潜在锁固型滑坡的类型、形成条件和预判方法研究

已有研究表明滑动是大型灾难性滑坡最常见的失稳机制类型,且滑动过程中一般都伴随滑动面上锁固段(承受应力集中,提供关键承载作用的部位)的应力集中和脆性破坏,其强度和变形决定着边坡的整体稳定性,作者将此类滑坡统称为锁固型滑坡。本文通过分析研究我国36个大型典型灾难性滑坡实例,首次归纳总结了锁固性滑坡的类型和形成条件等共性规律,同时提出了任一边坡能否发展成为锁固型滑坡的预判方法。本文研究成果是锁固型滑坡进一步进行失稳破坏类型预分析、稳定性评价及失稳滑动预报等共性规律的认识和实施防灾减灾措施的前提,具有较好的科学意义和防灾减灾指导价值。

层状页岩岩石力学特性及其脆性评价

页岩气储层的岩石力学特性对压裂改造效果影响极大,开展页岩破坏机理、力学特性和脆性评价方面的研究,可以为页岩气开采中大规模体积压裂提供技术支持。本文对龙马溪组黑色炭质页岩进行单轴压缩试验,得到以下结论:(1)黑色页岩具有明显的层状薄片矿物结构,矿物主要成分为石英和方解石,结构面固有强度较高;(2)由于强结构面的影响,倾斜层理试件具有较高的弹性模量与单轴抗压强度,但是总体积应变量较小;平行或者垂直层理试件的弹性模量与单轴抗压强度较小,总体积应变量反而大;(3)随着层理倾角β的增大,层状页岩单轴压缩试验测得的起裂应力水平指标表现为"中间小两头大"的U型规律,即层理倾角为30°或60°时测量值较小,而0°或90°时较大;(4)岩石脆性是可压裂性的关键因素,层理角度为30°或者60°时,脆性指标较大,页岩的可压裂性更强,脆性指标的变化规律大致呈倒U型。本文的研究对评价页岩的可压裂性、提高压裂改造效果具有重要的现实意义和应用价值。

地-空瞬变电磁法电阻率成像研究与应用

地-空瞬变电磁法(Semi-airborne transient electromagnetic,SATEM)凭借适应能力强、探测深度大、实时性强等特点,适用于湖泊、沼泽、山区等地形复杂地区观测.SATEM接收数据量大、精度要求高,传统成像方法基于地面视电阻率计算未考虑飞行高度,开展SATEM的高精度快速成像研究对实际运用有重要作用.针对SATEM中电性源发射装置感应电流分布,接收装置设置于空中以及两者不在相同平面的特点,本文考虑横向、纵向感应电流差异,飞行高度对视电阻率影响等因素,提出电性源SATEM电阻率成像方法.首先,基于电性源瞬变电磁场感应电流分布特征及各分量空间分布、扩散特性分析,推导出基于均匀半空间磁场与感应电压解析解,然后定义了电性源地-空瞬变电磁法早期、晚期、全期视电阻率;最后根据对感应电流分布分析定义了横向分量和纵向分量的成像深度,并研究了成像深度受飞行高度、发射磁矩、偏移距、偏移角度的影响;对煤炭采空区的实测结果表明,利用本文提出的电阻率成像方法可以更加精确定位目标体位置.

基于孔内影像的岩石节理粗糙度特征研究

目前对岩石结构表面粗糙度的研究往往只局限于地表,难以反映深部岩石节理粗糙度的特征。钻孔孔壁上节理轮廓线包含有三维信息的特点,本文开展了基于数字钻孔摄像技术的岩石节理粗糙度分形特征的研究,利用数字钻孔摄像系统获取地下深度岩石节理全景图,采用边缘检测技术从全景图中提取出节理轮廓线,对其进行空间变换和视距离变换得到地下岩石节理粗糙表面轮廓线的真实状况。与Barton提出的10条标准剖面曲线进行对比得到每条轮廓线的JRC值,并计算其分形维数,根据最小二乘法原理拟合出JRC与分形维数之间的关系为:φ(D)=JRC=-541.9x2+1362x-818.53。本文研究内容为描述地下深部天然节理的结构及其特征提供了基础,对更深入地研究地下深部岩石节理的表面空间状况有重要的意义。

