增强型地热系统(EGS)是从干热岩储层中提取热能的重要手段, 而布井方式是影响其采热效果的关键因素, 目前开展的布井方式研究较少考虑压裂储层开采模型的影响。建立了干热岩压裂储层采热的数值模型, 通过不同位置的基质岩体温度下降幅度、热提取率、采出温度和采热功率对比分析了4种不同的布井方式对EGS采热性能的影响。结果表明: 相较于直井, 水平井的流体热交换的面积更大, 能充分开发裂缝间的热量。在生产30 a时, 考虑水力压裂裂缝连通的情况下, 水平井一注两采模型的采热效率最高, 其在垂直于井方向上温度波及范围约690 m, 基质岩体平均温度下降38.09 K, 热提取率为24.42%, 采热功率为3.5 MW。研究成果为提高地热系统产热量、实现干热岩高效可持续开发提供了理论参考。

利用枯竭油气藏储存热能并封存CO₂, 既可解决太阳能跨季节储热难题, 又可扩大可再生能源供暖占比, 同时还可提高CO₂地质封存的经济性。提出了枯竭油气藏储热供暖耦合CO₂封存的新方案, 以CO₂作为循环工质, 夏季吸收太阳热量储存于油气藏背斜构造中, 而冬季取出供暖, 建立了储释能过程的数学模型, 重点分析了枯竭油气藏储能系统热工性能和CO₂封存性能。结果表明: (1)新方案储能系统热工性能优异。单井平均采热功率4 808.95 kW, 每个采暖季可有效利用的平均储热量49 859.21 GJ, 平均能量储存密度28 984.23 kJ/m³。(2)CO₂密度对温度敏感的特性降低了热损失, 提高了系统效率。枯竭油气藏储能系统平均能量回收效率95.84%, 平均热回收效率83.66%。(3)储能加速了CO₂溶解。储释能过程中周期性的注入和采出工作气导致气液界面反复膨胀收缩, 增加了气水接触面积, 提高了传质动力, 加速了CO₂在水中的溶解。对比储能模式和仅CO₂封存模式, CO₂溶解比例增量由0.26%上升至2.22%。枯竭油气藏储热供暖耦合CO₂封存新方案既有优异的热工性能, 又加速了CO₂的地质封存, 是一种高值化的枯竭油气藏利用和可再生能源供暖方案, 具有大规模推广应用的潜力。

位于长岭凹陷鞍部的大情字井地区水热型地热资源丰富, 其中储层温度较高、岩性好、含水量高的青山口组是最佳热储层, 因此, 阐明地热水的成因模式对于该区地热资源的可持续开发利用具有重要意义。通过青山口组7口井地热水样的水化学测试, 结合收集的8组氢氧同位素数据, 研究了目标区地热水的来源及混合过程, 并分析了成因模式。结果表明, 青山口组地热水主要为部分平衡的Cl-Na型流体, 补给来源为长白山地区的大气降水和原生沉积水, 补给高程为2 347~2 370 m; 通过2 210~3 470 m的循环吸热过程形成现今温度为81.25~112.80 ℃的地热流体存储于半开放体系的青山口组碎屑岩储层中。另外, 研究区NE、NW向2组断裂系统是地热流体循环的主要导水通道, 地热流体在深循环过程中与围岩矿物发生水岩反应, 碳酸盐岩及硅酸盐矿物的溶解, 形成了以Na⁺、Cl^-和HCO₃^-离子为主的地热水资源。

