砂岩非饱和渗流中子成像研究

第1章绪论 1.1砂岩非饱和渗流问题的研究目的及意义 岩石圈、水圈是人类生产生活的基础。岩石圈可提供丰富的矿产资源（如煤炭、油气、铁矿、有色金属等），地质空间资源（储存和处置二氧化碳、放射性核废料和有毒有害污水等，或开辟作为地下水库、地下油库、地下仓库、地下核试验的场地等）。岩石是一种多孔介质，其内部含有丰富的孔隙和裂隙，这些孔隙为地质流体的赋存和运移提供了空间。无论是矿产资源的开发还是地质空间资源的利用都需要对岩石进行开挖或扰动相应空间内的地质流体（水、气和油等）。随着水分不断渗流进入岩石，岩石介质从非饱和状态逐渐趋于饱和状态。而岩石介质的饱和状态不仅对其抗压、抗剪强度等固体力学性质有着重要影响，更对岩石介质内地质流体的赋存和运移起着关键作用。根据岩石饱水状态的不同，可以将岩石介质内的渗流分为饱和渗流和非饱和渗流。自然界中岩石在大多数情况下处于非饱和状态，而岩石介质的非饱和渗流问题相比于饱和渗流更为复杂，但却并未得到足够关注。非饱和渗流一般以毛细管力和重力等为驱动力，渗流过程中流体运移分布的非线性行为与饱和渗流有着本质区别，且非饱和状态下的岩石在材料力学性质等方面与饱和状态存在较大的差异。此外，岩石圈物质循环过程中，对岩体结构进行复杂地质作用和人类活动的改造，产生大量的裂隙、节理等地质结构面，使得岩体内渗流特性更为复杂，并大大增加岩体渗透率[1]。其中裂隙更是地质流体的天然渗流通道，其在非饱和渗流中起着重要的作用，既能够快速传输地质流体，也可作为天然屏障以隔断相邻岩块间流体的联系[1，2]。岩体裂隙中的非饱和渗流机理相对基质中的更为复杂，目前对该问题的研究也较为有限。 我国是人口大国，能源消耗量大。2018年一次能源生产总量为37.7亿t标准煤，其中原煤产量占69.70%;能源消费总量为46.4亿t标准煤，其中煤炭消费量占能源消费总量的59.0%。由此可知，煤炭仍是我国的主要能源，但煤炭开采和利用而造成的水资源浪费、生态环境破坏及大气污染等问题日益严重，同时伴随着煤炭资源日益枯竭以及天然气等清洁能源供需严重失衡，能源与环境问题己经成为制约我国经济社会发展的关键问题。近年来，随着西部大型煤炭基地绿色减损保水开采，致密砂岩气、页岩气和煤层气等非常规能源的开发以及第三代核电项目的发展为进一步解决这些问题提供了可能。针对西部矿区煤炭高强度开采与水资源保护之间的矛盾[3]，钱鸣高院士提出了绿色采矿理念，提倡环境友好型保水减损开采[5]。该技术理论的关键是控制采空区裂隙带高度，以防其导通隔水层使砂岩含水层中的地下水向（或通过）裂隙渗流而造成地下水的浪费；顾大钊院士团队提出利用采空区建立地下水库的构想，对西部大型矿区煤炭开采过程中损失的水资源进行储存，以实现地下水资源的保护和利用[6-8]，如图1.1所示。但地下水库蓄水过程中，坝体围岩、坝体混凝土构筑物逐渐被水润湿，易导致坝体围岩、坝体混凝土构筑物以及其中钢筋锚杆的力学性质劣化，进而对地下水库稳定性和耐久性造成影响。上述问题与地面水坝和水库、建筑物耐久性研究领域所关注的科学问题有着很高的一致性，非饱和区域水分的输运对岩石力学行为有着重要影响，因此将上述领域形成的非饱和渗流理论成果应用于矿山岩体力学的研究中很有意义。 图1.1西部矿区地下水库原理图[6-8] 近年来，随着我国煤矿安全高效集约化生产，部分产能落后、不符合国家安全与生态环境标准以及达到生产生命周期的矿井（矿坑）将被闭坑或废弃，预计到2030年，我国关闭/废弃矿井数量将达到15000处[9]，由此引起的环境问题以及资源再利用问题得到了袁亮院士和武强院士等专家学者的关注[9，10]。废弃（闭坑)的矿井（坑）可提供巨大的地质空间资源，但同时也存在重大的安全和环境等问题[11，12]。例如，矿井关闭后采空区、巷道等形成了巨大的蓄水空间，为修建地下水库提供了前提。