流体注入工程诱发断层活化的风险评估方法

人类向地球深部要资源和空间的需求与日俱增,增强型地热能开发、二氧化碳地下封存和页岩气开采等深部地质工程活动趋于活跃,但向深部地层注入高压流体有可能导致已有断层活化并诱发低级别有感地震。为了研究该类地震的机理、影响因素、风险评估方法以及应对措施,基于大量文献调研,结合国内外注入流体诱发断层活化的典型工程案例,分析影响断层活化的主要因素及关键评价指标,探讨流体注入诱发断层活化的机理,分析总结流体注入诱发断层活化的评估方法和判别准则,提出了目前研究中存在的问题和亟待突破的研究方向。研究结果表明:(1)断层活化的主控因素是地应力,断层是否活化受地应力状态的控制,当地应力对断层滑移起约束作用时,断层活化的风险相对较低;(2)断层的渗透率、内摩擦角、黏聚力等物理力学性质是断层活化的内因,流体注入速率及注入量是引发断层活化的诱发因素;(3)目前断层活化风险评估方法主要是摩尔—库伦有效应力原理的拓展和延伸,对该评估方法的绝对准确性尚存有疑问,实际运用应根据实际工程地质情况灵活处理、不断改进和创新;(4)目前向深部注入高压流体的新型地质工程领域实践经验不足、研究水平不高,尚有大量问题亟待解决。结论认为,加强监测、科学选址、重视对历史流体注入资料的研究,尽快制定完善地下流体注入规范至关重要。

页岩油化学生热原位转化开采理论与方法

页岩油资源量潜力巨大,作为一种重要的接替能源,寻求页岩油的有效开发与经济利用的途径,对缓解能源供需矛盾具有重大的现实意义。在分析页岩油原位转化/改质各种方法优缺点的基础上,总结了页岩油裂解生烃转化的温度时间条件与结构演化特征,根据物质与能量平衡原理,提出了页岩油化学生热原位转化开采理论与方法,论证了该方法温度水平、热量供给和固相体积变化等技术可行性,提出了关键技术可能突破的工艺路径。得出了如下结论:当前中低成熟度页岩油和油页岩地下原位转化/改质方法主要面临热效率低、污染风险高和储层沉降失稳等瓶颈难题;提出了页岩油化学生热原位开采理论,采用氧化钙与水反应为有机质原位转化提供热量,通过热量平衡与固相物质平衡分析、高压氧化钙水解试验,证明了该理论方法的技术可行性和经济性;建立了页岩油化学生热原位转化开采方法,提出了氧化钙粉末表面包覆改性、氧化钙微球、氧化钙羟基注入液、高压空气氧化钙粉末注入等核心技术工艺路径。

不同围压下致密砂岩破裂过程声发射特征研究

揭示致密砂岩的破裂机制对致密油气储层压裂设计和压裂缝网改造具有重要的指导意义。本文采用鄂尔多斯盆地延长组长6储层致密砂岩试样,开展了不同围压下的常规三轴压缩试验,分析了围压对岩石力学性质的影响。采用声发射定位技术研究了试样破裂过程,分析了不同围压下声发射定位事件的信号特征及其时空演化序列。此外,对破裂后试样进行了CT扫描,基于CT切片图像观测了试样内部破裂特征。得到以下几点认识:(1)不同围压下,声发射时空演化差异主要表现在压密阶段。随着围压的增加,声发射事件主要发生时段后移。(2)围压对声发射特征参数累计振铃计数的影响主要表现在压密阶段,其他阶段累计振铃计数呈相似变化趋势。不同围压下均可将累计振铃计数快速增加的瞬间作为岩石即将破裂的标志。(3)随着围压的增加,岩石破裂形态趋于简单化,由拉张破裂为主的复杂形态逐渐转变为单一的剪切破裂形态。(4)CT扫描切片直观地反映了试样的破裂形态,与声发射定位所得试样整体破裂形态相吻合,并且在声发射定位的基础上进一步刻画了裂纹分布情况与各裂纹相互作用过程。采用声发射定位技术与CT扫描双重方法,研究试样破裂过程,对于深入研究岩石破裂机制具有一定的意义。

