页岩气层水-岩作用机理、特征及意义

页岩气效益开发依赖水平井分段水力压裂技术,然而水基钻井液、碱性油基钻井液、滑溜水压裂液、前置酸液和氧化性破胶液与页岩发生水-岩作用,潜在影响着钻井过程井壁稳定、压裂改造效果、压后闷井及返排效果。通过系统综述国内外页岩气层水-岩作用机理、水-岩作用下页岩组构响应特征,讨论了水-岩作用对页岩气开发的意义。综述认为,页岩富含水敏性组分黏土矿物等、酸敏性组分碳酸盐矿物、碱敏性组分石英等和氧敏性组分有机质和黄铁矿;页岩矿物组分水解程度极低,但黏土矿物水化膨胀、促缝现象突出;页岩孔隙和裂缝的分布均与化学不稳定组分石英、碳酸盐矿物、有机质和黏土矿物密切相关,化学溶蚀包括酸化溶蚀、碱液侵蚀和氧化溶蚀;水-岩作用下页岩组分溶蚀,诱发孔缝溶扩并劣化岩石力学性质。研究指出,推动工作液配方优化,攻关应用氧化性酸液和氧化性压裂液,有利于提高压裂造缝效果和促进吸附气产出,提高气层采收率;基于闷井压降曲线拐点确定最长闷井时间,构建考虑缝网导流能力保护的控压生产制度,有利于指导气井生产全过程合理控压,延长稳产期,提高单井产量。

库岸边坡消落带水-岩作用研究进展与展望

消落带岩体的损伤劣化直接影响库岸边坡的长期变形稳定.近年来,相关模拟库岸边坡消落带的水-岩作用的试验设备和测试技术逐步发展,消落带水-岩作用劣化效应及机理研究逐步完善,相关研究进展主要体现在如下4个方面:库岸边坡消落带水-岩作用试验方法从干湿循环逐步发展到考虑库水压力变化以及应力和水-岩耦合作用,但相关模拟复杂应力条件和库水环境耦合作用的专用仪器设备和方法亟待进一步研究完善;水-岩作用下各类岩石的劣化规律和微细观结构损伤演化特征得到系统研究,并建立了多种损伤劣化模型,但复杂赋存条件下库岸边坡消落带岩体损伤劣化与地层岩性、坡体结构的相关关系,以及消落带岩体的损伤劣化机理及模型亟待完善;在消落带岩体劣化现场测试方面,声波、回弹、探地雷达和钻孔成像技术逐渐得到应用,但相关适用于大范围、长周期的消落带岩体劣化现场测试及分析技术亟待完善;消落带岩体劣化已经逐渐成为影响岸坡长期变形稳定的因素之一,但消落带岩体损伤劣化诱发岸坡局部或者整体变形失稳的临界条件、变形破坏模式分析还不够系统.

基于平行黏结模型的水-岩作用下砂岩蠕变模拟及损伤机制研究

为探明库水位周期性升降作用下消落带岩体蠕变损伤机制,基于PFC中的平行黏结模型(parallel bond model,PBM),考虑水-岩作用对黏结的弱化和材料特性随时间的变化,提出水-岩作用下砂岩蠕变的离散元模拟方法,并在室内试验基础上开展水-岩作用下砂岩蠕变模拟。研究结果表明:在破坏应力水平下,试样微裂纹扩展与蠕变应变规律相似,可分为衰减扩展阶段、稳定扩展阶段、加速扩展阶段,且随水-岩作用周期增加,加速扩展阶段的耗时占总耗时的比例增大;试样蠕变破坏时,随水-岩作用周期增加,剪切裂纹占比逐渐增加,微裂纹倾角分布逐渐分散,倾角分布在65°和115°附近的微裂纹逐渐增加,试样的张性破坏减弱,剪性破坏增强;水-岩作用下,试样能储存的最大胶结能不断降低,且储存相同胶结能时对应的应变不断增大,与实际岸坡在水-岩作用下岩体整体承载能力降低、变形增大的规律一致。提出的水-岩作用下砂岩蠕变模拟方法具有较好的可行性,为库岸边坡岩石在库水位升降影响下的模型研究提供理论基础。

