单个粗糙裂隙中水流及溶质运移研究进展

文章回顾了有关单个粗糙裂隙中水流和溶质运移的理论、实验研究和数值模拟的成果,重点评述了对裂隙结构面粗糙度的分形特征、粗糙裂隙中描述水流的模型和溶质运移的弥散系数和穿透曲线,并对反映单个粗糙裂隙中水流特征的“局部立方定理“适用条件和溶质运移所呈现的“非费克”运移机理作了初步分析,在此基础上探讨了今后的研究趋势。     

多孔介质双分子反应溶质运移实验与模拟研究

多孔介质中化学作用对溶质运移具有重要影响.为了揭示反应性溶质运移机理,保持多孔介质不变,以胺和1,2-萘醌-4-磺酸钠双分子化学反应为例,分别开展了非反应及反应条件下不同流速溶质运移实验和数值模拟研究.主要结论如下:①改进的反应性对流弥散模型能模拟双分子反应中溶质运移行为;模型可行,具有较高的精度;0.4mL/s和0.8mL/s流速下生成物峰值浓度相对误差分别为1.2%及0.8%.②利用对流弥散模型可以评估非反应物运移弥散系数,可为反应性溶质运移弥散系数识别提供技术参考.③随流量增大,模型参数m减小,而β0则增大;此外,同一物质在保持相同流量下,作为反应物出现时,其弥散系数略高于非反应物质的弥散系数,其作用机理有待进一步研究.     

边界层对粗糙单裂隙溶质运移影响试验

为探究非费克(non-Fickian)运移表现出的峰值提前到达和拖尾等现象,开展了粗糙单裂隙溶质运移试验,总结了粗糙单裂隙中溶质运移特征及运移机理,结合边界层理论对峰值提前到达和拖尾现象进行了分析和解释。结果表明：峰值时间和拖尾时间与边界层厚度之间存在较好的线性相关关系;边界层对裂隙介质溶质运移有较为显著影响,即水流速度越小,边界层厚度越大,滞留在边界层内部的溶质越多,溶质获取率越低;粗糙单裂隙中溶质穿透曲线的峰值提前和拖尾现象是由裂隙中心处以惯性力主导的主流区和裂隙壁面以黏性力主导的边界层区共同作用造成的,其中峰值时间主要由主流区的对流因素控制,而边界层区域的存在对拖尾时间影响较大。     

基于高密度电法监测双重介质溶质运移实验与 模拟研究

为了对孔隙裂隙双重介质中溶质运移现象进行量化研究,文章设计了孔隙裂隙双重介质物理模型,运用高密度电法仪器监测示踪剂(氯化钠)溶液的电阻,开展了一定流速条件下双重介质运移实验研究,利用对流弥散方程(advection-dispersion equation,ADE)以及连续时间随机游走(continuous time random walk,CTRW)中截断幂函数(truncation power-law function,TPL)对溶质运移穿透曲线进行了拟合分析。研究结果表明:实验条件下,孔隙的溶质运移速度明显慢于裂隙内溶质运移速度;孔隙裂隙内溶质运移呈现出明显的非费克现象,表现出拖尾现象;在模拟溶质穿透曲线时,CTRW-TPL模型拟合结果优于ADE模型。     

裂隙水岩反应特征与雷诺数对溶解速率的影响

以中国首个地下大型水封油库——黄岛油库为依托,在不同雷诺数条件下进行花岗岩单裂隙水岩相互作用试验,分析花岗岩单裂隙水岩反应特征和雷诺数对花岗岩表面可溶矿物溶解速率的影响.研究结果表明,在酸性条件下花岗岩发生化学反应的主要矿物为榍石;水岩之间发生的最主要化学反应为CaTiSiO₅+4H⁺→TiO²⁺+H₄SiO₄+Ca²⁺,H₂O+CO₂HCO^-₃+H⁺和TiO²⁺+2H₂O→H₂TiO₃↓+2H⁺;0~10d内水岩化学反应最强烈,随后逐渐降低,直至达到平衡;流体流动能显著提升榍石的溶解速率,相比Re=2500工况,Re=500工况下流体流动对榍石溶解速率的影响更大,这是由于较高的流速降低了溶质运移速率,使得宏观化学反应速率降低.     