松辽盆地中央坳陷区三肇凹陷上白垩统青山口组一段页岩含油性特征

松辽盆地中央坳陷区上白垩统青山口组湖相暗色页岩沉积蕴含了数量可观的页岩油资源,其中齐家—古龙凹陷青山口组页岩油勘探已取得重大突破。采用井场密闭热释方法,结合室内溶剂抽提和比较热解方法,综合评价松辽盆地中央坳陷区三肇凹陷青山口组一段页岩含油性特征。结果表明,研究层段青山口组页岩总有机碳含量介于1.48%~6.97%,平均3.40%,Tmax值(抽提后)介于440~453℃,平均448℃,产率指数(PI)介于0.28~0.67,表明青山口组一段页岩处于大量生油阶段。井场和室内相结合的评价方法获得的页岩油含量介于4.00~19.49 mg/g,平均13.74 mg/g;其中游离油含量介于3.41~13.63 mg/g,平均8.70 mg/g;束缚油含量介于0.60~9.43 mg/g,平均5.04 mg/g。游离油由受限油和可动油组成,受限油含量介于1.81~8.49 mg/g,平均4.15 mg/g;可动油含量介于1.36~11.05 mg/g,平均4.55 mg/g,两者比例约为1∶1。以可动油含量平均值推算,可动油资源量为12 kg/m3,揭示三肇凹陷青山口组一段具有良好的可动页岩油资源潜力。

基于高分辨率示踪技术的岩溶隧道涌水来源识别及含水介质研究

利用高分辨率示踪技术探讨了重庆三泉隧道突水来源,并对含水介质进行了刻画,结果表明:(1)隧道涌水段受长滩地下河影响,而麦阴槽落水洞为长滩地下河的补给来源之一;(2)试验段岩溶含水介质通畅,地下水流速快,为典型紊流态;地下河管道结构不均匀,发育两条过水通道,为主管道并联支管道,无溶潭和地下湖发育;利用Qtracer2软件,计算得到地下河几何参数及水文地质参数:地下管道储水体积为1 148.4 m^3,表面积为1.30×10~6 m^2,平均直径为1.37 m,长度为780 m;摩擦系数为0.51,舍伍德数为1 055.1,施密特数为1 140,水力深度为1.08 m,分子扩散边界层厚度为1.3 mm;(3)因试验时间短、试验为小流量期及存在其他地下河出口等条件制约,示踪剂天来宝的回收率较低,上湾洼地与隧道涌水段连通关系有待进一步研究;(4)由于三泉隧道涌水点与地表水具有直接水力联系,且涌水量大,建议引走地表洼地水源、填埋隧道上方麦阴槽落水洞或在隧道下方新建泄水洞排水。

浅海域海底极低频电磁响应特征研究

极低频电磁探测方法(WEM)是一种新型人工源低频电磁探测技术,目前尚未见极低频电磁探测方法的海区研究,缺少相关经验.为测试WEM在海洋环境中的电磁响应特征,本文将“地-电离层”全空间电磁波传播理论应用到含海水介质的“地-电离层”全空间模型,由地表处数值格林函数出发,利用空气层与海水层界面谢昆诺夫势函数满足的边界条件,推导了海底界面的场强表达式.采用高采样密度的Hankel数字滤波方法进行数值模拟计算.为探究WEM在海洋油气资源探测中的适用性,建立简化海洋地电模型,通过分析WEM对不含异常体的背景场和含高阻油气异常体时的电磁响应曲线差异来检测WEM探测海底高阻油气层的可行性.并讨论不同观测方式、不同收发距以及海水层厚度、油气层埋深和油气藏厚度对WEM电磁响应特征的影响.研究结果表明,WEM可在数百千米收发距下探测浅海区域海底下方电性异常体的存在.

高密度电阻率法在海底金矿含水构造探测中的应用

海底金矿上覆岩层中含水直接对矿床的开采构成威胁,选择山东三山岛金矿新立矿区海底-135m水平沿脉巷道,采用地球物理高密度电阻率法对该巷道635m测线以下200m深度范围内岩体中的含水构造进行了坑道探测,利用三种装置(温纳装置(Wenner)、偶极装置(Dipole-Dipole)、Schlumberger装置)进行实施,相互验证,取得了很好的探测结果.温纳、偶极和Schlumberger三种装置的视电阻率反演结果反映在测线(-135m沿脉巷道)以下至30m深度为一高阻层,表明自-135^-165m的岩体中已不含水或含少量的水;测线以下30~60m段为低阻层,反映-165^-200m的岩体中含基岩裂隙水;测线以下大于60m的地段为特高阻层,反映-200m以下岩体含水性逐渐变差.该探测结果与矿区水文地质结构调查分析结论具有很好的一致性,表明了坑道高密度电阻率法探测含水构造是可行的.

