中国深层地热能开采的地质条件评价

深层地热能是指深度大于3 000m的地热能。我国深层地热能资源丰富,但是开采条件怎么样呢?本文基于地热地质学原理,结合岩石力学等相关学科的理论,提出一种对深层地热能开采条件进行评价的指标体系,对各单一指标采用专家打分的方法赋值,继而采用模糊数学定量计算和评估深层地热能资源开发的难易程度。该方法考虑了深层地热能开发利用中的增强地热系统(EGS)的环境安全问题,即传统的"刚性造储"可能带来的诱发地震等不利于地热能行业健康发展的因素,倡导"柔性造储"和广义EGS理念,强调储层属性和地物理场的整合,针对我国地热能分布与构造活动关系密切、地壳总体上活动性强、地应力高、地震频发等构造型地热特点,是对以往评价方法的补充和拓展。该方法充分利用了专家知识,发挥了模糊数学综合评估作用,给出的量化结果易于对比和使用,可以更好地支持决策。本文基于新的评估方法,利用现有的深部地热研究及勘探成果,评估了中国大陆地区九个区域深层地热能开发的难易程度,评价区包括西藏南北地堑系、云南西部火山型地热区、青海东部共和盆地以及东北、华北等。从本文的结果可以看出,我国深层地热能开采的地质条件复杂,开采难度较大。

浙江大型古地下工程洞室群的科学研究与启示

作者近20年来在中国浙江省发现多处大型古地下工程洞室群,包括3 000余个古洞室。通过现场调查发现,在这些古洞室群中,既有迄今为止所发现的最大跨度为92 m的天台县黑洞大型古地下采石场洞室,又有最大高度为99 m的长屿硐天水云硐古地下采石场洞室,还有洞壁刻凿最为华丽的龙游石窟古地下洞室。这些洞室均具有共同的特点:始采于几百年-几千年,即均保持了上千年的稳定;它们又具有各自独特的结构:斜墙、鱼尾形柱托、斜顶、穹顶、肋形仰拱,洞间隔墙,洞间水平隔板等等。研究表明,这些独特的结构均对洞室的长期稳定起到了至关重要的作用;除此之外,在这些古地下洞室群中还发现了古人高超的测量技术、开凿技术和防水技术等。这些保持了上千年稳定的无支护大跨度人工洞室群,对现代岩石力学有着诸多启示。然而,随着对这些洞室群的发现及旅游开发,各种破坏现象已经产生,严重威胁着这些古工程遗迹的稳定和安全,同时也对如何开展大跨度人工洞室群的长期保护提出了新课题和新挑战。

芦草沟组页岩油储层地质力学特性与水力压裂数值模拟

吉木萨尔凹陷芦草沟组页岩油储层是我国典型的陆相咸化湖盆页岩油藏,甜点体呈现典型的薄互层特征,岩性组合变化迅速,非均质性强烈,储层改造难度较大。其中:芦草沟组储层地质力学参数垂向分布特征及对水力裂缝拓展的影响亟需进一步研究。本文针对芦草沟组页岩油储层下甜点段,对钻井岩芯样品进行高密度取样和力学测试,揭示了芦草沟下甜点段地质力学参数在垂向上的非均匀分布特征,基于数值模拟研究了非均匀分布的力学参数对水力裂缝拓展过程的影响规律。结果表明:(1)芦草沟组地层地质力学参数在垂向上变化剧烈,呈现明显的薄互层特征;(2)芦草沟组地应力和破裂压力变化剧烈,对水力裂缝穿层拓展具有较大的潜在影响;(3)储层非均匀分布的地质力学参数对裂缝垂向拓展影响显著,提高压裂液排量和黏度均可有效促进裂缝穿层。本文研究内容为芦草沟组页岩油有效开发提供了地质力学参数基础,可为储层压裂改造提供重要的理论支撑和设计依据。

工程地质水文地质研究室成立60年随想和希望

0引言 2017年是工程地质水文地质研究室成立60周年,日子过得真快。60年是一甲子之年,人的一生若是两个甲子之年也就很不容易了。 50周年时我和许兵老师共同组织撰写了工程地质五十年,当时得到了老师们喜欢。 人的一生虽然短暂,但总要为后人留下一些东西,可以作为经验之传,也是给后人一些怀念。

