活塞圆筒和多面砧高压装置中常用的氧逸度控制和原位监测方法

氧逸度是定量表示一个体系氧化还原能力的指标，反映了体系中氧气的分压或者逃逸能力。在地球科学中，它反映了岩石和矿物中变价元素的氧化还原状态，指示了不同岩石矿物氧化性/还原性的相对强弱。相同岩石矿物不同氧逸度可以导致其物理化学性质发生大的改变，因此在实验地球科学中准确控制并监测高温高压实验条件下的氧逸度具有非常重要的意义。本文从实验技术角度出发，首先介绍了活塞圆筒和多面砧高压装置中利用双胶囊技术在不含水和含水体系中控制氧逸度的方法、原理、装置和注意事项；接着描述了用过渡金属合金固溶体和惰性金属合金作为氧传感器原位测量氧逸度的原理、注意事项和地质应用，然后展示了氧离子固体电解质法控制和监测氧逸度的原理、装置和局限，提出了可能的改进方法。目前由于技术限制，氧逸度在高压实验中的控制和监测方法还不成熟，导致其对矿物和岩石物理化学性质的影响极可能被低估甚至错估。因此积极研究发展并推动高压下氧逸度的控制和监测技术非常重要且必要。     

YJ-3000t型紧装式六面顶大腔体高温高压实验装置样品室的压力标定

固体、流体及其混合体系的高温高压实验一直是人们了解各种物质及体系的成分、结构、性状和过程的重要手段.因此,开展各种物质及体系的高温高压实验研究具有重要的理论和实际意义[1].在高温高压实验研究中,样品室内的压力通常必须已知.然而,对于采用固体物质作为传压介质的多面顶大腔体高温高压设备,由于传压介质的内摩擦会使得砧面压力与样品室内压力不一致,因此有必要对样品室内的压力进行标定.     

高温高压装置研制和技术创新的发展现状与趋势

现代化的高温高压实验装置与表征技术是研究地球深部物质的赋存状态、属性及效应的关键手段. 近20年,国内很多科研单位先后建立了高水平高温高压实验平台,具有覆盖地表至地心温压环境的各类装置以及多种可进行原位/非原位观测的技术,在高压矿物物理、实验岩石学和地球化学等领域取得重要进展. 装置和技术的创新发展是当前我国“三深一系统（深地深海深空、地球系统科学）”科技战略领域中基础理论创新的驱动力之一.简要综述了高温高压装置研制、技术发展和面临的主要挑战,在此基础上展望了未来的发展方向.      

压力灌浆装置的研究与应用

压力灌浆装置的研究与应用天津市第二地质勘探大队钟丕和基岩供水井施工中，做永久性止水灌注水泥浆是必不可少的工艺。这一环节做不好，会直接影响成井质量和水井的寿命。因此在基岩供水井施工中必须予以足够的重视，要求认真而精心地做好这一工作。过去，在水文地质勘探...     

Walker型28 GPa多面砧压机及其在地球科学中的应用

高温高压实验是除地球物理和地球化学方法之外, 研究地球深部物质和性质的重要手段之一.多面砧压机是广泛使用的高温高压实验设备, 主要用来研究上地幔温压范围内的实验岩石学和矿物相变动力学等问题.主要介绍中国地质大学(武汉)地球深部研究实验室新引进的Walker型28 GPa多面砧压机的原理和结构、压力标定方法和常用的压力标定材料, 并根据金属铋在2.55和7.7 GPa(25 ℃)的结构相变, 以及石英在3.2 GPa、1 200 ℃向柯石英的转变对多面砧压机18/12装置(八面体传压介质边长/碳化钨截角边长)进行了压力标定, 该装置可实现的最高压力和温度约为8 GPa和2 000 ℃.最后还探讨了高温高压实验在地球科学中的应用.      

