管的Nu提高了41.05%～44.18%,传热增强因子TEF为1.16,该工作为同轴套管换热器的优化设计提供了理论基础。     

新疆可可塔勒铅锌矿床海相火山岩碱交代作用研究

通过野外调查、岩相学、矿物化学和岩石地球化学研究,认为泥盆纪以酸性海相火山岩为主的含矿岩系下部富钠和上部富钾是交代变质作用的产物;通过碱交代作用的热力学计算,初步认为：在对流循环成矿模式中,下降的海水被加热时由于温度的升高发生钠交代作用,成矿流体在运移和喷出过程中由于温度的降低而发生钾交代作用。     

煤的热液变质作用一例

煤的热力变质中的热源问题众说纷纭,我倾向于由岩浆内喷发的气体对热传送起主要作用的说法。因为当岩浆侵入煤层的下部岩层或煤系的下伏地层中,由于岩浆内含有的H_2O、Cl、F、HCl、HF、SO_2、CO_2、CO、H、OH、N等气体温度在500～374℃时侵入围岩或煤层,当温度下降至水的临界温度374℃以下时,高温蒸汽将渐     

川西前陆盆地流体的跨层流动

本文讨论了川西前陆盆地气田区上三叠统和侏罗系地层水K^ Na^ 、Ca^2 、Mg^2 、Br^-和Cl^-离子、矿物（胶结物和充填物）碳氧同位素和水的氢氧同位素成分组成以及相互关系。气田区上三叠统流体来源以地层海陆相沉积物质为主，并与渗流水混合，形成“下部流体”。有气藏的侏罗系内流体（称“上部流体”）与“下部流体”的水化学和同位素组成相近，且具有同一演化趋势，表明它来源于下部流体并与侏罗系层内的渗流水发生过混合作用。本文提出该气田流体具跨层流动、二次混合演化特征，认为大规模的流体对流混合促进了上三叠统内天然气的运移聚积，在三叠系内有利构造圈闭中形成原生或残留气藏并向上运移，在侏罗系内有利圈闭中形成“次生”气藏。     

温度作用下CT三维重建煤体微观结构的渗流和变形模拟

为研究煤炭深部开采区域内温度对煤体渗流以及孔裂隙结构变形的影响,应用CT三维重构技术,借助ANSYS软件对煤体微观孔裂隙结构分别进行共轭传热模拟和热变形模拟。共轭传热模拟结果显示,20℃的水经80℃的煤体壁面加热后以37.13℃流出,煤体温度沿壁面向流体中心逐渐降低,孔裂隙结构对于流动速度和温度的分布有重要的影响,沿流动方向截面连通孔隙率大,则流动速度慢,流体升温快,固体温度下降;反之,则流动速度快,流体升温变缓,固体温度回升。热变形模拟结果显示,骨架变形量与距约束面的距离成正比,约束面附近变形量小,变形方向指向孔裂隙空间,距约束面远的位置变形量大,变形方向向外发散,裂隙的存在会使变形量增加,且随温度载荷的增加,不同孔裂隙结构间的变形差异增加。     

温度作用下CT三维重建煤体微观结构的渗流和变形模拟

为研究煤炭深部开采区域内温度对煤体渗流以及孔裂隙结构变形的影响,应用CT三维重构技术借助ANSYS软件对煤体微观孔裂隙结构分别进行共轭传热模拟和热变形模拟。共轭传热模拟结果显示20℃的水经80℃的煤体壁面加热后以37.13℃流出,煤体温度沿壁面向流体中心逐渐降低,孔裂隙结构对于流动速度和温度的分布有重要的影响,沿流动方向上,截面连通孔隙率大则流动速度慢,流体升温快,固体温度下降;反之则流动速度快,流体升温变缓,固体温度回升。热变形模拟结果显示骨架变形量与距约束面的距离成正比,约束面附近变形量小,变形方向指向孔裂隙空间,距约束面远的位置变形量大,变形方向向外发散,裂隙的存在会使变形量增加,且随温度载荷的增加不同孔裂隙结构间的变形差异增加。     