基于内外动力耦合成因理论的新疆地质灾害气象预警显式统计模型

地质灾害气象预警是有效减轻地质灾害造成损失的重要手段,其核心是研究气象条件与地质灾害危险性的时空关系,即地质灾害气象预警模型。新疆地质构造复杂,内外动力作用强烈,是中国地质灾害发育严重的地区之一。基于地质灾害的地球内外动力耦合作用成因理论,建立了新疆地质灾害气象预警区划;利用地理信息系统(GIS)平台,优选内外动力地质作用指标,依据专家经验,确定各类要素权重,计算地质环境指标值,构建了基于内外动力耦合成因理论的新疆地质灾害气象预警乘积范式的显式统计模型;在此基础上,进行历史地质灾害点校验,获得了与实际地质灾害发生情况较为一致的地质灾害气象预警结果。

半圆盘三点弯曲法测定页岩断裂韧度(K_(IC))的实验研究

为了准确测试页岩的I型断裂韧度K_(IC),分别采用直切槽半圆盘试样(NSCB)和人字形切槽半圆盘试样(CCNSCB),在3种预制切槽布置模式(splitter、arrester、divider)下,开展三点弯曲加载实验。通过标准差和变异系数分析两类方法 K_(IC)测算值的离散性,并评价各自适用性。使用光学显微镜观察试件破裂后的裂纹扩展路径和破裂面断口形态。基于断裂力学理论,给出页岩试件粗糙起伏断口表面能计算公式,分析页岩试件实测值K_(IC)离散的原因,并用最小耗能原理解释裂缝在页岩试件扩展过程中形成粗糙断裂面的机理。对比分析两种试样类型测试的K_(IC)值,认为两种方法在切槽平行层理布置的情况下测算值离散程度一致,二者都适用;对于切槽垂直层理两种布置方式下NSCB试件更容易发生裂缝偏转,导致产生Ⅰ-Ⅱ复合型断裂,使试验失效;CCNSCB试件的韧带具有良好的裂缝扩展导向作用,某种程度上抵消了加载配置非对称性带来的不利影响,CCNSCB比NSCB测得的K_(IC)值离散性更小,更适用于各向异性页岩的K_(IC)测试。

高速公路隧道岩溶区地质结构电磁法精细探测研究

在岩溶区修建隧道时,需要获知隧道洞线附近的地质结构,特别是要了解是否有岩溶和破碎带的发育,这些不良地质结构体对于隧道安全施工有着重要的影响。在勘查深埋长隧道不良地质体的研究中,可控源音频大地电磁法(CSAMT)是比较有效的一种方法。本文结合频率-电阻率测深曲线,将之与钻孔标本的电阻率相比较,检验原始数据的可靠性和真实性。然后对CSAMT数据进行了反演及地质解释和验证。研究结果表明,CSAMT法在岩溶区进行隧道围岩地质结构探测具有很好的效果,对于隧道施工有着一定的指导意义。

考虑页岩纹层与裂缝网络的延长组页岩多尺度三维地质结构模型

现场调查表明,砂质纹层、凝灰质纹层和天然裂缝广泛地存在于陆相页岩储层中。本文对鄂尔多斯盆地页岩储层中的纹层和天然裂缝进行了多尺度研究,并构建了三维地质结构模型。首先,基于二维裂缝现场调查,利用蒙特卡罗模拟方法建立了研究区域的三维裂缝网络模型。然后通过多种观测手段获得由宏观尺度到微观尺度的纹层结构特征。对多尺度纹层厚度的统计分析表明,米级、分米级、厘米级、毫米级和10微米级等不同研究尺度下的纹层平均厚度分别为2. 26 m,2. 09 dm,1. 70 cm,1. 48 mm和11. 7μm,呈现出分形特征,分形维数为1. 06;不同研究尺度下的单层厚度均服从负指数分布规律,即各研究尺度下厚度越大的纹层,其层数越少,反之越薄的纹层其数量越多。最后,根据上述纹层平均厚度及概率分布函数特征,建立了页岩的多尺度纹层结构模型,并将其叠加在裂缝网络模型上,生成不同尺度下的页岩三维地质结构模型。模型输出的裂缝、纹层参数与研究区域的真实地质参数有着较好的对比验证。这项研究工作可为页岩气储层的水力压裂数值模拟和物理模型试验提供更可靠的地质模型。

