水位波动下包气带透镜体影响LNAPL迁移的数值模拟研究

轻质非水相液体（LNAPLs）在土壤包气带中具有多相态特征,非均质性、地下水位波动等因素将显著增加包气带内LNAPLs污染的复杂程度。已有研究多关注于揭示包气带内自由相LNAPLs的污染过程,少有更为深入地探究水位波动时非均质结构对LNAPLs迁移及各相态分布规律的影响。基于TOUGH2程序构建包气带多相流数值模型,以揭示透镜体结构与地下水位波动共同作用下LNAPLs迁移过程及相态分布。研究结果表明:（1）含水率变化是LNAPLs迁移分布的主要控制因素,包气带内受透镜体介质岩性、水位波动影响所呈现的含水率变化直接控制LNAPLs迁移规律及分布特征;（2）水位恒定时,细砂透镜体使LNAPL呈“蓄积穿透-横向扩展-绕流”迁移,粗砂透镜体则是LNAPL垂向迁移的“优势通道”,水位波动引起的细砂透镜体含水率变化使“绕流”显著增强,粗砂透镜体则进一步呈现“优势空间”作用;（3）水位恒定时,细砂透镜体模型中LNAPL滞留于透镜体内部,粗砂模型中LNAPL则集中于透镜体下方,水位波动下透镜体附近LNAPL分布范围扩展,两模型LNAPL分布面积较水位恒定时分别增大51%、63%;（4）两模型中LNAPL挥发通量均呈“先减小-后增大”规律,并受LNAPL-气体接触条件及LNAPL分布状况共同作用,水位波动打破三相平衡状态,主要表现为水位抬升阶段LNAPL挥发增强,此时两模型中平均挥发量较水位恒定时增大124%～126%。研究为非均质石油污染场地中的LNAPL污染过程认识提供了科学的理论依据。     

非均质性对DNAPL污染源区结构特征影响的实验研究

重非水相液体(DNPALs)在地下环境中的运移分布与残余捕获受多种因素控制。选择四氯乙烯(PCE)作为DNAPLs特征污染物,通过二维砂箱实验探究介质非均质性对PCE运移及污染源区结构特征的影响。采用透射光法监测PCE在砂箱内的运移过程,定量测量PCE的饱和度。采用空间矩分析PCE污染体的平均运移行为随时间的变化,并采用离散状与池状PCE体积比(GTP)定量表征污染源区结构特征。结果表明,由于无法克服毛细压力,PCE在细砂透镜体上方聚积并侧向扩散,水平扩散范围显著增大。随机非均质介质中,PCE绕开细砂透镜体,沿着粗砂透镜体构成的优势通道运移,运移路径的不规则性及饱和度分布的空间变异性增强。PCE的捕获主要为毛细屏障和拉断效应两种形式。运移路径延长,路径上残留的离散状PCE增多,低饱和度的比例与GTP增大。非均质性显著影响PCE的运移路径、捕获及空间分布。     

黄原胶在含水层的迁移特性及对KMnO4迁移的影响

向地下水注入化学药剂进行修复时,药剂迁移主要集中在渗透性相对较高的区域,致使低渗透区内的污染物无法有效去除。通过注入聚合物（黄原胶）对地下水进行黏度控制,可以有效提高修复药剂在低渗透区的迁移能力,从而提高修复效果。黏性流体在地层中的迁移特性是该技术应用的理论基础,因此本研究运用一维模拟柱实验分析了含水层介质对黄原胶流体的阻滞作用,黄原胶注入前后介质的压力及渗透系数的变化以及黄原胶与修复药剂KMnO4迁移同步性。实验结果表明:当黄原胶溶液注入到介质后,介质对黄原胶的阻滞导致其有效孔隙度减小,因此会在一定程度上加速后续注入溶液溶质的运移,且介质渗透系数越小,对黄原胶阻滞作用越明显;黄原胶注入导致含水层渗透性降低,流体运移阻力增加,特别是在细砂和粉砂介质中,渗透系数都降低了一个数量级;虽然黄原胶和KMnO4在迁移锋面存在一定差异,但经过2 h后迁移速率基本相同,具有较好的同步性。     