地幔转换带条件下岩石矿物波速测量方法:超声波与多面砧技术的结合

地幔矿物的波速测量研究是认识地球深部物质组成和性质的重要方法.国际上在大压机中利用超声波技术对地幔矿物材料开展了广泛的波速测量研究,实验温压范围达到地幔转换带条件,而国内大压机超声波波速测量局限于6 GPa压力以内.在中国地质大学(武汉)地球深部研究实验室1 000 t Walker型多面砧大压机上,利用超声波技术,建立了一套高压波速测量系统,对地幔转换带矿物Mg₂SiO₄瓦兹利石多晶样品在18 GPa压力范围内的弹性波速进行了测量,测量结果与前人超声波波速测量结果相比总体吻合程度良好.利用多面砧大压机和超声波技术,在国内首次实现了地幔转换带高压条件下的波速测量,缩短了我国高压波速测量水平与国外先进水平的差距,同时可以为中国及周边地区地球物理观测资料的解析提供矿物物理方面的实验约束,为国内岩石矿物和固体材料的弹性研究提供实验技术支持.      

基于高压压水试验的岩体透水率变化研究

在水利水电等地下工程的常规压水试验中,一般以1Lu（吕荣值）作为防渗灌浆结束的标准。近年来,随着科学技术水平的不断提高,我国的高水头抽水蓄能电站得到了迅速发展,也进行了相应的高压压水试验。对于高水头的水电工程,现场高压压水试验结果和常规压水试验结果对比发现,对于同一试验段,高压压水试验计算的岩体透水率反而比常规压水试验计算的透水率小,由此计算的岩体渗透系数也偏小,但在高压水作用下岩体渗透性会不同程度地增加。如果岩体透水率还用《水利水电工程钻孔压水试验规程》（SL31-2003）中的公式计算,则由于压力的增加计算的Lu变小,防渗的标准会相应提高。针对规范中岩体透水率的适用性问题,提出了基于高压压水试验的高压单位吸水量的概念,即在直径75mm、试段长度约5m的孔内高压压水试验中,围岩在设计水头（2MPa）作用下,单位长度上的压入流量,用DK表示,单位为Lmin-1m-1。基于这一概念,应用数值模型计算了岩体试段的压入量,通过与某抽水蓄能电站高压压水试验的实际岩体试段的压入量进行的对比,获得了最大压力为4MPa时,岩体注浆结束标准为2DK（0.5Lu）。因此,对于不同的高水头水电工程,隧洞注浆结束标准（高压单位吸水量）要根据设计水头进行调整,而不能以常水头那样始终以1Lu作为防渗结束标准。     

中低渗高阶煤煤岩毛管压力数学表征

毛管压力对煤层气开发具有重要意义。为定量表征中、低渗高阶煤煤岩毛管压力曲线,开展了中、低渗高煤阶煤岩高压压汞实验,利用得到的毛管压力数据回归建立了新的毛管压力曲线双参数和单参数数学模型,并研究了参数a、b间关系,以及参数a、b对毛管压力的影响及其影响因素。结果表明,本研究拟合建立的新毛管压力模型能够很好地拟合中、低高阶煤样的高压压汞实验测试得到的毛管压力数据,拟合程度达到98%以上,为定量表征高阶煤储层毛管压力提供了经验公式。根据本文建立的新毛管压力经验公式,在以SHg为横坐标,以lnPc-lnPmin-ln(SHg^0.5)为纵坐标的在直角坐标系中,SHg与lnPc-lnPmin-ln(SHg^0.5)成幂指数关系lnPc-lnPmin-ln(SHg^0.5)=aSHgb,因此可通过最小二乘法拟合计算参数a和b值,进而可以得到相应煤样的毛管压力数学模型。参数a和b呈负幂函数关系,其关系式为,基于该关系式,可进一步得到单一参数毛管压力数学模型为,则lnPc-lnPmin-ln(SHg^0.5)和在双自然对数坐标中成线性关系,通过最小二乘法进行线性回归得到直线斜率即为b值,进一步简化了毛管压力模型。利用新数学模型开展数值模拟,发现煤样毛管压力随参数a和b增加而增加;参数a和b与孔渗的关系表明,参数a随渗透率、孔隙度增加而降低,成线性关系,而参数b则随渗透率、孔隙度增加而增加,均成指数关系。     