山东省鲁中南典型地热区主要包括沂沭断裂带地热区和鲁中隆起地热区, 为了探明研究区地热水氟分布特征及其富集规律, 综合运用水化学图解、地球化学模拟和主成分分析等方法, 分析沂沭断裂带地热区和鲁中隆起地热区地热水水化学数据。结果表明: 研究区地热水以Na-Ca-Cl型、Na-Ca-SO₄-Cl型和Na-Cl-SO₄型为主, 基本为弱碱性水, 优势阳离子为Na⁺, 氟质量浓度在0.38~4.5 mg/L之间, 富钠弱碱性环境有利于地热水中氟的富集。地热水中F^-质量浓度与Na⁺、Cl^-和总溶解固体(TDS)质量浓度呈显著正相关, 而沂沭断裂带地热水样中F^-质量浓度还与K⁺、SO₄^2-质量浓度呈显著正相关, 与Mg²⁺和HCO₃质量浓度呈显著负相关; 鲁中隆起地热区地热水中阳离子交换作用较沂沭断裂带地热区更为强烈, Na⁺反应强度明显强于Mg²⁺。鲁中隆起地热区和沂沭断裂带地热区均为裂隙型热储, 热储岩性分别为石灰岩、灰岩热蚀变带和安山岩破碎带, 水岩作用强烈。研究区地热水中氟离子的物质来源主要为萤石等含氟矿物的溶解沉淀, 受控于阳离子交换等水岩相互作用影响, 最终形成高氟地热水, 其中高温和富钠对研究区地热水中氟离子富集影响较大。研究成果为地热资源开发利用提供了参考。

提升换热介质的换热性能是高效开采地热资源的有效手段之一。添加纳米级金属氧化物可有效提升流体的换热能力, 而纳米颗粒种类、质量分数、粒径、分散剂质量分数等物性参数以及流速对纳米流体换热性能具有重要影响。采用球形纳米CuO和Al₂O₃(粒径20~50 nm)作为换热介质, 十二烷基苯磺酸钠(SDBS)作为分散剂配制纳米流体, 利用自主搭建的纳米流体基础换热实验装置进行室内换热实验, 优选纳米流体参数。此外, 通过自主搭建循环流动换热实验装置, 以湖北英山某水热型地热井中地热水作为热源, 讨论了在现场实际热源边界条件下, 流速对纳米流体和去离子水的换热性能影响规律。结果表明: (1)CuO纳米流体换热性能优于Al₂O₃纳米流体; (2)纳米流体的换热性能与纳米颗粒质量分数呈负相关关系, CuO质量分数为1%时纳米流体升温效率最高, 在150 s内温度可由25 ℃上升到79.2 ℃, 同时间内比去离子水高4.1 ℃, 同时, 随着纳米颗粒质量分数的增加, 纳米流体与热源界面的润湿性减小; (3)纳米流体换热性能随着纳米颗粒粒径增加呈现先增加后减小的趋势, 在纳米颗粒粒径为40 nm时纳米流体换热性能最佳; (4)纳米流体的换热性能与分散剂质量分数呈负相关关系, 当分散剂质量分数为1%时换热性能最佳; (5)层流状态下纳米流体的换热性能与流速呈负相关关系; 在湍流状态下纳米颗粒运动状态逐渐剧烈, 有利于纳米流体传热。研究成果可为纳米流体应用于地热换热从而提升地热系统的换热效率提供依据, 并为纳米流体参数以及流速参数的选择提供理论依据。

在圈闭良好的水热型地热储层, 开展CO₂随回灌水同时注入储层的研究, 既具有经济效益又具有碳封存的环境效益。建立了3D储层模型, 对不同井距、地层倾角、筛管位置和采灌速率下CO₂突破时间以及富含CO₂的盐水在储层中的运移情况进行了研究。结果表明: (1)在采灌速率为20 kg/s, 20 a运行时间内井距为1 200 m时CO₂未突破; (2)在倾斜地层中, 当回灌井位于开采井下游时, 随地层倾角增加, CO₂突破时间延长, 沿地层下倾方向碳酸水运移距离增大; (3)综合考虑筛管位置对突破时间和突破后开采井中CO₂质量分数的影响, 回灌井筛管位于储层上部30 m、开采井筛管位于储层下部30 m时, 有利于CO₂地质封存的安全性和有效性; (4)采灌速率对CO₂突破时间影响较大, 当采灌速率为12 kg/s时, CO₂未突破; 当采灌速率增加到28 kg/s时, 突破时间缩短到11.8 a。因此, 在实际工程应用中可以通过对操作参数和地层固有特性的研究延缓CO₂突破, 提高CO₂地质封存安全性。