水动力和介质非均质性影响下DNAPLs运移数值模拟

选定氯苯为典型DNAPL建立理想的地表污染泄漏多相流运移模型,利用TOUGH系列软件TMVOC模块进行数值模拟,探讨地下水动力、介质非均质性及两种因素协同作用时对DNAPLs运移和分布的影响。研究结果表明:(1)水力梯度增大了DNAPL水平和垂向运移速率;当水平向水力梯度过大时,反而导致垂向速率减小。(2)透镜体主要发挥阻滞作用,绕过透镜体后,下游侧污染指入渗深度明显大于上游侧;水力梯度的存在进一步增强介质非均质性的影响,产生更多集聚和绕流,形成不规则的污染指和污染池交替组合形态。     

非均质孔隙介质中两相流的光透法应用研究

地下水中非水相液体(Non-aqueous Phase Liquid,NAPL)的流动及其曝气修复技术是典型的两相流问题。基于实际地下水含水介质的普遍非均质性,本文应用光透法对非均质孔隙介质中两相流进行了定量试验研究,设计了两组砂箱实验,研究气体和重非水相液体(DNAPL)在非均质孔隙介质中的迁移规律,应用了水/气两相和水/NAPL两相饱和度计算模型。实验结果表明:气体主要由不规则通道向上运动,遇到低渗透性透镜体时在其下方堆积,并开始横向运动,绕过透镜体后继续向上运动,最终在砂箱顶部形成连续气体分布,注气速度越大,气体运移范围越宽;DNAPL在自身重力作用下克服毛管压力向下迁移至低渗透性透镜体,DNAPL无法克服该介质的毛管压力,停止垂向入渗,并在其表面堆积,开始横向运移,绕过透镜体后继续向下运动,最终在砂箱底部形成连续DNAPL污染池。均质介质中建立的计算流体饱和度的水/气模型及水/NAPL模型与实验结果较吻合,可用于非均质多孔介质中水/气相和水/NAPL相饱和度的计算。     

轻非水相液体在地下环境中的运移特征与模拟预测研究

通过自行设计制备的二维砂箱模拟轻非水相液体(LNAPL)在湿润多孔介质中的渗漏,得出LNAPL在地下环境中的入渗、迁移及分布规律,并利用多相流体理论对其污染机理进行分析.在实验基础上建立模型来预测渗漏的基本特征,即渗流带中污染锋面扩展速度和透镜体的最终形状,预测结果与实测结果较为接近.这种预测模型对控制和治理地下水中LNAPL污染是至关重要的.     

基于转移概率随机模拟的DNAPL运移二维和三维数值模拟对比研究

非均质介质的空间维度变化对重非水相流体（DNAPL） 的运移具有重要的影响。在充分考虑地质体的空间连续 性、不对称性以及各向异性等特征的基础上,采用基于马尔可夫链的转移概率（transition probability） 模型来构建非均质 随机场。该文通过TMVOC-MP软件来模拟DNAPL在非均质介质中的运移规律,探讨非均质随机场的水平空间连续性、 空间维度变化以及侧向运移过程对DNAPL运移的影响。结果表明,介质的水平空间连续性越好,DNAPL在水平方向的 迁移范围越大,在垂向的迁移范围越小;相比于三维模型,二维模型中DNAPL在水平方向的展布更大、在透镜体上的蓄 积量更多,在实际应用中以二维模型代替三维模型会加大模拟结果与实际污染情况之间的误差;侧向运移过程削弱了单 个平面的非均质性对DNAPL运移的控制,当存在侧向运移时,DNAPL绕过透镜体所运移的距离以及在透镜体上的蓄积 量会相应减小。     

