龙马溪组硬脆性页岩水化实验研究

硬脆性页岩水化对页岩气开发井壁稳定有重要的影响,为此,对龙马溪组硬脆性页岩进行水化实验研究,包括矿物组成、微观结构、水化应力、自吸吸水率及岩芯浸泡等方面实验研究,探讨分析了硬脆性页岩水化过程与机理。研究结果表明,页岩黏土矿物以伊利石为主,黏土矿物呈片状且定向排列,层理和微裂纹发育,为水化提供作用空间和流动通道;页岩水化应力和自吸吸水率随浸泡时间增加而先上升后趋于稳定,页岩组构对上升速率或幅度有重要影响;浸泡过程中,岩样表面主要形成平行层里面的裂缝,随着浸泡时间增加,岩样保持完整性或水化剥落成碎块,页岩组构和胶结程度对页岩水化程度有重要影响;页岩水化是物理化学作用和力学作用相互耦合结果,前者使岩石断裂韧性下降,后者使Ⅰ型裂纹应力强度因子增大,当应力强度因子大于岩石断裂韧性时,裂纹将扩展或增宽,逐渐形成宏观裂纹,可进一步扩展成裂缝。     

伊犁盆地南缘蒙其古尔铀矿床东部黏土矿物分布特征

伊犁盆地南缘蒙其古尔铀矿床是近年来探寻出的储量可观的铀矿床之一,含矿岩系主要为下侏罗统三工河组上、下段及中侏罗统西山窑组上、下段。本文通过X射线衍射、扫描电镜等分析测试手段,初步探讨含矿岩层砂体黏土矿物分布特征及转化关系。研究发现蒙其古尔铀矿床东部地区黏土矿物以高岭石为主,其次为伊利石、伊利石/蒙脱石混层,少量绿泥石及蒙脱石。黏土矿物种类及含量随地层埋深增加及地下水运移方向存在一定的变化规律:随深度增加高岭石含量呈递增趋势,伊利石/蒙脱石混层呈递减趋势,伊利石呈微弱递增趋势;沿地下水运移方向高岭土含量持续递减,伊利石/蒙脱石混层含量呈递增趋势,伊利石呈微弱递减趋势。高岭石一部分为陆源碎屑成因,另一部分为成岩初期的次生产物;伊利石大部分是成岩前期的自生矿物,另一部分则是由蒙脱石最终转换而成;伊利石/蒙脱石混层则是蒙脱石向伊利石过渡转化的中间产物。高岭石和伊利石/蒙脱石混层含量呈明显负相关性;伊利石和伊利石/蒙脱石混层表现为微弱负相关,高岭石和伊利石二者相关性较差,表明由原生矿物长石、云母等转变成伊利石与高岭石,并且存在高岭石向蒙脱石及绿泥石的转化,而蒙脱石经伊利石/蒙脱石混层中间产物后向伊利石转化的过程。     

水化作用下深层页岩软化本构模型研究

考虑到目前缺乏对深层页岩水化软化机制的认识和相应本构模型的研究,对四川盆地龙马溪组深层页岩开展室内试验和理论模型研究,建立水化作用下深层页岩软化本构模型。首先开展清水自由浸泡试验;然后对不同浸泡时间的岩样进行CT扫描,并绘制CT灰度直方图分析页岩水化细观损伤机制;再对泡水后的岩样进行三轴压缩试验;最后采用连续损伤力学和Weibull统计理论,建立高闭合压力下的页岩软化本构模型。试验结果表明,页岩水化损伤的主要原因是由于内部微裂隙萌生和扩展,在力学参数上表现为黏聚力、峰值强度和弹性模量等参数随水化时间的增加而降低,泊松比随着水化时间的增加而增加,而在应力–应变曲线中表现为压密阶段和屈服破坏阶段有明显的延长;模型参数m,F₀随水化时间的增加而减低,从宏观上解释了水化作用致使页岩力学性质软化这一特性。     