温岭大型古地下采石场长屿硐天凌霄硐洞室群工程地质条件评价

世界地质公园大型古地下采石场长屿硐天位于浙江省温岭市新河镇。据调查,这一由28个洞室群,占地面积约16km^2的大型古地下采石场的采石史可追溯到1500a前的南北朝。凌霄硐洞室群是上述28个洞室群之一。其主洞的高度、跨度分别达55m和28m。问题是这些巨型洞室何以千年不倒,为了回答这一问题,也为了为这些重要古洞室的保护和安全旅游提供基础资料,本文开展了以凌霄硐为例的有关长屿硐天大型古洞室群的工程地质条件的研究。

山地旅游规划工程地质方法及其应用前景分析

我国作为多山国家,山地旅游资源极为丰富。但由于山地地质灾害多发,许多山地旅游景区都或多或少地存在着地质灾害隐患。山地旅游的成功开发,需要一个完善的山地旅游规划作为保证,而是否充分考虑到山地灾害及其防治,对山地旅游的成功开发和安全运营起到至关重要的作用。然而,现阶段旅游规划专业涉及山地灾害及其防治方法的内容相当少,不足以解决问题。鉴于此,作者提出了山地旅游规划工程地质方法的概念,旨在通过与旅游规划学科交叉,使山地旅游的安全得到进一步保障,并推动山地旅游的可持续发展。另外,上述学科交叉也为工程地质学提供了一个新的研究方向。

青藏高原工程地质稳定性分区及工程扰动灾害分布浅析

随着我国西部大开发等国家战略部署的相继实施以及某交通线路等重大工程的逐渐上马,青藏高原上的工程活动日趋增多。受快速隆升影响,高原内构造运动活跃,工程地质条件复杂,合理的场址选择成为制约重大工程安全建设与运营的关键。本文利用模糊数学方法选取全新世活动断裂及地形地貌作为评价因子,基于最大隶属度准则,对青藏高原全区工程地质稳定性进行分级。结果显示全区工程地质稳定性为差、较差、一般、较好和好的区域面积占比分别为:22.48%、18.01%、28.79%、22.72%和8.00%。对青藏高原全区的重大工程及其扰动灾害进行解译,共识别出重大工程铁路、公路、水电站、矿山等2176处;重大工程扰动灾害6562处,主要分布在工程地质稳定性为差和较差的区域,占比约69.66%。初步分析表明工程地质稳定性分区结果对青藏高原重大工程建设选址具有重要指导意义,自然灾害高发地段与工程扰动灾害有较高重合度。切坡扰动灾害主要发生在滑坡路段、厚层崩坡积路段以及强卸荷坡段,而水库诱发灾害主要类型表现为滑坡复活以及松散堆积物中的滑塌,并且随着蓄水年限增加灾害数量迅速减少。

成矿模式与找矿模式研究的现代科学技术

为保障资源的可持续发展,地下深部资源勘探与开发是当前国内外许多国家重要的战略选择。地下深部是否存在优质矿产资源研究是开展深部找矿的前提。理想的成矿模式对指导找矿模式的构建具有重要的理论意义,而合理找矿模式的建立对于深部找矿具有重要的指导意义。随着现代科学技术的持续发展,各种新技术不断用于地质研究及勘探中,使深入理解成矿作用,建立理想的成矿模式成为可能。目前,一些新技术如矿物原位U-Pb定年、原位成分、原位同位素分析等在成矿模式研究中已发挥重要作用,指导人们重新建立新的成矿模式;同样一些地球物理探测技术、地球化学探测技术等也正在找矿模式的建立中发挥重要作用,为深部矿的找寻提供更可靠的依据。因而成矿理论及综合地球物理、综合地球化学等现代科学技术的应用是当前及未来深部矿找矿工作的趋势。