地下水溶质运移中的化学反应

溶质地下水运移过程中会经历许多化学反应，常见的有吸附反应、阳离子交换反应、氧化－还原反应、溶解与沉淀反应、放射性污染质的衰变反应、有机污染质的生物及非生物降解反应等等。本文对影响地下水中溶质运移的各种化学反应进行了综述，并介绍了数学处理方法。     

一维溶质运移的参数研究

提出了有关超孔隙水压耗散对粘土中一维溶液对流-扩散溶质运移的影响的计算公式,该公式考虑了固结速率、膨胀速率、超孔隙水压力、吸出耗散等对非线性对流运移影响.并且论述了超孔隙水压力造成的耗散、外部荷载引起的吸出以及水头梯度的对土体体积变形影响,还着重探讨了有关溶质运移过程中固结、膨胀造成的水头、运移速度的不稳定变化的影响因素.     

平行大理石板裂隙污染物运移实验与连续时间随机游走模拟

单个裂隙是构成裂隙网络的基础,其中的水流和溶质运移机理目前尚未完全清楚。文章使用平行大理石板构成单裂隙试验模型,研究了水力梯度和流速之间的关系以及溶质运移规律,采用连续时间随机游走(continuous time random walk,CTRW)模拟软件包中的截断幂函数(truncation power-law function,TPL)对溶质的穿透曲线进行模拟,并与传统的对流-弥散方程(advection-dispersion equation,ADE)模拟结果进行了对比,探讨了CTRW中参数的变化特征。结果表明:实验条件下的水流呈非达西流,用Forchheimer方程能更好地拟合裂隙中水力梯度和流速的关系;裂隙内的溶质运移为非费克运移,表现出明显的"拖尾"现象;在实验条件下拟合溶质运移的穿透曲线,TPL的拟合结果均明显优于ADE;同一隙宽下,模型参数β随流速的增加而增加,其值分别为0.882、1.045、1.375;同一流速下,β随隙宽的增加而减小,其值分别为1.375、1.263、1.112。     

盐度对PCE在饱水单裂隙中运移分布及质量溶出的影响

为研究盐度对重非水相液体(dense non-aqueous liquid,DNAPL)污染物在饱水单裂隙中运移分布以及溶出行为的影响,选取四氯乙烯(perchlorethylene,PCE)作为代表性DNAPL,通过改变流经裂隙介质中盐溶液浓度,测定不同盐度条件下PCE/水/裂隙介质三相体系中界面张力和接触角,并用光透法实时监测PCE在二维裂隙介质中运移分布的动态变化过程,同时用气相-顶空色谱分析法测定PCE溶出浓度,进一步对比分析不同情形下相应污染源区结构及PCE溶出浓度变化.结果表明:随着盐度增加,PCE/水/裂隙介质三相体系中界面张力增大,而接触角减小.盐度通过改变PCE/水/裂隙介质三相体系中界面张力和接触角,从而影响PCE在裂隙介质中的运移及分布,具体表现为在高盐度水流中PCE运移速率加快,分布面积增大.此外,盐度通过影响PCE污染源区面积从而影响PCE溶出浓度,且污染源区面积与溶出浓度表现出明显的正相关性,均先迅速增大而后趋于平稳;高流速水流条件会增大盐度的影响程度.     