黏土抗剪强度演化与酸雨引发滑坡的关系 ——以三峡库区滑坡为例

 研究由酸雨诱发的土体抗剪强度变化对滑坡形成可能产生的影响。样品取自三峡库区滑坡新出露的滑面及其邻近面。测试结果显示,滑面上蒙脱石含量明显高于邻近面,相反,邻近面上伊利石含量明显高于滑面。在实验室内用弱酸溶液浸泡蒙脱石、伊利石、高岭石3种重塑土试件,测试不同浸泡时间后试件矿物成分和抗剪强度的变化,以此模拟现场酸雨作用下滑面的形成过程。试验揭示,经酸液浸泡后试件内摩擦角的变化最明显,降低幅度超过1/3,同时黏土矿物成分从含部分伊利石和伊/蒙混层矿物演化成以蒙脱石为主。然后,内摩擦角回升,并消耗蒙脱石生成新的高岭石,此阶段黏聚力的变化微弱。伊利石和高岭石重塑土试件则相对稳定。最后讨论黏土的化学–力学模型。     

黑色页岩遇水膨胀微观特征试验研究

为研究黑色页岩遇水膨胀特性,开展不同浸水时间黑色页岩X衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、氮吸附孔径分布等微观试验,得到不同浸水时间条件下黑色页岩矿物成分、微观形貌、崩解特征、晶层间距及晶层膨胀力等膨胀特征微观变化规律。研究结果表明:黑色页岩遇水后,黏土化趋势显著,矿物组成中产生伊/蒙混层矿物;微观结构由较致密的片层状结构逐渐向不规则的团絮状结构过渡,并出现微观崩解现象;内部孔隙的孔径减小,微孔隙比例增加,出现黏土矿物的絮凝充填产生的0.3~2.0μm的微孔隙;针对白云母、伊利石及伊/蒙混层、绿泥石3种典型片状结构矿物系列的001晶面层间距、晶层间膨胀力进行计算得到,白云母系列矿物晶层间距增长最大,晶层间膨胀力增长124.4%,达92 k Pa;绿泥石系列矿物晶层间距增长次之,晶层间膨胀力增长111.8%,达72 k Pa;伊利石及伊/蒙混层系列矿物晶层间距增长最小,膨胀力增长96.4%,为55 k Pa。由此可见,晶层间膨胀作用力的增大会导致黑色页岩遇水容易产生崩解、软化。     

黏性土的物理化学及矿物学性质与分散机理

基于土–水–电解质系统的双电层理论,对48组土样的物理化学及矿物学性质与分散性之间的关系进行了研究,并结合试验验证和工程实例分析,提出黏性土的分散机理。研究表明,黏性土产生分散性的影响因素包括黏粒含量、黏土矿物成分、有机质、钠离子和pH值;但是,决定土体分散性的本质因素则在于介质环境中的钠离子和pH值。土体黏土矿物不论是以蒙脱石还是以伊利石为主,只要土体中含有较多的钠离子和酸碱度呈强碱性,土体就会产生分散性,而且这两个因素缺一不可。     

伊利石和钠蒙脱石对溴化乙锭的吸附机理研究

黏土矿物由于其独特的阳离子交换能力而表现出良好的吸附性能,在废水处理中有着广泛应用。溴化乙锭作为分子实验室中常用的核酸染料,其强烈的诱变性会对人体造成不可逆的伤害。利用2∶1型伊利石和2∶1型钠蒙脱石两种不同性质的黏土吸附溴化乙锭,探究吸附行为及吸附机理。结果表明,伊利石和钠蒙脱石吸附溴化乙锭过程均符合Langmuir等温吸附模型和伪二级动力学方程,二者对溴化乙锭的吸附容量受控于阳离子交换能力,分别为0.10 mmol/g和1.09 mmol/g。进一步发现,溴化乙锭在伊利石上的吸附主要发生在材料外表面,受H⁺和Na⁺对吸附点位竞争的影响较为显著;其在钠蒙脱石上的吸附则主要发生在层间,受环境pH值和离子竞争的影响较小,表明其与钠蒙脱石的亲和力高。因此,不同结构黏土矿物表现出不同的吸附行为。     