女山火山岩及其中高压巨晶形成的温压条件

安徽女山玄武岩属于钠质系列的强碱性玄武岩，它包括碧玄岩、碱性橄榄玄武岩和霞石岩。根据玄武岩的Ｍｇ值和高Ｎｉ含量，以及其中含丰富的幔源包体，说明女山玄武岩岩浆是分异程度很低的接近原生的岩浆。     

页岩油藏多段水平井压后关井阶段压力扩散数学模型研究

多段多簇水平井压裂技术作为页岩油藏的重要开发手段已经得到了广泛认同,压后关井能充分发挥渗吸的作用,提高单井压后产量,但目前压裂液渗吸作用区域一直是困扰油藏工程师的重要难题。本文以陇东页岩油藏多段压裂井为研究对象,基于物质平衡原理,利用渗流力学和岩石力学理论,建立了压裂施工过程中和压后关井过程中流体压力扩散数学模型,研究了压力扩散和压裂液波及体积随时间的变化关系。结果表明：压裂液波及体积随关井时间的增加逐渐增加,但增加的幅度会逐渐降低。储层渗透率越小,孔隙度越大,压裂施工时间越长,关井阶段井底压力越高,地层能量越高。该结果可为页岩油藏最佳关井时间的确定提供理论支持。     

考虑裂隙水压力的岩体压剪裂纹扩展规律研究

在库水位大幅度升、降变化时,容易导致岩体内增量裂隙压力的集中,使断裂面上有效应力降低,裂纹面尖端的应力强度因子增加。当达到临界强度因子时,可能使岩体内裂纹、裂隙贯通、扩展,形成连续的复式破坏面,从而使边坡稳定性降低,造成边坡的失稳。基于此,从断裂力学角度分析了裂隙水压力对裂纹强度因子的影响,对考虑裂隙水压力作用的Ⅰ、Ⅱ型复合裂纹扩展规律进行了研究,结果表明：Ⅰ、Ⅱ型复合裂纹的裂纹扩展角的变化,不仅与裂纹的闭合程度、斜裂纹倾角、双向应力大小有关,还与裂隙水压力的大小、裂纹面的摩擦系数有关;并且在相同情况下,未闭合裂纹的扩展角要大于闭合裂纹的扩展角;对于闭合裂纹,裂纹面摩擦系数越小,扩展角越大;最后,推导了基于摩尔-库仑准则考虑裂隙水压力的岩体断裂韧度KIc、KIIc和压剪状态下Ⅰ、Ⅱ型复合断裂判据。研究成果为分析水岩作用下裂隙岩体的失稳破坏提供了重要的参考。     

隧道新型恒阻让压装置的工作机制研究

恒阻让压支护是挤压大变形隧道的大变形控制中较为理想的支护形式,现有技术在高承载力、大变形量及荷载稳定3个方面尚难统一。针对这一难题,受启发于金属拉拔工艺,结合钢拱架支护受力特点,自主研发了拉压转换恒阻让压装置,论述了其工作原理,分析了其力学响应规律与特征,并通过室内试验和数值模拟,对其设计参数的影响规律进行了分析,确定了拉压转换恒阻让压装置性能衡量指标。分析表明:(1)拉压转换恒阻让压装置可在压力条件下恒阻变形,将其安装于钢拱架分段接头处,与钢拱架嵌合为一体,即可保证钢拱架的稳定性,提高钢拱架的大变形适应能力,也可为围岩提供恒定的支护力;(2)基于锥角、摩擦系数、让压杆截面收缩率和直径4个设计参数,该装置可实现让压恒阻力和让压量可控,且其荷载稳定性好,可为软岩隧道大变形及支护稳定控制提供重要技术支撑。     