岩体裂隙中宾汉姆流体渗流模型

为研究粗糙单裂隙中宾汉姆流体的渗流规律，提出了描述岩体裂隙中宾汉姆流体黏性和黏惯性流动的渗流模型，并采用数值模拟和室内试验结果对模型进行了验证.在粗糙裂隙中，开展了不同流变参数的宾汉姆流体在大范围压力梯度下的渗流模拟，结合修正的Forchheimer方程分析了宾汉姆流体在不同裂隙几何参数及流变参数下的非达西系数β、临界雷诺数Re_○c、非达西效应因子E等变化特性.结果表明:由宾汉姆流体本构方程推导出的黏性模型能更好地描述黏性渗流.修正的Forchheimer方程能更好地描述宾汉姆流体在粗糙裂隙中的黏惯性渗流特征.粗糙度及流变参数会对渗流特性产生显著影响:裂隙粗糙度越大，浆液屈服应力越大;浆液塑性黏度越大，惯性作用越强.     

蓬莱天然气区酸蚀裂缝导流能力实验研究

采用蓬莱气区沧浪浦组和茅口组碳酸盐岩全直径岩心，钻取和剖切标准岩心构建缝宽1mm裂缝进行室内实验，分析了不同酸压工艺对壁面溶蚀效应的影响，分析了酸液类型、酸液用量、注入级数以及闭合压力对酸蚀导流能力与导流能力衰减率的影响规律，并评价了不同溶蚀壁面粗糙度值对导流规律的影响。研究结果表明: 相比单一酸液1级交替注入，自生酸和胶凝酸组合具有更强的溶蚀效应，非均匀刻蚀程度和酸蚀导流能力更大。对比不同液量的自生酸和胶凝酸组合3级交替注入，随胶凝酸液量的增加，非均匀刻蚀程度增大，初始导流能力增大，初始导流能力衰减率减小；随自生酸液量的增加，非均匀刻蚀程度增大，初始导流能力减小，初始导流能力衰减率增大；随粗糙度值增大，初始导流能力增大，初始导流能力衰减率增大。随闭合压力增大，胶凝酸用量越多和自生酸用量越少，始终保持更大的导流能力。因此该研究成果在优化酸化压裂施工设计和提高现场施工效果方面具有一定的参考价值。     

碳酸盐岩储层闭合酸化模拟研究

酸压裂缝生产一段时间后导流能力会逐渐降低,常采用闭合酸化来提高已酸压裂缝的导流能力,闭合酸化模拟对闭合酸化设计意义重大,因此,针对该问题进行闭合酸化建模及数值模拟。首先,基于达西定理、物质平衡原理、酸岩反应动力学建立闭合酸化数学模型;然后通过地质统计学中的序贯高斯模拟算法生成具有非均质性和空间关联性的初始裂缝宽度空间分布和裂缝表面基质渗透率分布;利用有限体积法对模型进行数值求解,用C++编制模拟计算程序;最后基于该模型进行广泛的数值模拟研究,分析酸液分布规律、裂缝表面溶蚀规律、酸液作用距离的影响因素及规律,并形成各种条件下的酸液作用距离图版。研究表明,初始裂缝宽度和裂缝表面粗糙度对裂缝表面溶蚀形态起主导作用,裂缝面溶蚀形态有均匀推进、指进溶蚀和沟槽溶蚀;裂缝宽度越小、粗糙度越大,裂缝表面溶蚀竞争越强烈,越容易形成沟槽,酸液作用距离越远;排量、注酸量正相关于活酸作用距离,酸液传质系数负相关于活酸作用距离;典型的施工排量、酸液用量、常用的酸液类型下,闭合酸化中酸液作用距离为20～60 m。此模型可以预测不同条件下酸液作用距离和酸蚀裂缝表面溶蚀形态,优化闭合酸化参数,为现场闭合酸化施工设计提...     