伪随机编码源激发下的时域电磁信号合成

将伪随机编码技术引入到人工源电磁法后,可以通过加大发射功率以及应用后续的相关处理技术来达到压制噪声、加大探测深度及提高分辨率的目的,因此引起了越来越多学者的关注及研究,但大多数研究集中在资料处理的相关技术上,对模拟电磁信号关注较少.然而,资料处理工作大多是从电磁信号出发的,模拟伪随机编码源激发下的电磁信号不但可以为资料处理环节提供理论数据,而且可以为检测资料处理的效果提供中间结果,因此,模拟电磁信号工作必不可少.本文根据获得接收信号的物理过程来实现伪随机编码源激发下的电磁信号合成.首先用解析公式获得特定地电结构的大地频率域响应,然后通过余弦变换得到时间域阶跃响应,接下来用阶跃响应的时间导数得到大地脉冲响应,通过将大地脉冲响应与伪随机编码源的褶积得到理想接收信号,最后,用低通滤波器来模拟发射设备和接收设备的频带限制,将之和噪声一起加到理想接收信号上,最终模拟出仿真的合成信号.通过和野外实际接收信号对比发现本文合成信号仿真度较高,可以服务于后续的数据处理环节.

利用多通道瞬变电磁法识别深部矿体——以内蒙兴安盟铅锌银矿为例

多通道瞬变电磁法由于采用伪随机编码发射、最佳匹配相干解码技术,所以相比于传统时间域电磁方法勘探深度大且抗干扰能力强,是目前地面资源勘查领域的研究热点.针对内蒙兴安盟某铅锌银矿埋藏深度大等特点,首先根据矿区资料建立一维以及二维模型,数值计算脉冲响应并分析其特征,说明多通道瞬变电磁对于大埋深低阻异常体有良好的反映,随后通过多通道瞬变电磁技术对矿区进行实例勘查,数据处理过程中利用了反卷积的方法提取大地脉冲响应,根据轴向大地脉冲响应的峰值时刻计算视电阻率,通过对视电阻率进行全波形反演得到解释剖面,与测区钻孔资料对比分析证明,多通道瞬变电磁法是反映深部低阻异常体的有效手段.

多道瞬变电磁法共中心点道集数据联合反演

多道瞬变电磁法是目前地面资源勘查领域的研究热点,开展该方法观测数据的一维反演对完成装备研发及技术推广具有积极的推动作用.针对多道瞬变电磁法特殊的源波形和数据采集方式,本文对多道瞬变电磁数据的响应提取和一维反演进行了研究.首先,采用反卷积方法从伪随机二进制序列全波形响应数据中提取大地脉冲响应.为了避免脉冲响应中空气波的干扰,提出采用反向积分算法,把脉冲响应转换成下降沿阶跃响应,并将其整理成共中点道集.最后,为充分利用各个偏移距下的响应数据对不同深度范围目标体的分辨能力,采用基于OCCAM算法的联合反演方法对共中心点道集数据进行联合反演.结果表明在不同目标体深度以及有噪声干扰的情况下,共中心点道集数据联合反演计算均可获得较好的结果.

利用电磁方法探测内蒙古塔木素高放废物预选场址岩体的内部构造

高放废物地质处置库选址要求围岩完整稳定,它与岩体深部地质结构密切相关,因此是场址评价中必须考虑的因素.在高放废物储库选址新区内蒙阿拉善塔木素岩体,采用可控源音频大地电磁法进行了剖面探测.分析了典型测深曲线,区分了地质构造和完整围岩的响应特征;针对高放废物预选场址的特点,对原始数据进行了处理;结合已有地质、钻井及测井资料完成了解释;结果表明,利用可控源音频大地电磁法有效地查明了该地岩体内部结构,该岩体存在裂隙和破碎,完整性欠佳.

多剖面合力法分析滑坡稳定性

滑坡稳定性分析最重要的是精度。滑面和坡面是空间三维变化曲面,造成滑体厚度各处变化很大。滑坡稳定性分析通常选择中轴线或其附近的一个所谓"代表性纵断面"进行安全系数计算。由于采用单位宽度纵剖面计算,在多数情况下只能代表该纵剖面两侧不大范围宽度滑体的局部稳定性,而不能代表滑坡整体稳定性,因此提出多纵剖面合力法进行滑坡稳定性分析。为减少多剖面勘探成本的人财物力投入,把滑动面分成了简单滑面和复杂滑面两类。对简单滑面滑坡最少只打两个纵断面共2~4个钻孔,应用几种滑面曲线函数,绘制辅助横剖面,将所需要的多个计算纵剖面剖出。多剖面合力法是基于空间平行力系可移动原理,对各剖面划分条块,把每个剖面条块的剪应力与抗滑力分解成水平与垂直分力,然后计算每个剖面剪应力与抗滑力的垂直与水平分力各自的合力,再对各剖面的剪应力与抗滑力的水平与垂直分力求合力,计算出滑坡的抗滑力与下滑力,得到剪应比——滑坡的稳定系数。用简单滑面和复杂滑面两个滑坡实例进行了分析,验证方法的有效性。

