地下水作用下灰岩裂隙溶解扩展过程实验研究

论文摘要

地下水对灰岩裂隙的溶蚀作用决定灰岩地层中岩溶发育速度及规模,深入研究地下水作用下灰岩裂隙溶解扩展过程对科学认识岩溶动力系统特征及运行规律具有重要的意义。本文选取柴达木盆地石灰沟地区灰岩为研究对象,开展了不同温度、压力条件下的灰岩裂隙溶解扩展实验。由于CO2地质储存储层中的岩溶作用是一种特殊条件下的岩溶类型,所以本文专门研究了CO2地质储存温度压力下的灰岩裂隙溶解实验。在不同温度、CO2分压、流量条件下将饱和CO2水溶液注入人造灰岩裂隙,监测裂隙上下游压差及出口流量,取裂隙出口水样测试Ca2+浓度;通过样品矿物组成、微观结构、温度、CO2分压、流量与裂隙张开宽度、出口Ca2+浓度、反应级数（n）、反应速率常数（Kc）间的关系,揭示地下水作用下灰岩裂隙溶解扩展过程。在岩溶动力系统中,CO2-H2O-CaCO3三相间的物质、能量传输转化关系决定岩溶发育规律。当PCO2≤103.5Pa时,出口Ca2+浓度随温度的升高而增大;当PCO2≥104.5Pa时,随着流量的减小,出口Ca2+浓度随温度的升高而增大的规律逐渐转变成随温度的升高而减小。另外出口Ca2+浓度随CO2分压的升高、流量的减小而增大,且与CO2分压、流量分别呈指数函数、幂函数关系。当PCO2≥104.5Pa后,出口Ca2+浓度受流量、温度的影响减小,受CO2分压控制作用增大。本文求解了不同条件下裂隙溶解过程中对应的反应级数（n）、反应速率常数（Kc）:n随温度的增加而减小,随CO2分压的增加而增大;Kc随温度和CO2分压的增加而增大;且二者与温度呈线性关系。由n和Kc与温度之间的关系,本文提出了不同CO2分压下的可以计算任意温度时的裂隙溶解速率方程,且该方程具有很高的普适性和可靠性。CO2地质储存储层中岩溶不同于绝大部分岩溶动力系统。在CO2地质储存条件下,裂隙表面很快形成明显的溶蚀管道,且实验结束后灰岩样品S1、S3和S4的裂隙张开宽度（Bh）分别扩大为原来的3.4、1.4和1.2倍;S2受裂隙表面初始特征的影响,实验初期Bh轻微缩少后期Bh逐渐增大。Bh与时间之间可以用S型、对数型和多项式型函数表示;S1,S2,S3和S4的裂隙平均溶解速率分别为2.50×10-6,3.11×10-6,2.70×10-6和3.04×10-6mol/m2/s。裂隙表面溶解模式与佩克莱常数（Pe）和达姆科勒数（Da）密切相关,当Pe相等时,Da越大,裂隙表面越趋于均质溶解模式;当Da相等时,Pe越大则裂隙表面管道化溶解模式愈发育。同时,裂隙表面的非均质性对溶解模式也有重要影响,生物碎屑聚集、方解石解理面、裂隙表面微裂缝及方解石脉充填位置更易发生优先溶蚀。

论文目录

• 摘要
• abstract
• 第1章 绪论
•   1.1 研究背景及选题依据
•     1.1.1 研究背景
•     1.1.2 选题依据
•   1.2 国内外研究现状
•     1.2.1 岩溶作用研究
•     1.2.2 灰岩溶解动力学研究现状
• 2 地质储存条件下灰岩储层溶解研究现状'>    1.2.3 CO₂地质储存条件下灰岩储层溶解研究现状
•     1.2.4 存在的科学问题
•   1.3 研究内容与创新点
•     1.3.1 主要研究内容
•     1.3.2 创新点
•   1.4 技术路线和研究方法
• 第2章 灰岩样品微观结构特征
•   2.1 岩芯样品
•     2.1.1 岩芯样品采集区域概况
•     2.1.2 岩芯样品矿物成分、化学成分
•   2.2 样品孔隙结构特征
•     2.2.1 孔隙度测试
•     2.2.2 渗透率测试
•   2.3 本章小结
• 第3章 不同温度、二氧化碳分压下灰岩裂隙溶解扩展
•   3.1 实验原理
•   3.2 实验样品制备
•     3.2.1 样品制备过程
•     3.2.2 灰岩样品溶解度测试
•   3.3灰岩裂隙溶解实验
•     3.3.1 实验设备
•     3.3.2 灰岩裂隙溶解实验过程
•   3.4 实验结果与讨论
•     3.4.1 溶液pH值的变化
•     3.4.2 裂隙张开宽度、反应溶液停留时间的变化
• 2+浓度变化'>    3.4.3 实验过程中出口Ca²⁺浓度变化
•     3.4.4 反应速率常数与反应级数
•     3.4.5 灰岩裂隙溶解速率方程
•     3.4.6 灰岩裂隙溶解过程中溶液饱和程度与径流长度关系
•   3.5 本章小结
• 2地质储存储层温度压力条件下灰岩裂隙溶解扩展'>第4章 CO₂地质储存储层温度压力条件下灰岩裂隙溶解扩展
•   4.1样品溶解度测试实验
•     4.1.1 溶解度实验样品制备过程
• 2饱和水溶液的溶解度测试实验装置及过程'>    4.1.2 超临界CO₂饱和水溶液的溶解度测试实验装置及过程
• 2条件下灰岩裂隙溶解实验'>  4.2 超临界CO₂条件下灰岩裂隙溶解实验
•     4.2.1 样品加工及实验装置
• 2水溶液对灰岩裂隙溶解实验过程'>    4.2.2 饱和超临界CO₂水溶液对灰岩裂隙溶解实验过程
•   4.3 实验结果与讨论
•     4.3.1 灰岩裂隙表面溶蚀管道化现象
•     4.3.2 裂隙张开宽度随时间变化
• 2+浓度和溶解速率'>    4.3.3 出口Ca²⁺浓度和溶解速率
•     4.3.4 灰岩裂隙溶解模式
•     4.3.5 裂隙表面非均质性对溶解的影响
•   4.4 本章小结
• 第5章 结论与建议
•   5.1 主要结论
•   5.2 建议
• 致谢
• 参考文献
• 附录

文章来源

类型: 博士论文

作者: 王敬霞

导师: 于青春

关键词: 地下水,温度,分压,灰岩裂隙,溶解扩展

来源: 中国地质大学(北京)

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑

专业: 地质学,石油天然气工业

单位: 中国地质大学(北京)

分类号: P618.13

DOI: 10.27493/d.cnki.gzdzy.2019.000093

总页数: 125

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