轻非水相液体污染源区结构的影响因素数值分析

轻非水相液体（light non-aqueous phase liquid,LNPAL）在地下介质中的运移分布与残余捕获受多种因素影响和控制。LNAPL污染场地概念模型中一般视LNAPL从地表泄漏后穿过包气带至潜水面。然而地下介质的非均质性与包气带含水量的空间变异分布可形成复杂的LNAPL污染源区结构,LNAPL可能无法到达潜水面,而在毛细水带蓄积。文章基于数值模型综合分析了LNAPL泄漏量、介质非均质性与含水量空间变异分布、潜水面周期性变化等多种因素对LNAPL污染源区结构的影响。研究表明:（1）当泄漏量较大时,LNAPL可运移至潜水面;（2）当泄漏量较小时,对于上粗下细的层状非均质条件,LNAPL可能在毛细水带边缘发生蓄积,无法到达潜水面;（3）包气带中黏土透镜体并非都是LNAPL运移的阻碍,LNAPL可以穿透低含水量的黏土透镜体,只有高含水量的黏土透镜体才对LNAPL的入渗有阻碍作用;（4）潜水面周期性变化将导致污染范围扩大。     

多孔介质中水泥浆三维锋面特征研究

深层渗滤效应普遍存在于多孔介质的渗透注浆过程中,并起着非常重要的作用。基于质量守恒方程、线性滤过定律、渗流连续性方程及Darcy定律,建立了水泥浆三维锋面的理论模型;通过现场试验,研究了水泥浆三维锋面扩散运移及沉积层渗透系数的变化规律,并将试验值与模型理论值进行了对比分析。结果表明,沉积层渗透系数随水泥浆锋面的扩散运移动态变化;当注浆压力恒定时,水灰比越小,深层渗滤效应越显著,浆液扩散距离相应越短;相同扩散距离时,受重力效应的影响,注浆点源之上的沉积层渗透系数大于注浆点源之下的沉积层渗透系数;浆液扩散距离及固定位置处的沉积层渗透系数均与水灰比呈正相关。研究成果可指导工程设计,具有一定的实际应用价值。     

多孔介质界面对重非水相液体迁移过程影响的图像法研究

重非水相液体(dense nonaqueous phase liquid,DNAPL)污染土壤和地下水的问题已引起广泛关注,研究其在不同粒径多孔介质及其界面的运移特征形态是确定污染区域、修复治理土壤和地下水环境的前提。文章通过室内试验研究多孔介质界面对DNAPL运移与分布特性的影响。首先在二维砂槽上进行DNAPL污染物的入渗试验,试验过程中用数码相机拍照,将DNAPL扩散过程以图像的形式记录下来;然后用AutoCAD对图片进行处理,绘制出DNAPL迁移过程的锋面变化图。结果表明:DNAPL入渗过程中,迁移主要受到重力作用与毛细作用的控制,毛细作用力随着介质粒径的增大逐层减小,重力作用逐渐起主导作用使污染物入渗速度逐层增大;介质结构影响DNAPL的迁移形态,介质粒径逐层增大,DNAPL污染物的渗流面与指进扩散宽度逐层减小,扩散方式由面状变为指状;在不同粒径介质界面介质结构发生突变时,DNAPL迁移锋面线曲率也相应变大,此时DNAPL的迁移呈现“凸”型特征,另外,不同的界面横向扩散的滞留宽度不同,随着介质粒径的增大,界面的横向扩散宽度相对变短。     