随着排水工作的停止，矿井或矿坑的水位将随着含水层地下水或地表水的补给逐渐抬升并趋于稳定，*终形成了巨大的矿井（坑）水体，实现了储水功能。但随着井下水位的抬升，地下水渗流场和化学场等发生变化，原处于非充水状态的建筑地基将被水逐渐润湿，破坏了岩土体地应力场与水动力场的原有平衡，从而影响建筑地基的安全和稳定；原处于应力平衡稳定状态的煤岩柱体被水逐渐润湿后强度降低，可能失稳而诱发矿区地面二次塌陷，甚至出现山体崩塌和滑坡等地质灾害。对于废弃的露天矿坑，矿坑坑底易积水，且水位随雨季的到来不断被抬升，矿坑边坡处于非饱和渗流区域而不断被润湿，极易失稳形成大面积滑坡灾害[13，14]。此外，关闭或废弃矿井除拥有丰富的水资源外，还赋存着丰富的煤炭、天然气和地热等资源。这些资源的利用不仅能够减少资源浪费，还可推动资源枯竭型城市转型发展。袁亮院士等[9]依托中国工程院重大咨询项目“我国煤矿安全及废弃矿井资源开发利用战略研究”提出了包括关闭/废弃矿井残余煤炭气化开发利用、关闭/废弃矿井非常规天然气开发利用、关闭/废弃矿井水资源智能精准开发、关闭/废弃矿井油气储存与放射性废物处置等内容的“关闭/废弃矿井资源精准开发利用”理念。上述理念面临的科学问题涉及渗流场、应力场、温度场等多物理场耦合问题，其中水在非饱和岩体中的渗流问题是该研究的重要组成部分。 此外，地下水在非饱和岩体基质及裂隙中的渗流问题广泛存在于油气开采、非常规天然气开发工程中。油气开采过程中，毛细管自吸是水驱油气藏和裂隙性油气藏开采的重要机理，且在低压或能量衰竭油气藏注水开发方面应用效果显著，通过注水法可以提高油气采收率以实现对低渗储层的二次、三次增产[15]。但水相毛细管自吸这种非饱和渗流行为造成的水相圈闭损害妨碍了油气藏高效开发，因此该问题被美国能源部列为十项重点工程之一进行长期研究[16]。低渗砂岩气、页岩气和煤层气构成当今世界三大非常规天然气，其比重在我国天然气产量中逐年上升。非常规天然气的开采大多使用水力压裂技术，该技术将压裂液注入非常规天然气储层中进行液压碎裂，随后逐渐渗流进入基质以驱替岩石孔隙中赋存的天然气，以实现非常规天然气高效开采，如图1.2所示。致密砂岩气在非常规气中占比很大，且致密砂岩纳米级孔喉发育、孔喉连通性差、富含黏土矿物，毛细管自发渗吸行为复杂，极易导致致密砂岩气在开发过程中受到水锁损害，从而严重影响了致密砂岩气储层的高效开发。 图1.2非常规天然气储层的多尺度流体动力学 核电是一种清洁高效能源，在优化能源结构的同时大大减少了温室气体的排放。近期世界能源转型升级进入新阶段，核能的多元化利用有了更多途径[17]。随着我国能源战略的调整，发展核电已成为我国能源战略的重点，第三代核电机组CAP1400、华龙一号、CAP1000、EPR陆续在沿海地区投运[18]。根据目前核电发展速度和规模测算，未来需要相当规模的铀矿资源作保障[19]。我国已探明的铀矿资源中，砂岩型铀矿储量约占35%[2~22]，而其中低渗透性砂岩型铀矿又占到已探明砂岩型铀矿的50%以上[23]。与常规采铀矿开采方法相比，地浸法开采不产生废石与尾矿等固体废物，是开发渗透性砂岩铀的*经济有效的方法，也是铀矿开采的重要发展方向[24-26]，如图1.3所示。溶浸液与砂岩铀矿储层之间的相互作用以及浸出液流动方向和方位的控制是地浸法的关键[23]。溶浸液逐渐润湿低渗砂岩继而发生化学反应使铀元素析出，该过程涉及溶浸液的非饱和渗流过程，但低渗砂岩孔隙结构的复杂性增加了溶浸液的渗流阻力，使地浸法开采难以有效进行。因此，低渗砂岩铀矿储层中溶浸液的运移及非饱和渗流规律的研究，对井型、井距等地浸工艺参数的确定起主要作用[23]，且对经济安全高效开发该类矿床有着重要的意义[23，27]。 图1.3铀矿地浸法开釆示意图[28] 综上所述，岩体基质及裂隙中的非饱和渗流问题涵盖了传统能源开采（如煤炭、石油），新能源利用开发（如非常规天然气、铀矿)，环境保护（如核废料处置[29，30]、二氧化碳地质封存[31，32])，文物保护（如古建筑物保护[33]，莫高窟、金字塔）等工程领域。