支承压力显现的动态规律与来压预报方法

本文以DKJ-1型矿压计算机监测系统在两个矿的顶板来压监测和预报实际资料为依据,深入分析了8个月,13次来压的支承压力显现规律,并将显现形式分为压缩反弹型和波动型两种类型,总结了显现的特征参数及与来压的时间差和位置差。文章介绍了计算机监测系统识别来压前兆的方法及准确预报13次来压的良好效果。     

高压超高压变泥质岩适用的地质温压计评述

高压超高压变泥质岩形成温压条件及p-T演化轨迹是高压超高压变质作用研究的重要内容。本文介绍了高压超高压变泥质岩适用的几种地质温压计,包括石榴子石-多硅白云母Fe~(2+)-Mg交换温度计、石榴子石-绿泥石Fe~(2+)-Mg交换温度计、硬绿泥石-绿泥石Fe~(2+)-Mg交换温度计、多硅白云母Si含量压力计、金红石Zr含量温度计、榍石Zr含量温压计、锆石Ti含量温度计、石英Ti含量温度计以及氧同位素温度计,并对上述温压计的适用条件及使用时的注意事项做了简要评述。     

高压下多硅白云母的拉曼光谱学研究

在金刚石压腔中，通过原位拉曼光谱研究了多硅白云母在常温高压下的稳定性。实验获得了多硅白云母从常压到20GPa的拉曼光谱数据，研究了多硅白云母的266、708和3618cm^-1叫谱峰与压力的相关性。研究发现，多硅白云母的708cm^-1叫谱峰随压力增加有规律地向高频方向偏移，与压力的增加呈明显的正相关性，即y（拉曼位移，cm^-1）=0．5238x（压力，GPa）＋712．31，相关系数R^2=0．9656，并且该谱峰在压力4．7GPa时消失，这可能与多硅白云母中的Si、Al替代有关。羟基3618cm^-1谱峰则随压力增加向低频方向移动，谱峰的降低与压力的增加呈明显的线性关系变化（y=-0．3402X＋3617．8，R^2=0．9662），并且强度随着压力的增加也在逐渐减弱，在压力达18GPa时开始消失，推测该压力可能为多硅白云母在常温下脱羟基的极限压力。     

基于保压取心的深部煤层原位压力计算原理及方法初探

准确获取煤层原位瓦斯压力是防治瓦斯灾害的关键环节,现阶段仍需探寻测量准确、经济投入小、测定周期短的瓦斯压力测定手段。基于深部煤层原位保压取心原理技术,提出了深部煤层原位瓦斯压力计算方法并形成其测定流程,构建了保压空间内瓦斯压力演化数值模型,对比理论与数值模拟结果验证方法的可靠性,进一步探究煤层不同原位瓦斯压力下保压空间内瓦斯压力演化规律。结果表明：保压空间中瓦斯压力示数并非煤层原位瓦斯压力,当保压空间中压力示数为0.3 MPa时,煤层原位瓦斯压力约0.38 MPa;保压空间中瓦斯压力平衡值越大,原位状态游离瓦斯占比越大,平衡后游离瓦斯质量占比也越大;随着保压空间中瓦斯由原位状态向新平衡态转换,游离瓦斯质量占比逐渐增加,吸附态瓦斯质量占比则相应减小;保压空间内瓦斯压力演化规律分为3个阶段,自取心完成后分别经历瓦斯压力快速增加、缓慢增加以及最终平衡阶段;基质内吸附态瓦斯压力缓慢衰减,游离态瓦斯压力快速衰减,保压空间内瓦斯压力先快速增加后趋于稳定最终达到压力平衡;煤心渗透率越大,保压空间中瓦斯压力达到平衡所需时间越短,但其保压空间中瓦斯压力最终平衡压力与煤心渗透率无关。