黄河口凹陷BZ34区古近系沙一二段储集层成岩相与有利储层预测

摘要：通过铸体薄片、扫描电镜、电子背散射、阴极发光等技术手段结合物性资料以及沉积(微)相划分,对研究区沙一二段储集层成岩作用类型及点(薄片)、线(单井)、面(平面展布)成岩相分布及有利储层分布进行了研究。结果表明：研究区沙一二段受同沉积火成岩喷发和水解的影响,广泛发育栉壳状白云石、钾长石钠长石化、石英溶蚀等碱性条件下发生的成岩作用,同时层状分布的火山岩对于下覆地层起到了保护作用,减弱了下覆地层的压实作用;此外,受后期酸性流体的影响,研究区也发育诸如长石、岩屑溶蚀等酸性条件下发生的成岩作用,沙一二段储层发育溶蚀孔,占比达到567%(均值)。采用“(微相)砂体部位+主体成岩现象+孔隙类型”的复合命名方式,对薄片、单井及平面区域进行了成岩相的命名和划分,共划分为三类：水下分流水道砂体侧翼细粉砂岩-菱铁矿胶结-低孔成岩相、三角洲前缘-中细砂岩-欠压实-白云石包壳-溶孔相、火山熔岩远端凝灰质中细砂岩-凝灰质胶结-致密相。欠压实-白云石包壳-溶孔相在测井响应上具有DT低、RD与RS间隔幅度较大、CNCF与RHOZ较为接近或交叉的特点;菱铁矿胶结-低孔成岩相具有DT高、RD与RS较为接近、CNCF与RHOZ间隔幅度较大的特点,测井解释的油层、油水同层与欠压实-白云石包壳-溶孔相具有较好的匹配关系。三角洲前缘-中细砂-欠压实-白云石包壳-溶孔相为有利储层发育区带。     

基于毛管浸润技术的岩石孔隙率无损测试

以岩石主要表征参数孔隙率变化作为岩石损伤分析的着力点,开发了一种无损的定量分析岩土损伤的毛管浸润技术。通过对孔隙土体的毛管浸润试验研究了浸润速率、浸润面积和浸润深度随孔隙率的变化规律,提出了毛细管束模型并对毛管浸润技术的机制进行了深入研究。相对于现有的有损且不可重复测量技术,毛管浸润技术操作简便,成本低廉,且对于特定的损伤岩体,可以通过试验建立滴定参数与力学参数的联系。基于毛管束模型中毛管浸润对孔隙体下部的作用,分别建立了毛管浸润的圆柱模型1、圆柱模型2和球状模型,由上部液柱下降高度 以及表面浸润面半径 推算下部孔隙体中液体浸润深度L。根据实际孔隙土体的浸润参数对上述模型进行验证计算,指出球状浸润模型能够更好地模拟实际毛管浸润过程中液体的浸润深度情况。基于毛细管束模型,由浸润参数即浸润深度与浸润速率的关系,分别建立了3种模型的孔隙率计算公式。针对球缺模型的孔隙率 进行验算,发现计算值与实测孔隙率的误差不超过10%,指出在求解一般精度要求下的孔隙率时,用该孔隙率公式计算的结果是合理有效的。     

LNAPL在含裂隙层状非均质地层中运移模拟研究

为研究轻非水相流体（LNAPL）泄露后在土壤中扩散情况,基于室内试验,使用TOUGH2软件进行数值模拟,分析探讨含裂隙层状非均质地层中LNAPL的运移及分布情况。并对LNAPL入渗过程及停止入渗并静置一定时间后,不同粒径砂层及裂隙中LNAPL的分布特征及残留含量进行对比研究。在LNAPL泄露入土壤后,优先进入土壤中的裂隙,形成快速通道,使LNAPL的扩散方式不局限于自上而下逐层渗入,同时也从裂隙中向两侧水平扩散,加快了LNAPL扩散入地层中的速度;停止入渗并静置一定时间后,包气带细砂中的LNAPL饱和度大于粗砂中的饱和度,而饱水带中两种砂土中的LNAPL饱和度相差较小。     

层状土毛细水上升过程中Lucas-Washburn模型评价及修正

受界面效应影响,毛细水在层状土中运移规律还难以用描述均质土中水分运移规律的Lucas-Washburn（LW）渗吸模型进行描述。基于此,本文设计了层状土室内模型试验,采用分布式的主动加热光纤法（简称AHFO）监测毛细水上升过程。根据AHFO测试结果,进一步对LW模型进行了修正,提出了适用于描述层状土中毛细水上升规律的ILW模型,并对ILW模型进行了试验验证。试验结果表明:（1）当毛细水湿润锋抵达“黏土（下部）-砂土（上部）”界面时,会产生“毛细屏障作用”,从而导致上部砂土中毛细水含水率急剧下降;（2）“毛细屏障作用”由砂土和黏土中的基质吸力不均衡造成,基质吸力大小由含水率决定;（3）当毛细水湿润锋抵达“砂土（下部）-黏土（上部）”界面时,在界面处出现“反毛细屏障作用”,从而导致上部黏土层中的含水率比相邻下部砂土层含水率更高;（4）虽然常见的LW模型可准确预测均质土中毛细水上升高度及速率,但受“毛细屏障作用”和“反毛细屏障作用”影响,LW模型在层状土中失效;（5）相比LW模型,ILW模型精度更高,能够更加准确地描述层状土中毛细水上升规律。     