中条山落家河铜矿流体包裹体初步研究

落家河铜矿位于中条裂谷东南部的构造-剥蚀天窗内,矿体赋存于中元古界西阳河群安山岩覆盖区下部的宋家山组沉积-火山变质岩系中.本文重点研究了不同空间位置与矿体共生的石英脉中的流体包裹体,以探讨落家河铜矿的成矿流体特征和成矿机制.系统的包裹体岩相学观察表明,落家河铜矿床流体包裹体类型按相态主要分为纯气相包裹体(Ⅰ型)、纯液相包裹体(Ⅱ型)、富气相的气液两相包裹体(Ⅲ型)、富液相的气液两相包裹体(Ⅳ型)和含子矿物多相包裹体(Ⅴ型)五种类型.矿体上部石英脉中主要为Ⅱ型和Ⅳ型包裹体,矿体下部石英脉中主要为Ⅴ型和Ⅰ型包裹体,且两种包裹体紧密共存,体现了沸腾包裹体组合的特征.显微测温结果显示,原生的富液相气液两相包裹体(Ⅳa型)具有CaCl2-NaCl-H2O体系(Ⅳa1型)和NaCl-H2O体系(Ⅳa2型)两种流体体系,其均一温度分别为100～208℃和151 ～ 306℃,盐度为10.2％～20.4％ NaCleqv 和3.4％ ～ 15.1％ NaCleqv,分别对应矿体上部和下部石英脉,显示出热卤水和岩浆热液两种不同的流体来源.Ⅴ型包裹体的均一温度为175～300℃,盐度达30.7％～ 38.2％ NaCleqv.研究结果显示,热卤水和岩浆热液的流体作用机制有所不同,前者是古海水在花岗岩侵入体的驱动下形成对流循环并从火山岩中萃取金属元素形成的含矿热卤水.热卤水在沿断裂通道上升过程中由于降温、减压使成矿物质沉淀;后者主要是从岩浆中分离出的中温中盐度流体,它在到达断裂通道时由于压力骤降发生流体沸腾作用,并产生矿质沉淀.激光拉曼探针分析显示,流体包裹体气相成分主要是水,含有少量CO2.结合矿床形成的构造背景、热液通道、驱动机制和成矿流体特征,作者认为落家河铜矿可能是一个前寒武纪海相火山成因块状硫化物矿床.     

岩石导热热阻对裂隙对流换热的影响机制

增强型地热系统(EGS)中高温岩石与流体之间的对流换热特征一直以来是干热岩(HDR)研究的重要基础内容。岩石导热热阻对裂隙对流换热特征具有重要影响。为研究其具体影响,综合运用理论解析与数值模拟2种研究方法,通过对解析解讨论以及建立数值模型,研究两平行光滑平板之间的换热规律。结果表明：流体速度、传热边界层充分发展时,局部努塞尔特准数Nu_x为定值,与其他因素无关;局部对流换热系数h_x仅与流体热导率k和裂隙开度e有关,与其他因素无关。上下平板壁面热流恒定时,Nu_x为8.235;温度恒定时,Nu_x为7.54。然后建立多组导热热阻不同的岩石裂隙对流换热数值模型,发现岩石导热热阻增大,温度场进口段延长,对流换热系数h增大。岩石长度显著影响进口段占比,进而影响h的大小。h随着长度增大而减小;当岩石长度足够长时,进口段占比足够小,此时除k与e之外的参数对h基本没影响。并且发现实验室常用岩石长度为100 mm,而典型EGS工程中裂隙长度是米级的,建议室内实验重视岩石长度对裂隙对流换热特征的影响。     

河北武安玉石洼铁矿中磁铁矿特征及其对铁矿床成因指示意义

夕卡岩铁矿床的成因一直以来备受争议,主要有接触交代和矿浆成因等模型。河北武安玉石洼铁矿是邯邢地区主要的夕卡岩铁矿之一,对矿区尖山剖面中的三类磁铁矿成分进行详细研究有助于解决此问题。产于剖面下部玉石洼铁矿主矿体中的磁铁矿以高Ti为特征,而在上部结晶灰岩中矿脉状中磁铁矿以高Si(w(SiO2)>1%)为特点,赋存于中部二长岩矿脉中的磁铁矿具有过渡的成分特征。通过对此三类磁铁矿中主量元素、微量元素研究发现,从下部玉石洼主矿体向上部结晶灰岩中的磁铁矿脉,磁铁矿具有Ti含量逐渐减少而Si、Mg含量逐渐增加的特征。高硅磁铁矿呈自形晶,与方解石平衡共生,其形成与流体有关,很可能是流体晶矿物。磁铁矿FeV/Ti判别图解显示下部玉石洼主矿体中部分磁铁矿具有岩浆成因,二长岩和结晶灰岩中的脉状矿石中磁铁矿具有热液成因,磁铁矿由下部到上部具有岩浆成因过渡为热液成因的连续过程。根据玉石洼矿区磁铁矿的这些特征,我们认为铁矿浆中含有大量流体,应该为“含铁熔体流体”,由于流体超压使“含铁熔体流体流”在岩浆通道中快速上升,至地壳浅部空间就位,在空间上由下部形成高温高Ti磁铁矿过渡为上部形成具有流体晶特征的高Si磁铁矿的岩浆通道成矿系统模型。     

