压力溶解和自由面溶解/沉淀对双重孔隙岩体中热-水-应力耦合影响的有限元分析

引入裂隙开度的压力溶解和自由面溶解/沉淀模型,针对一个假设的位于饱和双重孔隙-裂隙岩体中的高放废物地质处置库,拟定3种计算工况:(1)裂隙开度是压力溶解和自由面溶解/沉淀的函数;(2)裂隙开度仅随压力溶解而变化(这2种工况中基岩的孔隙率亦是应力的函数);(3)裂隙开度和基岩的孔隙率均为常数,进行热-水-应力耦合的二维有限元分析,考察岩体中的温度、裂隙开度及渗透系数、孔隙水压力、地下水流速和应力的变化、分布情况。结果表明:自由面溶解/沉淀引起的裂隙开张及渗透系数增量的绝对值要明显大于压力溶解产生的裂隙闭合及渗透系数减量的绝对值,而压力溶解对裂隙的开度及其渗透系数的影响较小;同时计入压力溶解和自由面溶解/沉淀相比于仅考虑压力溶解,同时计入压力溶解和自由面溶解/沉淀的裂隙开度及其渗透系数分别约为仅考虑压力溶解时的1.5和7.0倍;在释热温度场的作用下,计算域中的裂隙水压力随时间先上升再下降,但变化幅度不大;3种工况下岩体中的应力量值及分布差别很小。

多孔介质内溶解与沉淀过程的格子Boltzmann方法模拟

本文采用格子Boltzmann方法模拟了多孔介质内的溶解和沉淀现象,并分析了雷诺数、施密特数、达姆科勒数对多孔介质孔隙结构及浓度分布的影响.结果表明:对于多孔介质内的溶解(沉淀)过程,当雷诺数越大时,孔隙率越大(小),平均浓度值越小(大);当达姆科勒数或施密特数较小时,溶解和沉淀过程均受反应控制,此时反应在多孔介质的固体表面较为均匀的发生;当达姆科勒数或施密特数较大时,溶解和沉淀过程均受扩散控制,此时反应主要发生在上游及大孔隙区域.

海水入侵过程中水-岩相互作用的土柱试验研究

利用青岛市大沽河下游海水入侵区的砂样、海水、地下水进行土柱试验,模拟海水入侵过程中可能发生的水文地球化学作用。结果表明,海水入侵过程中在混合作用的基础上,阳离子交换吸附作用是主要的,该作用通常发生在地下水与粘粒之间,尽管试验中所取砂样的粘粒含量很少(2.99%),但是现象非常明显,Na+与Ca2+、Mg2+发生逆向交换;Mg2+与Na+交换平衡后,又与Ca2+发生交换吸附;而K+与Ca2+仅发生了少量的交换吸附作用。同时海水占地下水比例40%左右,地下水中开始出现方解石和白云石沉淀;海侵过程中石膏始终是溶解的。以上研究有助于推动海水入侵、海退机理的研究,为海水入侵预测、定量评价与防治提供科学依据。

EGS地热能开发过程中水岩作用对热储层特征的影响

增强型地热系统(EGS)是一种从地下深部低孔低渗高温岩层提取大量热能的能量利用工程,通过注水孔注入的冷水在高温岩层中循环实现热量的提取。在EGS地热能开发过程中,冷水的循环扰乱了地下深部水岩系统的热平衡和化学平衡,导致部分矿物溶解或沉淀,进而改变储层的孔隙度和渗透率。文章利用不锈钢密闭反应釜进行室内高温水岩反应试验,结合数值模拟分析水岩相互作用对EGS热储层特征的影响。研究结果表明,注入冷水到花岗岩热储层中导致石英矿物沉淀,其相对质量分数增大13%,碱性长石、斜长石、黑云母矿物溶解,其相对质量分数分别减小7%,5%,1%,总体上使得溶液中Si元素浓度降低,Ca2+,Na+,K+浓度升高,储层孔隙度、渗透率均随时间逐渐增大,提高了EGS储层地热能开发的热提取效率。

地球化学作用下饱和-非饱和介质水力-传质-传热耦合模型

地球化学作用是影响岩土类多孔介质中流体流动、传质、传热的重要因素之一。基于Fredlund所提出的非饱和土四相理论,将地球化学作用所产生的溶解/沉淀视为一个独立相,在一定的假设基础上,利用溶质浓度对介质孔隙度、含水率进行修正,从而建立起传质过程与介质水力性质之间的关系,改进了传统模型中传质过程与流体密度、黏度之间单一的耦合关系;并以此为基础建立了考虑地球化学作用下饱和-非饱和介质中多组分、多相流体渗流场-浓度场-温度场耦合的数学模型。通过在实验室内对反应性煤矸石进行渗透实验的结果对笔者所建模型进行了验证,结果表明:综合考虑溶解作用时所测点处渗流速度与未考虑耦合作用的结果相比增大0.58倍;单独考虑溶解/沉淀相时,所测点处渗流速度与未考虑密度耦合作用时的结果相比增大0.44倍。水流的实际渗透速度与在使用考虑溶解/沉淀相计算模型时的结果吻合较好。

大荔县洛河水化学成分的形成机制分析

在分析研究区地质及水文地质条件的基础上，根据对各类水样资料的研究，发现在洛河下游，对于相对惰性的组分，河水的化学成分由河水与地下水混合形成，并且从水化学的角度验证了在该区段补给河水的那部分地下水主要来自洛河以南的地下水；但对于易发生化学反应的组分，河水在向下游运动的过程中，其化学成分明显受到了化学反应的影响。论文使用Cl^-质量平衡方法，计算出洛河上游河水中地下水的补给比例在20～30％左右，下游地下水补给比例约占70％左右；并且根据研究区的具体条件及矿物饱和指数的计算结果，确定了石膏、方解石的溶解和白云石的沉淀以及碳酸平衡是河水化学成分形成的主要化学作用，通过对化学反应量的计算，恢复了河水与地下水仅发生了简单混合作用的混合水的成分。

渭河流域地下水的水化学特征及形成机制

在对渭河流域407组地下水的水化学数据及139组含水层岩土样数据分析的基础上,运用图解法、数理统计法、Gibbs半对数法及PHREEQC模拟等方法对渭河流域地下水的水化学特征及形成机制进行了研究,取得了一些新的认识。根据地下水系统划分原则,将整个渭河流域的地下水系统划分为5个二级地下水系统:陇西黄土高原子系统、陇东黄土高原子系统、陕北黄土高原子系统、关中盆地子系统以及秦岭北麓子系统。渭河流域水化学类型主要是以HCO3-Ca、HCO3-Na为主,北部和中部还分布有HCO3·SO4-Na、HCO3·SO4·Cl-Na、SO4·Cl·HCO3-Na及Cl·SO4-Na型水,大部分地区地下水中的TDS为小于1g/L的淡水。地下水化学成分的形成主要受含水层矿物的溶解/沉淀、蒸发浓缩及阳离子交换作用的影响。