干热岩开发中高温水-岩作用下岩石应力腐蚀及多场损伤问题

赋存于地球深部的地热资源,以其储量丰富、清洁再生等优势,有望成为破解我国能源困局,助推“双碳”目标实现的重要途径之一。干热岩(HDR)开发过程中,面临着高温高压环境下水-岩作用问题,在温度场、渗流场、应力场、化学场(THMC)等多场耦合作用下,岩体应力腐蚀效应和疲劳劣化会诱发岩石微裂纹-裂缝扩展、成核与丛集行为,进而影响增强型地热系统(EGS)的热交换效率和地质体稳定性,这也是制约干热岩长期安全开发的瓶颈,亟待突破。通过总结现有干热岩高温高压下多场损伤研究中的实验探索、理论模型、数值分析等多手段跨尺度方法,分析干热岩在高温高压及水环境下的应力腐蚀效应,可阐明循环生产过程中低温工质与高温地质体循环换热下干热岩储层结构演化的动态过程及工程响应,进而揭示THMC多场耦合作用下干热岩储层疲劳劣化损伤机理,为我国深部地热资源高效安全开发提供理论支撑和地质保障;但仍亟待深入开展增强型地热系统的THMC多场耦合作用下岩体应力腐蚀效应的干热岩疲劳劣化机制与长期稳定性研究,如考虑应力腐蚀效应和疲劳损伤的干热岩长期强度评价模型、基于跨尺度疲劳损伤评价的干热岩开发下地质体长期稳定性方法、适应于干热岩储层改造及裂缝网络演化下THMC多场耦合数值方法。

煤矿采空区水-岩作用模拟试验研究

采空区积水在我国煤矿中广泛存在。明确在采空区封闭-半封闭环境条件下的水-岩相互作用机理,对实现煤矿区水污染减量以及地下水资源保护具有重要意义。以内蒙古某煤矿采空区积水为研究对象,设计高度还原采空区环境的箱式模拟试验,采用X射线衍射仪(XRD)和X射线荧光光谱仪(XRF)对模拟采空区填充物(煤、垮落岩体)中矿物成分及元素组成进行分析,借助离子色谱仪(IC)和电感耦合等离子体发射光谱分析仪(ICP-OES)等对水中水化学特征进行表征,探究采空区积水水质形成的水-岩相互作用机制。结果表明:水-岩相互作用主要为煤及垮落岩体中的矿物溶解-沉淀作用、阳离子交换作用、煤中黄铁矿氧化作用以及混合作用。矿物溶解作用占主导地位,采空区积水中的Na+、K+主要来源是钠长石、钾长石等硅酸盐矿物的溶解,而Ca2+和Mg2+主要来自于钙长石、方解石、绿泥石等矿物溶解;离子交换作用主要发生在采空区水-岩作用的初期(0~20 d),而后逐渐减弱;采空区底部残煤中黄铁矿氧化作用是积水SO42-浓度升高、还原性增强、pH和DO(溶解氧)降低的主要原因;混合作用在试验中后期(30~150 d)逐渐凸显,使采空区积水的水化学特征趋向于一致。研究结果为煤矿采空区积水污染预测以及防治提供理论参考。

不同水-岩作用下岸坡岩石力学特性劣化试验研究

库水位升降会使不同高度、不同水位线下岸坡岩石的水赋存环境不同,受到的水-岩作用类型亦不同,为此开展了不同水-岩作用下岸坡岩石力学特性劣化试验。结果表明,岩样的抗压、抗拉强度均随试验周期的增加而减小,呈先快后慢的劣化趋势;随着水-岩作用周期的推进,岩样在抗压和抗拉试验中,剪切破坏特征愈发明显;岩样微观结构由致密逐渐向疏松多孔、多裂纹的结构过渡;不同水-岩作用下,岩样的力学特性和微细观结构劣化程度表现为热湿循环作用>干湿循环作用>长期浸泡作用。结果对基于水-岩作用分区的岸坡长期稳定性分析提供了新思路。

石煤中铀在水-岩作用下浸出释放的环境影响及控制因素

含铀石煤广泛分布于中国南方地区,富含有机质和金属硫化物。石煤被人为开采暴露于地表后很容易在水-岩作用下发生氧化,产生矿山酸性排水并释放出放射性和有毒金属元素铀,因此废弃裸露的石煤矿山成为重要的潜在铀污染源。综述了水-岩作用下石煤矿山铀浸出释放的环境效应,铀的浸出释放过程受到多种因素的影响,包括石煤中铀的丰度、铀赋存状态、石煤风化程度、微生物作用,以及浸出液pH、Eh和气象水文等。尽管石煤中铀在水-岩作用下浸出释放研究取得了长足的进展,但控制铀浸出释放的主要因素及相关机制还不清楚,尤其是微生物在铀浸出释放过程中的作用机制还有待深入研究。