新源县加朗普特特大型滑坡地质结构探测及老滑坡影响综合研究

对体积巨大但数量占比很小的特大型黄土滑坡,除区域地质背景、强降雨诱发、非饱和土力学分析和稳定性模拟计算外,还需从中小尺度地质构造和沉积相变中寻找其与众多中小型滑坡发生和分布差异性原因。以2002年5月发生体积达2275×10^(4)m^(3)的新源则克台加朗普特特大型滑坡为例,作者采用沉积相变分析、高密度电法探测、中小尺度地质构造解译和水文地质条件变化对比等技术方法,揭示了该特大型滑坡系NWW向区域断裂和场区隐伏NW向断裂控制下早在1985年12月之前就已发生的特大型老滑坡,其后受强降雨作用及水文地质条件变化而中后部复活而向西运动的机理。组成该滑坡群的3个不同形状和滑向的滑坡不是同时出现,中下部不动体是受NW向断裂控制的条带状隆起基岩。本文所提断层和相变影响下加朗普特滑坡受地震始发而强降雨诱发的新模式,可望为该滑坡不同阶段稳定性分析和穿行的S316道路利用不动体跨越式整治提供依据。

试论中小型地质工程“三分勘察七分经验”

作为服务于地质工程设计和施工基本工作的工程地质勘察,先进理论、技术方法和类似工程的经验等支撑起了它有序开展。然而,在复杂地质条件下,常因揭露出不良地质体和诸多诱发因素存在而导致施工地质灾害,使得中小型地质工程中勘察实物工作量和工程地质分析为主的经验必须有机结合,即业界俗称"三分勘察七分经验"。如何科学认识和合理实施此对策?在学习吸收前人综合集成理论等基础上,本文试着将工程地质勘察同中医诊治进行对比,提出了正算(归纳总结)反演(假说演绎加典型类比)相结合的思想。结合北方某高速公路边坡施工中发生破坏的案例,从教训剖析中揭示复杂地质条件下中小型地质工程勘察理论和经验紧密结合的必要性和可操作性。本文研究结果为深入认识勘察实物工作量的合理性、基础代表性,专家经验的正确性和地区制约性等,提供了可资参考的资料和案例分析结果。

断层影响下的页岩气储层水力压裂模拟研究

断层对页岩气储层压裂改造有重要影响,甚至诱发深部地震事件和近地表环境问题。本文采用多物理场耦合方法,基于渗流和应力耦合理论,研究储层水力压裂过程中断层以及封闭顶板中水力破坏区域的产生与演化机理,并分析讨论流体沿高渗通道运移扩散机理,研究结果表明:(1)断层改变储层水力破坏区域形态并且扩展了水力压裂破坏空间。较高注水压力使储层水力破坏区域扩大到封闭顶板和底板,水力破坏区域受断层影响而沿着断层带快速发育延伸。高注水压力导致断层水力压裂破坏高度急剧增加,储层封闭性发生改变。(2)在页岩储层高风险地质构造和较高注水压力条件下,水力压裂作业产生岩石破裂和裂缝局部活化诱发的微地震事件,但难以导致破坏性地震事件,多属于断层或较大断裂局部区域产生的水力耦合破坏及可能诱发的较小地震事件。(3)水力破坏区域贯通到断层带内诱发流体沿断层带迁移,断层带的渗透率较高,水力破坏区域与上部高渗透岩层贯通会加快流体的逃逸速度,增大压裂液污染上部地层的风险,导致压裂效率降低,影响储层压裂改造,降低了页岩气开发价值。

高放废物地质处置阿拉善预选区工程地质适宜性评价

区域工程地质适宜性评价是高放废物处置库选址的关键问题之一。基于Arc GIS平台,采用综合指数模型对我国高放核废物处置库阿拉善预选区进行了区域工程地质适宜性评价。在现场工程地质调查与资料系统收集的基础上,综合考虑了核废料选址的特殊目的和要求,比选确定岩性、断裂构造、地震、构造应力、地形变作为阿拉善区域工程地质适宜性评价的因子。利用专家-层次分析法确定了各评价指标的权重,基于评价指标及权重的确定,按适宜性好、适宜性较好、适宜性中等、适宜性较差和适宜性差5个级别对阿拉善区域进行了工程地质适宜性分区。评价分区结果为阿拉善预选区高放废物处置适宜性地段选取提供了依据,其中的塔木素和诺日公区段是适宜性良好的两个地段,进一步的选址工作可在这两个地段开展。