砂岩作为一种典型的沉积岩，在上述各类工程问题中广泛存在。砂岩中孔隙结构十分复杂，孔隙尺寸可能跨越几个数量级（纳米-微米），大部分处于微米到亚微米范围内，部分孔喉的收缩和闭合降低了孔隙的连通性，增加了渗流路径的迂曲度。砂岩中多含有伊利石、高岭石等黏土矿物，矿物的填充使孔隙结构更加复杂，且孔隙中的黏土矿物遇水膨胀可能会堵塞渗流通道，使得砂岩中的非饱和渗流规律更为复杂。除孔隙外，砂岩中还分布着大量的裂隙结构，其增加砂岩的渗透率，同时影响砂岩的非饱和渗流过程。砂岩中孔隙、裂隙结构及黏土矿物成分在非饱和渗流问题的研究中扮演着重要的角色，砂岩中孔隙、裂隙结构的精确表征以及黏土矿物成分的准确测定是问题研究的关键，可以借助先进的高分辨率X射线CT成像、扫描电镜（scanning　electron　microscope，SEM)和X射线衍射（X-ray　diffraction，XRD)等技术手段实现。砂岩非饱和渗流过程中，孔隙结构的复杂性导致基质中渗流速度缓慢，但接触水源的裂隙中渗流速度较快，而砂岩基质内的含水率动态分布以及裂隙中的快速渗吸现象难以用常规实验手段有效地测定和捕捉。 无损检测技术的发展为砂岩基质内部含水率动态分布的测定以及裂隙中快速渗吸现象的捕捉提供了可能。例如，核磁共振成像和X射线成像技术被广泛地应用于岩石内水运移规律的研究，但这两种技术都有其局限性。X射线成像依赖于使用示踪剂来测定多孔介质中的水分分布[34]，而核磁共振成像则受可视化孔径范围限制以及样品所含矿物元素的影响（如铁元素）[35]。相比之下，中子由于对氢元素衰减强烈，但对气体和固体组分（如二氧化硅、铁、铅和铀等）相对不敏感[36，37]，在岩石介质非饱和渗流成像方面具有独特优势，成为世界范围内研究岩石介质非饱和渗流现象的前沿实验手段，在瑞士保罗谢尔研究所（Paul　Scherrer　Institute，PSI)、美国橡树岭国家实验室（Oak　Ridge　National　Laboratory，ORNL)、美国国家标准与技术研究院（National　Institute　of　Standards　and　Techno　logy，NIST)、德国亥姆霍兹柏林材料与能源研究中心（Helmholtz　Zentrum　Berlin，HZB)等机构的相关科学研究中被广泛采用。但由于中子成像技术相关设备费用昂贵，且束流时间有限，在一定程度上制约了中子成像技术的应用和发展。目前，我国己建有中国原子能科学研究院中国先进研究堆（China　Advanced　Research　Reactor，CARR)[37-39]、中国绵阳研究堆(China　Mianyang　Research　Reactor，CMRR)[40]和中国散裂中子源（China　Spallation　Neutron　Source，CSNS)，并依托研究反应堆提供了冷中子成像谱仪等先进的中子成像设备，为相关实验研究提供优质的科研平台。但目前国内中子成像技术的应用还处于起步阶段，利用中子成像技术开展岩石介质非饱和渗流的研究相对较少。本书依托中国原子能科学研究院中国先进研究堆和德国亥姆霍兹柏林材料与能源研究中心的冷中子成像设备，同时结合高分辨率X射线CT成像技术，对砂岩基质和裂隙非饱和渗流现象进行理论和实验研究。 1.2砂岩非饱和渗流与微观结构研究现状 1.2.1砂岩非饱和渗流理论研究现状 与饱和渗流不同，非饱和渗流过程受毛细管力影响较大[41]。非饱和渗流过程中的各非饱和相的变化会对渗透性产生影响[42];同时流体与介质之间的相互作用可能导致优先流、薄膜流等快速流动现象。非饱和渗流现象普遍存在于石油工程、地下水工程等工程应用中。润湿液体在毛细管力作用下自发地流入多孔介质进行输运的过程，称为自发渗吸，简称渗吸[43]。润湿锋移动距离、累计吸入润湿液体质量与渗吸时