鄂尔多斯盆地南部旬邑-宜君地区直罗组古层间氧化带地球化学特征及水-岩作用探讨

鄂尔多斯盆地南部旬邑−宜君地区直罗组古层间氧化带具有明显分带特征,通过对不同分带砂岩主量、微量、稀土元素及环境敏感参数特征对比研究,将旬邑-宜君地区古层间氧化带发育的水-岩作用过程划分成两个阶段:古层间氧化带形成和大规模成矿阶段、二次还原改造阶段。(1)古层间氧化带形成和大规模成矿阶段:含氧水进入目的层砂体,使砂体中Fe^(2+)氧化成Fe^(3+)(Fe^(2+)含量最低,Fe^(3+)最高);砂体中的U被氧化为U^(6+),形成铀酰腐殖酸盐络合物发生迁移(U、Corg、S含量最低、Th/U比值最高);长石高岭土化使Si发生流失(SiO_(2)含量降低);携带大量U的氧化流体运移至氧化还原过渡带(Corg、ΣS含量最高、Fe^(2+)含量仅低于灰绿色砂体),还原剂(有机质和黄铁矿等)将U^(6+)还原成U^(4+),形成沥青铀矿;U^(4+)与SiO_(4)^(4-)发生反应形成铀石(Th/U比值最低,U含量最大值),SiO_(2)发生沉淀(SiO_(2)含量增高),石英发生次生加大,使得砂体变得致密坚硬。(2)二次还原改造阶段:成矿后下伏的还原性气(流)体沿断层进入目的层砂体,Fe^(3+)被还原成Fe^(2+)(Fe^(2+)含量最高,Fe^(3+)/Fe^(2+)比值最低);黑云母发育绿泥石化,析出K^(+)离子(K_(2)O含量最低),使得砂体呈灰绿色,古层间氧化砂体表现为灰绿色砂岩及包裹着红色残留体的灰绿色砂岩。

水-岩作用对岩石表面微观形貌影响的试验研究

利用精度高达0.5μm的Talysurf CLI 2000三维表面激光形貌仪,对经矿井深部地下水作用前后的5种不同岩性的岩石试件进行形貌扫描,探讨试件表面的微观形貌的变化特征并对12个形貌参数作出定量分析对比。试验结果发现,水-岩作用后岩石表面形貌高度的离散性、偏离基准面的程度、粗糙程度变大,高度的分布概率更为集中,由负偏态变为正偏态且高度分布的对称性好于作用前。峰点算术平均曲度Ssc都有规律地降至0.62附近,岩石表面的高差减小,更具协调性。水化作用与水解、溶解作用同时发生,但水化作用效应大于其水解、溶解作用效应。

诸广-下庄铀矿集区成矿过程中水-岩作用的地质地球化学特征

诸广-下庄铀矿集区是我国最大的花岗岩型铀成矿区,本文从岩石蚀变、不同介质中稀土元素的四分组效应、方解石中碳、氧和锶同位素组成等方面系统讨论了诸广-下庄铀矿集区内与铀成矿有关的各种水-岩相互作用的地质地球化学特征,得到以下主要认识:(1)铀矿田范围内成矿的花岗岩大多发生了强烈的蚀变,是水-岩作用的直接表现,晶质铀矿表面发生的溶蚀作用是铀活化的直接证据,裂变径迹特征揭示面型分布的绿泥石化是花岗岩中以类质同像形式存在的铀从花岗岩中活化出来的主要反映;(2)与铀成矿有关的花岗岩具有M型四分组效应,而沥青铀矿、黄铁矿、方解石、绿泥石和伊利石等矿石矿物和脉石矿物则具有W型或W-M混合型四分组效应,这种共轭存在的M型和W型四分组效应表明了流体-花岗岩作用是本区铀成矿作用的关键,沥青铀矿主要是从流体中沉淀成矿的;(3)矿田范围内方解石的δ13C、87Sr/86Sr及δ18O组成特征,及87Sr/86Sr与δ18O之间明显的负相关关系,揭示出本区铀成矿过程中的碳、水和铀来源不同———碳是幔源,铀是壳源,流体中的水至少有一部分是大气降水。