基于牛顿迭代法和遗传算法的CSAMT近场校正

由于可控源音频大地电磁法(CSAMT)采用人工场源在大大增加信号强度的同时也带来了在近区产生非平面波效应的问题,其表现特征为在双对数坐标中卡尼亚电阻率曲线呈45°上升,即所谓的近场效应.本文首先提出了基于牛顿迭代法求解视电阻率方程的近场效应校正方法,通过对二层、三层理论模型试算验证了该方法的有效性;为进一步增强对噪声的压制能力,本文进一步引入了遗传反演的思想,将全频段误差最小作为目标函数,采用自适应正则化方法引入模型参数梯度最小作为稳定因子,由遗传算法求解得到校正后视电阻率,通过对理论模拟数据加随机噪声的校正结果,表明该方法在实现近场校正的同时能剔除噪声干扰,得到的结果与理论模拟曲线吻合度较高.通过对内蒙古曹四夭钼矿区实测CSAMT数据处理结果表明,牛顿法和遗传算法均能明显校正CSAMT因近场效应引起的假高阻异常,能更好地反映地电结构特征.

大闭环伺服控制随钻智能导向钻井方法

深层油气资源量巨大,是全球油气开发的重要方向.随着钻井朝着深层(>4500 m)和超深层(>6000 m)发展,地质条件更加复杂,深层钻井泥浆信号传输速率受限,井下随钻测井等数据传输延迟,增加了钻井事故的频率及钻出储层的风险.当前井场智能决策钻井的方法不适用,井下自主智能钻进是未来深层超深层高效钻进的发展方向.本文借鉴无人驾驶汽车的理论技术架构,提出了一种大闭环伺服控制随钻智能导向钻井方法,集旋转导向、地质导向、随钻地震、电磁前探、随钻测量、信号传输、自动钻机等技术于一体,利用“边钻边学”的人工智能评价与决策方法,智能识别钻头前方油气藏甜点,智能决策钻进方向和钻速,并利用大闭环伺服控制实现井下钻头的自主智能导向和钻进.大闭环伺服控制随钻智能导向钻井架构包括钻进感知、智能决策与大闭环控制3个部分.钻进感知部分通过随钻测井数据获取钻头定位信息、井周地层及钻头前方特性参数,智能决策部分依据钻进感知部分获取的信息通过人工智能决策模型修正轨道和优化钻进策略,大闭环控制部分根据智能决策指令调整钻进方向和速度.本文在钻进感知部分采用支持向量机算法利用随钻测井数据进行岩性智能识别,优选随机森林算法和长短期记忆(Long Short Term Memory,LSTM)循环神经网络对孔隙度、渗透率、饱和度和泥质含量进行评价.在智能决策部分优选随机森林算法对机械钻速进行预测与优化,均获得了高准确率.

干涉走时微地震震源定位方法

本文基于地震波场干涉原理,建立了干涉走时微地震震源定位方法.该方法将两个接收点相对于一个微地震事件的走时差(称为干涉走时)的扰动作为残差函数,通过迭代求解最小残差函数,最终获得震源的空间位置.干涉走时震源定位方法利用两个接收点的到时差消除发震时刻未知和速度模型误差的影响,简化了震源定位算法.数值计算表明,本文提出的干涉走时定位方法在速度模型有误差的情况下仍然可以获得准确的微地震震源定位.

TTI介质的交错网格伪P波正演方法

研究了三维弱各向异性近似下,利用伪P波(伪纵波)模拟弹性波场P分量在倾斜对称轴的横向各向同性(TTI)介质中的传播过程,并对比了分别基于弹性Hooke定律、弹性波投影和运动学色散方程所建立的三种二阶差分伪P波方程的正演特点.目前这些伪P波方程数值计算主要采用规则网格差分,但是规则网格在TTI模拟中有低效率、低精度以及不稳定的缺点.为了提高计算的精度,本文构建出相应方程的交错网格有限差分格式.通过对比伪P波方程在三维TTI介质中不同的数值模拟的表达形式,本文认为基于色散方程所建立的伪P波方程在模拟弹性波中P波传播的过程中具有最小的噪声.本文分析不同的各向同性对称轴空间角度的频散特征,并引入适当的横波速度维持计算的稳定.二维模型算例表明,本文提出的交错网格正演算法可以得到稳定光滑的伪P波正演波场.使用本文交错网格算法对二维BP TTI模型的逆时偏移也具有较稳定的偏移结果.