青藏高原封闭道碴层对下部多年冻土保护作用的现场实验研究

为了研究封闭道碴层对其下部多年冻土是否具有积极的保护作用,在青藏铁路北麓河试验段附近建立了封闭碎石道碴坑和卵石地表对比试验场,并对下部地温进行监测.结果发现:经过两个冻融循环后,道碴坑底部(1.3 m深度处)年平均地温为-1.11℃,比卵石地表相同深度低0.73℃;道碴坑中部(0.7m深度处)年平均地温为-1.60℃,比卵石地表相同深度地温低1.4℃.封闭碎石道碴层可以提升冻土上限,降低多年冻土温度,对下部多年冻土起到很好的保护作用.封闭道碴层的这种降温效果是由于道碴层具有可变导热系数的特点,暖季道碴层上部温度高,下部温度低,不产生对流,等效导热系数小,传入道碴层以下土体的热量较少;相反寒季道碴层上部温度低,下部温度高,产生自然对流,等效导热系数增大,有利于道碴层以下土体释放热量.     

表面条件对透壁通风管碎石路堤降温效果的影响

针对青藏高原冻土区高速公路拟采用的透壁通风管碎石路堤,进行了表面开放和封闭透壁通风管碎石试样降温效果的室内试验,分析比较了表面开放和封闭边界条件对透壁通风管负温通风增强碎石路堤降温效果的影响差异。分析表明,表面开放和封闭透壁通风管碎石路堤都以外界空气通过管壁透气小孔与通风管附近碎石区域孔隙空气循环产生的强迫对流传热增强降温作用,另外,表面封闭透壁通风管碎石路堤能够在上部碎石区域产生孔隙空气循环的自然对流降温效应。因此,表面封闭透壁通风管碎石路堤的降温效果更为显著。     

深水碎屑流与浊流混合事件层类型及成因机制

同一重力流事件形成的包含碎屑流和浊流及其之间过渡流体的混合流沉积形成的沉积层称为混合事件层。混合事件层主要包含下部砂质碎屑流-上部浊流混合事件层(类型1)和下部浊流-上部泥质碎屑流混合事件层(类型2)以及泥质碎屑流和浊流频繁互层混合事件层(类型3)3种类型。类型1主要为流体转化成因,包含液化作用、沉积物破碎、流体顶部剪切侵蚀、接触面不稳定性和波浪破碎、水力跳跃、流体头部与环境水体混合和多种机制作用下的整体转化7种成因认识。类型2和类型3主要涉及流体转化及流体差异搬运和沉降过程成因,包含碎屑流覆盖浊流、碎屑流内部差异沉降、浊流侵蚀转化、浊流膨胀减速、局部沉积物垮塌和浮力转化6种成因认识。下部砂质碎屑流上部浊流混合事件层和下部浊流上部厚层富含泥质碎屑的泥质碎屑流混合事件层在沉积近端到沉积远端均有分布,多呈条带状或树枝状;下部浊流上部贫泥质碎屑的泥质碎屑流混合事件层主要在沉积远端或基底相对低部位分布,多呈环带状或牛眼状。深水重力流混合事件层的分布主要受泥质含量、颗粒粒度、水体密度等内部因素和重力流成因机制、古地形和构造活动等外部因素综合控制。深水重力流混合事件层的形成及其分布研究对于丰富和完善重力流沉积理论,指导现阶段深水重力流砂体常规和非常规油气勘探及理解自然活动规律、防灾减灾具有重要意义。现阶段对深水重力流混合事件层的多种成因及形成条件和横向分布演化规律的研究还有待进一步深入。     