水-岩作用对砂岩卸荷力学特性及微观结构的影响

库岸坡岩体在工程建设中不可避免要遭遇开挖卸荷作用的影响,以三峡库区典型岸坡的层状砂岩为试验对象,设计开展了模拟库水位升降变化和浸泡-风干循环的水-岩作用试验,重点分析了水-岩作用对砂岩卸荷力学特性和微观结构的影响。研究表明:在10次水-岩作用过程中,砂岩的三轴卸荷强度、抗剪强度总体呈先陡后缓的劣化趋势,前4次水-岩作用的劣化速度较快,占总劣化度的70%左右,而后,劣化趋势逐渐趋缓;随着水-岩作用次数的增加,同一围压下岩样卸荷前的变形模量逐渐降低,围压卸载过程中变形模量的线性缓变阶段逐渐变短,非线性突变阶段逐渐变长、变缓,岩样的脆性特征逐渐减弱,塑性逐渐增强;水压力的反复升降变化和浸泡-风干循环作用对岩样造成了不可逆的渐进累积损伤,微观上岩样微裂纹、裂隙、孔隙逐步发育、汇集,宏观上就表现为孔隙率增加、三轴卸荷强度、抗剪强度的劣化。相关研究结论可为库岸边坡岩体开挖卸荷变形稳定分析提供参考。

采动影响下矿区地下水主要水-岩作用与水化学演化规律

煤矿开采势必破坏天然水化学环境,然而矿区多类含水层地下水系统水化学研究尚未从时空角度分析采动影响下水化学演化的本质。以临涣矿区为研究示范,基于历年常规水化学数据开展主成分分析,揭示采动影响下水化学演化过程中的水-岩作用机制。其中,第1主成分代表碳酸盐、硫酸盐溶解及黄铁矿氧化作用,第2主成分代表阳离子交替吸附及脱硫酸作用。采动影响下矿区主要突水含水层地下水碳酸盐、硫酸盐溶解及黄铁矿氧化作用均逐渐减弱,减弱区域不尽相同;然而,阳离子交替吸附及脱硫酸作用的变化规律不明显。研究成果为矿井突水水源识别和水资源保护与利用提供理论依据。

矿区深部含水层水-岩作用的同位素与水化学示踪分析

为了有效揭示华北隐伏型煤矿区煤炭开采进程中深部含水层水-岩作用机制,本文以淮北煤田宿县-临涣矿区为研究示范,收集与采集1985～2011年期间矿区松散层第四含水层、煤系砂岩裂隙含水层、石炭系太原组岩溶含水层与奥陶系岩溶含水层深部地下水样166个,分析与测试87Sr/86Sr、34S、13C同位素以及Na++K+、Ca2+、Mg2+、HCO-3、Cl-、SO2-4、CO2-3等常规组分,并开展基于同位素与水化学的水-岩作用示踪与分析。研究成果表明:在矿区主要充水含水层中,煤系砂岩裂隙含水层脱硫酸与阳离子交替吸附作用最为显著,而松散层第四含水层、石炭系太原组岩溶含水层与奥陶系岩溶含水层黄铁矿氧化或地下水硬化最为显著;受煤炭开采影响,煤系砂岩裂隙含水层、奥陶系岩溶含水层主要水-岩作用逐渐减弱,松散层第四含水层、石炭系太原组岩溶含水层主要水-岩作用或增强、或减弱,增强或减弱的程度取决于井田基岩面标高、主要断层的展布形态与隔水性能以及煤层开采扰动范围等。

CO2-水-岩作用对致密砂岩性质与裂缝扩展的影响

基于CO2水溶液浸泡致密砂岩实验和室内压裂模拟实验,研究了CO2-水-岩作用对致密砂岩性质和裂缝扩展的影响,并通过CO2水溶液浸泡试样裸眼段考察CO2在压裂过程中的化学作用。研究结果表明:CO2水溶液浸泡后,方解石和白云石含量显著降低,钾长石和斜长石被溶蚀生成高岭石;石英和黏土矿物含量升高,但伊利石和绿泥石含量降低;溶蚀孔隙数量增多,孔径变大,孔隙度和渗透率增大;抗张强度降低,且平行层理降低幅度大于垂直层理;相比于滑溜水压裂,超临界CO2压裂的破裂压力降低14.98%,形成的水力裂缝数量增多,裂缝形态更复杂;CO2水溶液浸泡裸眼段后,超临界CO2压裂的破裂压力相比于未浸泡情况降低21.61%,且水力裂缝多点起裂,裂缝复杂程度进一步提高。实验证明CO2的物理和化学特性能有效提高CO2压裂裂缝的复杂性。

红层中水-岩作用微观信息特征及对孔隙演化的影响——以兖州矿区为例

利用高分辨实验观察,对取自兖州矿区的251块岩样进行了系统分析,直观地揭示了红层孔隙中多种矿物相及其组合特征,并探讨了其成因.结合岩样的微孔结构测试成果,指出红层孔隙中的水-岩作用过程就是其孔隙空间的再分配过程,并建立了红层中水-岩作用影响下孔隙结构的演化模式.所获结果对于深化认识红层孔隙形态、精确划分富水层段位置等具有重要指导作用.