基于分子动力学模拟技术的黏土矿物微观行为研究应用

黏土矿物是一类具有层状结构的硅酸盐矿物。土水相互作用对土体许多宏观力学响应、物质运移和传导起重要影响。现有的实验技术和手段即很难在物理上微观探测黏土从绝对干燥至含微量水分子的吸附过程,也很难实现黏土对放射性核素吸附过程的跟踪。使用分子动力学模拟对黏土矿物的水化性质及对放射性污染物吸附性能进行研究。以蛭石、高岭土及蒙脱土三种黏土矿物为研究对象,通过晶层间距、自扩散系数、径向分布函数、吸附复合物结构等模拟测试结果对蛭石的水化性能和黏土对放射性核素的吸附行为阐述。最后,对分子动力学模拟技术在岩土工程的应用发展进行了展望。     

考虑氧化作用的富有机质页岩吸附水量

页岩气井大型水力压裂后压裂液返排率普遍较低,滞留压裂液可能诱发页岩产生裂缝,但在水力裂缝与天然裂缝中占据有效气体传输通道,影响压裂效果。选取四川盆地龙马溪组典型富有机质页岩,采用填砂管与粒状页岩模拟体积改造的页岩气层,开展了蒸馏水与氧化液体积改造后页岩气层吸附水量的对比实验,明确了氧化对压裂液渗吸分散到裂缝附近基块孔隙的作用与机理。结果表明,与蒸馏水相比,氧化作用可以增强页岩渗吸分散水相作用,降低页岩孔隙空间内的自由水量,增加页岩吸附水量;富有机质页岩氧化作用消耗有机质,分解有机黏土复合体,裂缝与孔喉壁面更多的黏土矿物接触压裂液,增加黏土矿物吸附水量,降低裂缝面及基块孔隙含水饱和度,释放渗流空间。建议根据具体工程地质特征,优选氧化性流体的加入时间及用量,充分发挥滞留氧化性压裂液的造缝能力,促进压裂液渗吸分散,实现压裂液少返排或零返排,增大气体在裂缝中有效渗流通道。     

膨胀土的强度和变形特性研究

0　前　　言膨胀土是以蒙脱石或蒙脱石-伊利石为主要矿物成分的高塑性黏土,黏粒含量高,自由膨胀率大于等于4 0 % ;主要由蒙脱石、伊利石类强亲水矿物组成;土体含水量增加,其体积发生膨胀并产生膨胀力,土体失水时,其体积收缩并形成收缩裂缝;土体胀缩变形可随环境湿热变化往复发生,导致其强度衰减;属于液限高于4 0 %的高液限黏土。多年来,由于人们对膨胀土上述特性特别是干湿循环导致强度衰减[8] 的认识不足或处理不当,导致了大量以膨胀土作为基础的构筑物或由膨胀土组成的构筑物发生破坏,损失巨大[1] 。为此,国内外许多科研工作者基于Mohr Coulomb准则对膨胀土的强度特性进行研究,取得了许多重要成     

陕南西乡—镇巴地区龙马溪组页岩气成藏地质条件评价

西乡—镇巴地区位于华南板块扬子陆块北缘,构造系统复杂,黑色页岩较发育,前人对其页岩研究较少。利用野外调研、钻测井及实验等方法,结合前人研究成果,以西乡—镇巴地区龙马溪组页岩为研究对象,对其烃源岩、储层特征及保存条件等进行了详细分析。研究结果表明:研究区页岩厚度大、分布广,烃源岩有机质丰度高、成熟度高,有机质类型主要为I型干酪根,也有部分II型。储层脆性矿物含量高,天然裂缝较多,粘土矿物含量相对少,主要为伊利石,其次为绿泥石和伊蒙混层;孔隙度、渗透率较低,属低孔、低渗储层。成岩作用类型主要有压实-压溶作用和有机质成熟作用。保存条件良好、埋深厚度大、岩性致密、封闭性较好。研究区龙马溪组具备较好的页岩气成藏地质条件。     