贝尔凹陷构造演化及其对沉积和油气的控制作用

贝尔凹陷是海拉尔盆地南部的一个次级凹陷,凹陷内蕴藏着丰富的油气资源,是海拉尔盆地重要的油气探区之一。贝尔凹陷经历了三期构造演化,形成了三期不同类型的原型盆地,自下而上分别为下部伸展断陷盆地、中部裂后热沉降盆地和上部构造反转盆地。复杂的构造演化形成了复杂的断裂系统,贝尔凹陷纵向上主要发育了两套断裂系统,分别是发育于下部断陷盆地的下部断裂系统和发育于中部热沉降盆地的上部走滑断裂系统,上部构造反转盆地内断裂不发育。复杂的构造样式对凹陷内沉积体系的配置也起着很重要的控制作用。本文从贝尔凹陷构造演化和构造特征研究出发,分析了沉积作用对构造活动的响应,初步探讨了贝尔凹陷构造对油气藏形成的控制作用。     

频谱分解技术在泥页岩储层含气性预测中的应用——以柴达木盆地鱼卡凹陷为例

针对柴达木盆地北缘鱼卡凹陷中侏罗统大煤沟组泥页岩,利用地震频谱曲线在不同流体介质储层中的形态、斜率、主频与中心频率的差值等属性参数特征,识别陆相泥页岩层系的地震频谱属性特征,预测含气性。研究结果表明,中侏罗统大煤沟组上部能量系数较低,平均为0.6719,下部能量系数较高,平均为0.7521,结合现场含气量和全烃特征认为,可以以能量系数0.7为界线,作为识别下部和上部含气性的标志,下部明显比上部含气性好。平面上进一步圈定了2个有利目标区,得到柴页1井勘探验证。因此,频谱分解技术可应用于中国陆相页岩气的勘查开发。     

非饱和岩体裂隙中冰层生长试验及单个裂隙壁面上的结霜模型研究北大核心CSCD

裂隙中冰夹层的出现及生长是岩体冻胀风化的重要特征及成因,裂隙岩体是由裂隙和岩石基质构成,裂隙与可视为孔隙介质的岩石性质差异巨大,多数情况下是岩体中水分主要的储存及运移通道,对于不饱和裂隙而言,其中往往同时存在着气态迁移和液态迁移,很难直接用既有的原位冻胀和分凝冰机理解释裂隙中冰层形成及生长过程。为研究非饱和岩体裂隙中冰层出现及分布状况,作者用两块水泥试块拼接成带有单条垂直裂隙的岩体试样,并对试样进行了暖端补水条件下的单向冻结试验,试验结束后,试块中新增了3条水平裂隙和1条垂直裂隙,且裂隙中均有薄冰层出现,试样负温区有显著的结霜现象,整个过程中水分迁移总量达221 mL,且以气态形式为主。基于传热学基本原理,建立了自然对流条件下单个裂隙壁面上的结霜模型,根据试验中试样不同冷表面的特征,将结霜表面分为Ⅰ~Ⅲ类,分别计算了三类冷表面上霜层厚度、密度及单位质量随时间的变化,并利用试验结果对计算结果进行了验证,证明了单个壁面上结霜模型的可靠性。以结霜模型为依据,同时结合相关文献进行分析得到:影响岩体裂隙负温区壁面结霜量的直接因素有裂隙中的对流传热条件、空气相对湿度及负温区壁面面积大小,这三个因素取值越大时,则一定时间内裂隙壁面上的结霜量越多,裂隙中的成冰作用更为显著。裂隙沿程的温度梯度则是更为本质的原因,温度梯度越大时,岩体裂隙中的对流传热作用会更为强烈,负温区壁面面积越大,则一定时间内结霜量越多。     

透壁通风管增强开放碎石路堤降温效果试验

通过4种不同实验条件下透壁通风管开放碎石路堤试样室内试验研究了通风情况对透壁通风管增强开放碎石路堤降温效应的影响。比较4种实验结果发现,透壁通风管开放碎石路堤存在碎石表面单纯热传导传热、外界空气通过碎石路堤开放表面与碎石层内孔隙空气直接循环产生的强迫对流传热、通风管管壁与管内空气的对流换热以及管内空气通过管壁透气小孔与附近碎石层内孔隙空气直接循环产生的强迫对流传热4种传热过程。对于仅负温通风的透壁通风管开放碎石路堤,通过开放表面及管壁透气小孔使外界冷空气与碎石层内孔隙空气形成循环,从而显著增强了路堤冬季冷空气引起的降温效应。     