开挖引起巷道变形的弹性软材料物理模拟实验研究

通过室内模拟试验的方法再现工程现场的巷道变形现象,是研究巷道变形发生条件和机理的一个重要途径。鉴于传统水平固化法在模拟开挖位移场方面的不足,本文基于成岩地质体无初始应变能的"记忆"固化压力假说,配制超低强度材料,并通过相似理论分析证实了所选材料的可取性。采用竖直固化的方法并利用自制的实验装置,得到具有记忆固化压力的、无初始应变能的模型体,利用该模型可有效模拟材料在固化或固结过程中物理力学性质随深度变化的特性。对此,以金川二矿区14行剖面为原型,模拟了在自重体积力作用下由于双中段开挖引起的巷道变形现象和规律,模拟结果与现场实测以及数值模拟结果相符合。在此基础上,对开挖引起巷道变形现象的发生条件和机理进行了分析。

考虑地质演化过程的断层三维建模技术研究进展

断层的形成受地质演化过程影响,断层所处的应力场会对未来演化趋势产生影响。因此,断层建模不应仅对断层当前形态、属性进行准确刻画,还应涵盖断层演化及未来可能的趋势等动态过程。本文回顾了传统断层建模方法、断层表面模型、曲面拟合方法的研究现状及断层建模难点问题。研究基于地质演化过程的粗糙断层面建模方法、三维断层恢复及断层活动性预测等问题。认为断层建模中应融入动态地质演化思想,采取基于地质演化过程的断层面构建及曲面插值拟合方法,基于已有数据进行三维断层恢复、断层活动性预测及区域地质力学稳定性评价。

页岩气开发的地下水环境背景值、监测指标及污染示踪方法研究——以焦石坝区块为例

页岩气开采过程中水力压裂及废水回注可能带来的环境问题受到越来越多关注。由于水力压裂开采技术涉及的污染物种类众多,因此建立敏感性监测指标对于识别潜在的地下水污染具有重要意义。本文以中国涪陵页岩气田焦石坝区块为例,首先确定了地下水环境背景值(包括水化学、同位素及溶解气);通过页岩水与浅层地下水的端元对比,确定了地下水环境敏感性监测指标与污染示踪方法。结果显示浅层地下水TDS在146～402 mg·L^(-1)之间,属于HCO_3-Ca·Mg型,地下水属于年轻地下水(含~3H、^(14)C接近100 pm C),地下水甲烷含量均小于0.01 mg·L^(-1),水中溶解气的甲烷(CH_4)体积比低于0.006 4%,δ^(13)C-CH_4总体小于-50‰,为生物成因甲烷(显著区别于热成因页岩气)。涪陵页岩气田焦石坝区块页岩水TDS约为海水两倍,为大气降水成因,显著区别于北美的(蒸发)海水起源。根据页岩水和浅层地下水水文地球化学特征的差异,建立了确定地下水敏感性监测指标的框架,识别出焦石坝区块地下水敏感性指标(7项)。页岩气开发对地下水潜在的污染主要包括气体污染和溶解固体组分污染。对于气体,建立了甲烷含量及同位素组成的端元,并且应用惰性气体进行了两个端元识别;对于溶解固体组分污染,基于浅层地下水背景值数据,可利用本文给出的敏感性指标进行判别。本项研究对于中国页岩气开发的地下水环境保护具有重要的意义,有助于完善页岩气开发过程中地下水环境监测和潜在污染示踪。

基于压汞法与气体吸附法的页岩孔隙结构特征对比研究

针对中国海相与陆相页岩孔隙结构特征的差异性,选取威远与焦石坝海相页岩及瑶曲陆相页岩为代表,采用薄片分析、压汞及气体吸附试验方法,开展孔隙结构特征与控制性因素分析,提出了孔隙大小命名划分新标准,将<2 nm、2~100 nm、0.1~1μm、1~10μm、10~100μm、>100μm分别称为超微孔、微孔、小孔、中孔、大孔、毛细孔6类,其中2~100nm微孔范围,样品孔隙发育程度由高到低依次为2~#、5~#、1~#、6~#、4~#,10~100μm大孔范围,孔隙发育程度由高到低依次为2~#、1~#、4~#、6~#、5~#;提出了孔隙分布均匀系数hu,经判定2~#与5~#样品与1~#、4~#、6~#样品相比微纳米孔隙更发育,储气能力更强。采用DFT模型将N_2吸附与CO_2吸附结果及压汞实验结果统一起来,获得了纳米孔隙的连续分布规律。