矿物成分相关的黏土一维压缩特性分析

为了探索不同黏土矿物成分对黏土一维压缩特性的影响,采用高岭土、伊利土、蒙脱石及绿泥石,按不同质量比例混合来制备重塑土样,进行室内标准一维压缩试验。大量试验结果对比表明：①高岭土与伊利土混合土样的压缩指数（C_c）和回弹指数（C_s）都随伊利土含量的增加而增加;②高岭土、伊利土与蒙脱石混合土样的C_c和C_s随蒙脱石含量的增加而增大,且蒙脱石的作用占主导地位;③高岭土、伊利土、蒙脱石及绿泥石混合土样的C_c和C_s随蒙脱石与绿泥石二者含量之和的增加而增大,且蒙脱石的作用占主导地位。基于试验结果,总结出各黏土矿物成分影响的压缩指数与回弹指数的非线性表达式。此外,试验表明所有混合土样的压缩指数与回弹指数的比值（C_c/C_s）介于6.1和9.1之间变化。     

A multi-component statistic analysis for the influence of sediment/soil composition on the sorption of a nonionic surfactant (Triton X-100) onto natural sediments/soils

The contents of soil/sediment organic carbon and clay minerals (i.e. montmorillonite, kaolinite, illite, gibbsite and 1.4 nm minerals) for 21 natural soil/sediment samples and the sorption of Triton X-100 on these samples were determined. A multi-component statistic analysis was employed to investigate the importance of soil/sediment organic matters and clay minerals on their sorption of Triton X-100. The sorption power of soil/sediment composition for Triton X-100 conforms to an order of montmorillonite>organic carbon>illite>1.4 nm minerals (vermiculite+chlorite+1.4 nm intergrade mineral)>kaolinite. The sorption of Triton X-100 on a montmorillonite, a kaolinite and a humic acid were also investigated and consistent with the result of multi-component statistic analysis. It is clear that the sorption of Triton X-100 on soils or sediments is the combined contribution of soil/sediment organic matters and clay minerals, which depended on both the contents of soil/sediment organic matters and the types and contents of clay minerals. The important influence of illite on the sorption of nonionic surfactants onto soils/sediments is suggested and demonstrated in this paper. Surfactants for aquifer remediation application may be more efficient for the contaminated soils/sediments that contain little clay minerals with 2:1 structure because of the less sorption of nonionic surfactants on these soils/sediments.     

砂质自燃煤矸石胶凝材料的研究

以砂质自燃煤矸石和矿渣作为胶凝主体,并以熟石灰、芒硝和水玻璃为激发剂,研制出一种砂质矸石胶凝材料。结果表明,自燃煤矸石和矿渣在水化过程中相互促进,掺入低于50%自燃煤矸石能提高纯矿渣体系的早期强度,并且不降低后期强度;胶凝材料的强度随着激发剂熟石灰量的增加而提高,在熟石灰存在的条件下晶相水化产物是钙矾石,不掺熟石灰水化早期的晶相水化产物主要是石膏,随着水化的进行逐渐生成钙矾石;芒硝掺量为5%时强度达到最大值,而后由于生成较多的钙矾石,产生较大的体积膨胀,导致微裂纹产生,使强度降低。     

钠盐激发钢渣水泥的早期水化特性及动力学

采用钠盐作为激发剂,通过水化热测定、扫描电镜(SEM)分析和水化动力学模拟,研究了不同钠盐激发钢渣水泥的早期水化进程、水化特性及其水化动力学.结果 表明:钠盐掺入不影响钢渣水泥的水化进程,掺与不掺钠盐的钢渣水泥水化进程均分为起始快速放热期、诱导期、加速期、减速期和衰减期5个阶段;加速期水化反应由成核反应控制,属自催化反应;减速期水化反应由相边界反应与扩散机制共同控制;衰减期水化反应由扩散机制控制;由于反应机理的不同,加速期反应速率常数是衰减期的6～8倍,掺入钠盐的钢渣水泥反应速率常数大于未掺钠盐的,钠盐的掺入有助于钢渣水泥水化反应的进行,不同钠盐对水化的促进作用表现不同,加速期前铝酸钠对水化的促进效果较好,而到减速期后硅酸钠表现更佳.     