新疆玛纳斯河流域平原地下水水-岩作用模拟

玛纳斯河流域平原区地下水化学演化较为复杂,从上游至下游的变化特点主要以Na+、Ca2+、 HCO3-、SO42-含量和TDS值的高低相间交替演化为主。本文对此演化机理进行了水-岩作用模拟研究,模拟结果表明:①矿物相的溶解、析出和蒸发作用、稀释作用共同控制着地下水水化学的演化;②从研究区上游往下,由于地层岩性颗粒逐渐变细,水中矿物相迁入、迁出的数量逐渐增大,水-岩作用逐渐增强;③研究区上游的水-岩作用主要是地表水或灌溉水入渗补给的影响,研究区中下游的水-岩作用主要受蒸发作用的影响;④由于地表水或灌溉水的大量混入,局部的水化学演化往往不符合一般演化规律,甚至于往相反的方向演化,TDS呈下降趋势,产生复杂的过渡水化学类型。

水-岩作用下砂岩力学特性及微细观结构损伤演化

在库水位反复升降作用下,库岸边坡消落带部分岩体处于浸泡―风干循环状态,其力学特性的劣化将直接影响库岸边坡的变形稳定。以三峡库区库岸边坡消落带砂岩为研究对象,设计并进行了考虑浸泡―风干循环和水压力升降变化的水-岩作用试验。结合SEM电镜扫描,分析了水-岩作用对砂岩微细观结构的影响,采用PFC^2D离散元软件对水-岩作用下砂岩的劣化过程进行了模拟分析。研究结果发现:(1)水-岩作用下砂岩的力学性能劣化效应明显,弹性模量和单轴抗压强度总体呈现先陡后缓的劣化趋势,其中前6次的浸泡―风干循环作用导致的劣化效应尤为明显。(2)水-岩作用下砂岩的微细观结构变化特征明显,由较致密的孔隙式胶结结构逐渐向不规则的蜂窝状结构发展,宏观上就导致了砂岩变形和强度特性的劣化。(3)由PFC^2D离散元模拟分析发现:水-岩作用导致岩石内部颗粒强度和颗粒间黏结强度逐渐劣化,非均匀性增强,荷载作用下的应变局部化特征逐渐明显,整体承载能力逐渐降低,破坏模式由典型的张拉破坏逐渐转变为剪切破坏。

水-岩作用对富有机质页岩应力敏感性的影响——以渝东南地区龙马溪组页岩为例

页岩气的产出是跨越多种尺度,历经多种传质方式的复杂过程。每一个路径的应力敏感性都会对页岩气的传质过程产生重要影响。尤其是当巨量压裂液滞留在页岩储层中,水—岩作用必然会对页岩应力敏感性产生影响。以渝东南地区龙马溪组页岩为研究对象,开展了水—岩作用前后页岩应力敏感性评价实验,表征了应力敏感实验前后裂缝面性质变化特征,分析了水—岩作用对裂缝面的作用机理。页岩初始缝宽越宽,应力敏感性越强。页岩发生水—岩作用后其应力敏感程度从高到低依次为:碱敏>矿化度降低的盐敏>水敏。矿化度降低的盐敏和水敏过程中,黏土矿物水化膨胀,并发生了微粒运移,裂缝表面更加光滑;而碱敏过程流体不仅与裂缝表面发生了水化作用,而且发生了碱液侵蚀,加剧了页岩应力敏感程度。含支撑剂的裂缝页岩应力敏感程度减弱,支撑剂的嵌入和破碎是产生应力敏感性的主要原因,支撑剂优选和合理铺置是降低应力敏感程度的关键。

水-岩作用的线性规划模型与应用研究——以溪洛渡水电工程为例

采用水－岩作用热力学模拟的方法，以溪洛渡水电站工程为实例，从水化学方面对坝区复杂水文地质条件作了定量分析评价。研究成果充分反映了水－岩作用这种物理化学反应的结果，同时也为正确评价溪洛渡水电站复杂水文地质条件提供了可靠的依据。

水-岩作用系统的随机水文地球化学模拟

水 岩作用过程是一个随机过程。依据化学热力学的基本原理,建立了描述水 岩系列间相互作用的数学模型,并采用Monte Carlo随机分析方法进行求解。在实例研究中,以若干特征值(如均值、方差以及变异系数等)作为计算结果,来反映水 岩系列间相互作用的状态及其变化。由计算结果知,研究区系统内有关水 岩作用反应均可自发进行;因其方差较大,体系自由能接近零或处于平衡状态的机会较大;区内地下水的酸化主要源于页岩中有机质的氧化,由此导致地下水具有酸性及碳酸性侵蚀作用。