河南石炭二叠纪含煤岩系煤热变质作用下的变化——地下水热液对煤变质作用影响的初步探讨

河南石炭二叠纪含煤岩系在热液活动影响下,煤及其围岩都发生了变化。作者研究了尉岩变化特征及热液的性质,认为热液是大气降水来源的地下水热液。并以地下水热液系统形成机制为核心,把水文地质学中的有关观点应用于煤变质问题研究,指出地下水热液是煤热变质作用过程中的对流传热媒介。此外,用围岩粘土矿物变化特征划分了围岩变化阶段,使之与煤变质阶段对应了起来。     

风积沙对青藏铁路块碎石路基降温效果的影响

风沙危害正在威胁着青藏铁路的安全营运. 通过数值方法研究了风积沙填堵和覆盖青藏铁路块碎石路基后, 块碎石层降温机理以及降温效果的变化特征. 结果表明:开放条件下块石路基具有较强的强迫对流效应; 风积沙填堵后, 块碎石层降温效果减弱. 封闭条件下, 冷季路基坡脚处自然对流较强, 冻土上限抬升; 路基内部自然对流较弱, 由于路基填土作用, 路基中心处冻土上限抬升较大, 但随时间增长而降低; 沙层覆盖后, 块碎石层降温效果减弱, 路基下部冻土上限下降. 在气候变暖背景条件下, 封闭块碎石层自然对流减弱, 冻土上限下降, 不利于冻土路基的热稳定. 因此, 建议对沙害路段的块碎石路基采取补强措施.     

SYNERGETICS IN GEOLOGY地质学中的协同学

协同学作为自组织的一般理论包括了一大类自然现象,而并不局限于热力学的情态。热力学结构和热混沌仅仅是存在极性的一种形式。在发生结构自组织之初,形成了许多涨落。当系统远离平衡时,长程关联的振幅最初很小,后来增大。结果是,从众多的涨落中涌现出一个涵盖整个系统的涨落。协同学的这个论点从一种完全不同的视角来描述无机世界。包括地质学物体在内的各类无机物体应该被看成是变异选择的突变和产物,这种变异选择是按照达尔文的逻辑规划来实现的。大自然往往,然而并非总是以分形的形式展示出来,后者可以划分为"正确的"和"不正确的"两种分形形式。结晶格子是正确分形的实例,其单位晶胞具有不同尺度的重复性。我们的行星则是不正确分形这一类自然分形。如果我们将"隶属"视为分划结构的一种规律,那么人们必须将大、小构形的岩石圈看作是一种分形结构。从逻辑上讲,整个地质学的现实应该代表无机物质协同自组织的分形产物。地球和Benard对流结构一样,是一种多阶段的对流系统;在前者之中一个水平上的对流启动了另各一个上覆水平上的对流。这个形成结构的对流的原理表现在大、小尺度上,比如,它构成了矿床形成中的流体化理论的基础,后者也包括协同学的其他理论。按照这一理论,沉积岩的沉降伴随有扩张的流体饱和带的形成。流体以沉积断面上部中的水-碳氢化合物组分及其下部中的水-碳酸盐与矿石组分为代表。在随深度而增高的温度影响下,流体被加热,并且建造内的压力异常增大,因而加热了的流体穿透到断面的较高水平。上升的流体是强有力的热载体,它们使上覆沉积岩经过显著的增补加热而产生对流机制,并且大大地加速了它们的后生转变。     

裂隙岩体渗流耦合传热分析

以地下裂隙岩体在裂隙水—孔隙水和温度场之间耦合作用为研究对象,对热和流体流动控制方程采用有限容积数值方法进行离散求解,设置了六种裂隙水—孔隙水流速方案,给出了部分无量纲温度场,并分析了传热与流动原因。分析结果表明：岩体内裂隙水—孔隙水引发的热质迁移对裂隙岩体的温度场分布有重要影响;当裂隙岩体内发生地下裂隙水—孔隙水渗流、及热量的转移时,会产生渗流场、温度场之间的耦合作用;裂隙内水流渗透速度是影响岩体温度的主要因素,孔隙内水流渗透速度是影响岩体温度的次要因素,温差主要发生在裂隙水边界层处。