地热流体水文地球化学研究在指示地热资源的形成机制、赋存环境以及预测地热资源有利勘查区等方面具有广泛应用。为了探究湖北省应城市地热系统的热源以及成因机制, 并对其地热异常区进行圈定。基于研究区内地热水与浅层地下冷水的水化学及同位素特征, 探讨了地热流体中主要组分的地球化学起源, 评估了地热流体的热储温度。结合区内浅层地下冷水的温度与水化学数据, 对地热异常区进行了圈定。研究结果表明, 地热水水化学类型主要为SO₄-Ca型, 地热系统主要的热储围岩为海相碳酸盐岩, 通过地热温标计算热储温度约112.2 ℃。大气降水入渗和碳酸盐岩热储层中的水-岩相互作用是地热水中化学组分的主要来源。地热水的水化学和氢氧同位素特征指示地热水的补给来源为研究区西部山区的大气降水, 大气降水由补给区入渗后向东南盆地中心不断运移, 循环深度为3 436.7~5 030.2 m。通过与典型岩浆热源型地热系统的对比以及岩石样品中放射性元素的数据结果, 得出应城地热系统是由地温梯度正常加热而形成的。结合区内浅层地下冷水的温度与水化学数据, 最终圈定地热异常区位于应城市区西南陈河镇以北地区, 但仍需考虑井深、人为污染等客观限制因素对圈定结果的影响。

塔里木盆地富满地区吐木休克组烃源岩作为近期勘探新发现的烃源岩层, 具有良好的油气勘探前景, 因此亟需对其进一步开展烃源岩地球化学评价, 以便更好地指导勘探。通过总有机碳含量、岩石热解测定以及饱和烃、芳烃色谱-质谱(GC-MS)等分析方法对富满地区吐木休克组黑色泥岩及灰色泥岩岩屑样品进行了定性和定量表征。研究结果表明, 吐木休克组烃源岩有机质丰度高, 均值为3.4%, 氢指数(HI)最高可达到590 mg/g, 干酪根类型以Ⅱ型干酪根为主, 为一套好-极好的优质烃源岩。从分子地球化学特征来看, 烃源岩形成于弱还原偏咸水的海相沉积环境中, 以低等水生藻类作为主要成烃生物。基于热解峰温T_max及饱和烃生物标志化合物和芳香烃热成熟度参数, 吐木休克组烃源岩总体处于低成熟-中等成熟阶段, 具有良好的生烃潜力。富满地区东南部区域作为环满坳陷西部斜坡区, 可能分布有更厚、更优的吐木休克组烃源岩, 且烃源岩可能已达到更高的热演化程度, 其对奥陶系油气资源的贡献不可忽视。

济阳坳陷低演化页岩油资源潜力巨大, 是继中高成熟页岩油成功突破后的重要领域之一。为了明确低演化陆相页岩孔缝特征及对页岩油赋存的意义, 以济阳坳陷外围青南洼陷沙河街组沙三下-沙四上纯上亚段为例, 综合运用薄片观察、有机碳测试、X射线衍射(XRD)分析、溶剂抽提、低温N₂吸附、高压压汞、扫描电镜、能谱元素等多种技术, 在划分页岩岩相基础上, 探讨了低演化页岩孔隙类型、大小、分形特征及影响因素, 明确了裂缝发育特征, 阐明了页岩孔缝对页岩油赋存的重要意义。结果表明: 研究区页岩总有机碳质量分数w(TOC)多在1.0%~4.0%, 矿物组分以长英质矿物为主, 其次为黏土矿物和碳酸盐矿物。孔隙类型以墨水瓶孔、平板狭缝孔为主, 包括石英粒间孔、黏土矿物片间孔、白云石晶间孔等, 孔径多小于200 nm, 呈多峰分布, 主要集中在2~50, 50~80, 100~200 nm。页岩储层发育较多的水平层理缝、高角度缝和网状缝, 多被沥青充填或浸染, 裂缝有利于页岩油的赋存和运移。富长英质矿物岩相通常比富黏土矿物岩相具有更高的孔体积和比表面积, 长英质矿物对孔隙有积极贡献, 且随热演化程度的增加, 孔体积和比表面积呈先降低后增加的趋势。当镜质体反射率R_o>0.6%时, 页岩油含量显著增加, 主要与有机质开始大量生烃有关。水平层理缝、石英颗粒粒间孔、白云石和方解石晶间孔是页岩油有利的储集和赋存空间。