紫色土典型三角形层状剖面入渗模拟

通过室内特制的土壤水分入渗试验装置,分别设置上粗下细和上细下粗两种典型不同质地紫色土三角形层状剖面,探讨典型不规则层次结构的土壤入渗特性。结果显示,同一三角形层状剖面入渗,粗质土半剖面的垂直湿润锋随时间推进速度快于细质土。对于粗质土,上细下粗剖面设置下其半剖面的垂直湿润锋随时间推进速度快于上粗下细,但对于细质土,两种层状剖面设置下其垂直湿润锋随时间推进速度差异不明显。无论上粗下细,还是上细下粗,两种层状剖面对斜面湿润锋变化曲线影响不大。两种层状剖面入渗,湿润锋、入渗速率与时间均呈极显著幂函数关系。建立的紫色土典型三角形层状剖面入渗模型,经验证,模拟值与实测值具有非常好的一致性,且可与经验模型相互转换,模型参数也具有一定的物理意义。     

层状非均质结构包气带入渗过程单相流与两相流数值模拟对比研究

包气带水分入渗过程受多种因素的影响。定量研究层状非均质岩性结构和入渗速率对其影响,有助于解决根据不同条件选择单相流模型或水气二相流模型模拟包气带水分入渗过程的问题。结合填埋场等场地地层条件及污废水入渗特征,分别建立了“上细下粗”和“上粗下细”包气带层状非均质岩性结构水分入渗单相流和水气二相流模型,探讨不同层状非均质岩性结构条件下模型的适用性。在“上粗下细”岩性结构模型基础上,进一步探究入渗速率对水气两相运移结果的影响。基于论文模型研究表明:（1）在包气带岩性结构为“上细下粗”的条件下,气相的影响基本可以忽略,可直接采用单相流模型对包气带水分运移进行模拟;在“上粗下细”岩性结构和本次模型设定的底部压力保持不变及污废水泄漏前场地未接受降水入渗补给等条件下,当包气带上下层介质渗透率比值大于16倍时,气相会对水相运移产生明显影响,且下层介质渗透率越小、上下层介质渗透率比值越大,单相流与两相流的运移结果差别越大,需要采用水气二相流模型模拟包气带水分运移。（2）在包气带“上粗下细”岩性结构条件下,入渗速率越大,气相对水流入渗的阻滞作用越明显,此时包气带水分运移模拟应采用水气二相流模型。     

饶阳凹陷南部古近系中深层有效储层物性下限及控制因素

综合运用实测物性、测井解释物性、试油等资料,分别应用分布函数曲线法、测试法、试油法求取饶阳凹陷南部古近系中深层不同深度段的有效储层物性下限,并对物性下限与深度的关系进行了回归拟合。在此基础上,引入孔隙度差值,结合饶阳凹陷南部古近系中深层储层的沉积特征、成岩作用特征及地层压力特征分析,探讨了有效储层发育的控制因素。结果显示:研究区辫状河三角洲前缘水下分流河道、河口坝沉积微相有利于有效储层的发育,而席状砂、水下分流间湾砂体有效储层发育较少,储层物性较差;厚度大于3 m的砂体有利于有效储层的发育。研究表明:成岩作用对储层的影响主要表现为压实作用和胶结作用使储层物性降低,而溶蚀作用使储层形成次生孔隙、提高储集物性;地层超压的存在促进有效储层的发育。     

Changes of Precipitation Infiltration Recharge in the Circumstances of Coal Mining Subsidence in the Shen‐Dong Coal Field,China