TSR 反应中地球化学条件的热力学估算

从化学热力学的角度, 通过热力学计算和绘制热力学相图, 针对硫酸盐热化学还原反应(TSR反应)和H₂S对碳酸盐岩的溶蚀两个化学反应过程, 判别其发生的可能性、方向和物理化学条件, 求取不同温度下CaSO₄ (或SO₄²⁻)被直接还原为H₂S的离子浓度、pH和氧化还原条件; 指出在地质体系中, 当CaCO₃处于沉淀–溶解的边界时, 少量酸性流体的加入就会使沉淀转为溶解, 而当Ca²⁺和CO₃²⁻浓度升高时, 又达到新的沉淀–溶解平衡。H₂S对CaCO₃的溶蚀在深度约为1000 m时达到最佳效果, 长期、多次的TSR反应才能产生充足的酸性流体(即H₂S), 这是溶蚀改造碳酸盐岩储层达到明显效果的必要条件。     

Status and trend of hydrogeological experiments concerning the side-wall flow effect in porous media

Hydrogeological experiments provide an important means to understand groundwater seepage and solute transport problems. Basic hydrogeological parame- ters can be obtained for use in assessing groundwater resources. In current porous-media research, studies of side-wall flow are in a preliminary and qualitative phase, and lack systematic and comprehensive understanding. Side-wall flow refers to the non-uniform infiltration and solute transport that occurs near the seepage device boundary. Flow dynamics depends on the fluid under the specific hydraulic conditions, physical properties and chemical composition, medium permeability, the rough- ness of the side wall, geometric features, and physical chemistry. Such phenomena not only occur in indoor water flows and solute transport, but also under natural conditions in the field. Side-wall flow has features both in common as well as distinct from preferential flows. In porous-media experiments, once side-wall flow commences, it affects the groundwater flow field and chemistry field, resulting in parameter values deviating from actual values. Based on a comprehensive analysis of the influence of side-wail flow, a definition of the side-wall flow effect in porous media is given. Three directions of research are identified concern- ing side-wall flow： the mechanism of the side-wall flows effect, the study of its quantitative impact on seepage flow and solute transport, and the methods and measures that need to be taken in hydrogeological experiments to reduce （or prevent） side-wall flow development.     

CT实时观察下泥岩遇水软化过程的机理

利用CT断面成像技术(X-ray CT)实时观察水-岩作用过程中泥岩细观结构的动态软化过程.通过对不同浸水时间泥岩试样的实时扫描观察,获得水作用下泥岩内部裂隙的时空演化特点,如初始裂隙效应、网状扩展行为、空间非均匀分布和典型活跃期.据此得出水-岩作用过程中泥岩遇水软化微观结构演化的三个环节:首先历史成岩过程形成的细观裂隙为后来的水分子侵入泥岩提供了初始通道;接着侵入的水分子通过物理和化学作用导致泥岩中黏土矿物的体积膨胀和可溶碳酸盐溶解;最后是不利的黏土矿物体积膨胀和可溶碳酸盐溶解衍生的力学效应导致裂纹的扩展和相互连通.     

磁性石榴石薄膜的液相外延生长机理

为了对磁性石榴石薄膜液相外延过程中熔质成分作定量的评估,本文根据扩散-反应方程,建立了熔质浓度分布模型,研究了液相外延生长中熔质R_2O_3(R代表稀土元素)和Fe_2O_3的浓度在PbO/B_2O_3作为助熔剂的熔体中的变化状况,以及薄膜线性生长速率与生长温度的关系.     

熔丝成型薄板表面粗糙度理论模型与实验验证

针对熔丝成型(fused filament fabrication， FFF)产品的表面质量缺陷问题，提出了一种FFF产品表面粗糙度的理论建模方法.以材料丝表面轮廓为研究对象，考虑样件表面的实际情况，分别建立了FFF产品垂直和平行于纤维方向的表面粗糙度理论模型;与此同时，利用激光显微镜完成了相关样件表面粗糙度的实验研究;通过对比理论分析与实验结果，验证了所建模型的正确性;理论模型的敏感性分析研究表明，增大挤出宽度或打印层厚度会增大FFF产品的表面粗糙度，而增大重叠区域宽度则会降低表面粗糙度.