全风化灰绿色及红色泥岩物理力学性质对比研究

 灰绿色、红色泥岩在干旱或半干旱气候条件下形成,富含黏土矿物,遇水后物理力学性质发生显著变化,对工程建设的安全有重要影响,对其物理力学特性开展研究在地质灾害防治和工程设计施工中都具有重要意义。不同泥岩具有不同的物理力学性质,为进一步研究其差异,对甘肃省天水秦州区西河乡灰绿色泥岩以及天水花南村滑坡(310国道K1428+200段)滑带处红色泥岩进行了基本土工试验、矿物成分分析、易溶盐成分分析以及高含水率下的直接剪切试验。研究发现灰绿色泥岩级配更好,且含有较多的黏土矿物,而红色泥岩则含有较多的石英及原生矿物,二者的黏土矿物都以伊利石为主,高岭石次之,蒙脱石含量较少。2种泥岩遇水后都溶解出较多的Na+,K+, 以及少量的Ca2+,使土体颗粒水膜增厚,带电分子间的引力减弱,黏结力降低,并使矿物更易遭受破坏,灰绿色泥岩溶于水后的易溶盐总量相对较多。在高含水率情况下,2种泥岩的抗剪强度参数都随含水率及干密度发生变化,灰绿色泥岩的抗剪性能明显优于红色泥岩。当含水率达到25%时,红色泥岩抗剪强度较绿色泥岩显著降低,含水率超过30%后,二者都基本丧失抗剪能力。     

石灰石粉铝酸盐水泥复合体系的水化反应

石灰石粉具有水化活性,能与硅酸盐水泥中的C_3A、铝酸盐水泥中的CA、CA_2等铝酸盐矿物发生反应,水化产物为水化碳铝酸钙。利用微量热仪法、胶砂强度和X射线衍射(XRD),研究不同比例的石灰石粉铝酸盐水泥复合体系的水化反应,结果表明:石灰石粉会加快铝酸盐水泥的水化进程,水化过程诱导期缩短,放热速率峰值下降;复合体系中石灰石粉占比越高,早期水化反应速率越快,但水化反应放热量越低;相对而言,复合体系中石灰石粉掺量为20%时石灰石粉参与反应程度最高,且掺量为20%时石灰石粉对复合体系强度有显著贡献。随复合体系中石灰石粉比例增加,铝酸盐水泥水化产物越来越不明显;石灰石粉掺量为20%～40%时,水化碳铝酸钙XRD特征峰相对最明显,复合体系中石灰石粉与铝酸盐水泥存在一个最佳的比例范围。研究表明,石灰石粉与铝酸盐水泥间会发生明显的水化反应,石灰石粉与铝酸盐水泥复合有望制得一种新型胶凝材料。     

不同矿物成分下土样脱附曲线试验研究

精确测定土样含水率的数值对于研究高吸力时非饱和土的土水特性尤为重要。目前国内外现有土工规范在测定土样含水率时均设定恒温箱温度为110℃,鲜少有文献对该温度设定的合理性进行研究。利用同步热分析仪对高庙子膨润土、高岭土、台州滨海软黏土等7种不同类型的黏土进行了微商热重法分析（DTG）和热重分析（T-G）,同时对这7种黏土,用X射线衍射仪（XRD）测试了其矿物成分。试验结果显示随着土样中含蒙脱石矿物质量百分数的增加,其失去吸附水的温度越高;而当土样中不含蒙脱石矿物成分,土样的失去吸附水的温度比较低。认为对于蒙脱石含量较高的土样,测定含水率时,应将烘箱的温度由110℃提高150℃。