Coal mining subsidence is a universal environmental-geological problem in mining areas. By selecting the Shen-Dong coal mining subsidence area as the research field, this paper studies the changes in precipitation infiltration recharge in the circumstances of coal mining subsidence by means of field geological investigation and laboratory simulation experiments, which is expected to provide a scientific basis for eco-environmental restoration in the mining area. The results indicate that at the unstable stage of subsidence, three types of subsidence in the Shen-Dong mining area have positive effects on the precipitation infiltration recharge, and the type of full-thickness bedrock subsidence has the greatest influence. In the stable stage of subsidence, the precipitation infiltration process after long-term drought and the moisture migration in the aeration zone undergo three different stages: evaporation-infiltration before precipitation, infiltration-upward infiltration-infiltration during precipitation and evaporation-infiltration after precipitation. During a heavy rainfall infiltration process, the wetting front movement in fine sand, coarse sand and dualistic structure of fine-coarse sand consists of two stages: the stage of wetting front movement during precipitation, in which the wetting front movement distance has linear relationship with the depth, and the stage of wetting front movement after precipitation, in which the wetting front movement distance has the power function relationship with the depth. The wetting front movement velocity is influenced by the rainfall amount and the lithology in the aeration zone. However, as the depth increases, the movement velocity will decay exponentially.     

Control of Facies and Potential on Jurassic Hydrocarbon Accumulation and Prediction of Favorable Targets in the Hinterland Region of the Junggar Basin

<正>Exploration practices show that the Jurassic System in the hinterland region of the Junggar Basin has a low degree of exploration but huge potential,however the oil/gas accumulation rule is very complicated,and it is difficult to predict hydrocarbon-bearing properties.The research indicates that the oil and gas is controlled by structure facies belt and sedimentary system distribution macroscopically,and hydrocarbon-bearing properties of sand bodies are controlled by lithofacies and petrophysical facies microscopically.Controlled by ancient and current tectonic frameworks,most of the discovered oil and gas are distributed in the delta front sedimentary system of a palaeo-tectonic belt and an ancient slope belt.Subaqueous branch channels and estuary dams mainly with medium and fine sandstone are the main reservoirs and oil production layers,and sand bodies of high porosity and high permeability have good hydrocarbon-bearing properties;the facies controlling effect shows a reservoir controlling geologic model of relatively high porosity and permeability.The hydrocarbon distribution is also controlled by relatively low potential energy at the high points of local structure macroscopically, while most of the successful wells are distributed at the high points of local structure,and the hydrocarbon-bearing property is good at the place of relatively low potential energy;the hydrocarbon distribution is in close connection with faults,and the reservoirs near the fault in the region of relatively low pressure have good oil and gas shows;the distribution of lithologic reservoirs at the depression slope is controlled by the distribution of sand bodies at positions of relatively high porosity and permeability.The formation of the reservoir of the Jurassic in the Junggar Basin shows characteristics of favorable facies and low-potential coupling control,and among the currently discovered reservoirs and industrial hydrocarbon production wells,more than 90%are developed within the scope of faciespotential index FPI0.5,while the FPI and oil saturation of the discovered reservoir and unascertained traps have relatively good linear correlation.By establishing the relation model between hydrocarbonbearing properties of traps and FPI,totally 43 favorable targets are predicted in four main target series of strata and mainly distributed in the Badaowan Formation and the Sangonghe Formation,and the most favorable targets include the north and east of the Shinan Sag,the middle and south of the Mobei Uplift,Cai-35 well area of the Cainan Oilfield,and North-74 well area of the Zhangbei fault-fold zone.     

层状土壤上升毛管水运移特性试验研究

通过室内土柱模拟试验,进行了层状土与均质土的对比试验,对层状土壤毛管水运动特性进行了研究,分析了层状土壤毛管水上升高度、速率及地下水补给量与时间的关系,并研究了毛管水上升高度与地下水补给量之间的关系。结果表明,砂层对毛管水上升的高度、速率以及地下水补给量有明显影响,砂层对于水分有着明显的阻滞作用。