科特迪瓦盆地位于西非赤道段, 发育大型走滑转换带, 为典型的转换型被动陆缘盆地, 是当前油气勘探热点区域, 勘探潜力巨大, 但油气平面分布、纵向富集均存在较大的差异性。基于前人研究, 利用井、震资料并结合近年来新发现油气藏数据, 重点从构造和沉积2个方面阐述了走滑转换带对油气分布差异性的控制作用。研究表明, 盆地经历了陆内裂谷、洋陆转换和被动陆缘3个主要的构造-沉积演化阶段, 形成了总体上"西窄东宽"的斧型构造格局特征, 西部为陡窄转换边缘, 东部为宽缓离散边缘, 中部为过渡边缘, 宏观上控制了油气"西少东多"的分布规律。走滑转换作用应力主要响应区为中部过渡边缘, 中部隆起马尾带发育大量的构造圈闭, 具有南北双向供烃特征, 控制了北部凸起阿尔比构造油气藏的形成与分布。走滑转换作用形成的古地貌对转换早期上阿尔比-森诺曼和转换晚期土伦阶储层的空间展布特征均有重要的控制作用, 内斜坡洼陷(盆地)往往是最为有利的富砂处, 同时也是最有利的地层-岩性圈闭发育区, 油气分布与沉积体系展布具有较好的一致性, 即转换控储, 分布控藏。

为系统揭示塔里木盆地塔中隆起中北部地区断裂构造特征及其成因演化, 通过对该区大连片三维地震工区精细构造解析和相干体等分析, 并结合区域动力背景, 系统论述了该区的断裂构造类型、几何学特征、差异活动机制及其构造演化过程。研究结果表明, 塔中隆起中北部发育了4类7期断裂构造, 其中逆冲断裂和走滑断裂尤其发育。平面上北西向弧形逆冲断裂与北东向、北西向及南北向走滑断裂相互交切与耦合; 垂向上断裂分层差异活动特征明显, 下奥陶统及其以下地层, 断裂发育数量多且以线形为主, 中奥陶统-中下泥盆统多呈雁列式, 上泥盆统-二叠系仅在塔中Ⅱ号断裂带、顺北5号断裂带西南端等地区发育少量断裂。研究区断裂活动受多期、多方向不同性质应力场所控制, 经历了极其复杂的演化历史: 加里东早期以塔中Ⅱ号断裂带等少量北倾正断层活动为主; 加里东中期Ⅰ幕断裂活动强烈, 表现为逆冲断裂与走滑断裂协同演化和相互耦合特征, 走滑断裂对逆冲断裂的切割或限制作用明显; 加里东中期Ⅲ幕断裂活动基本继承了加里东中期Ⅰ幕的构造格局, 但在工区北部的顺北4号、5号等断裂带张扭性断裂活动特征显著; 加里东晚期-海西早期, 部分断裂发生继承性活动且张扭断裂发育范围进一步向南扩大; 印支-燕山期, 仅有少数断裂发生继承性活动; 喜山期该区构造比较稳定, 早期形成的复杂断裂构造进入深埋阶段。

钱营孜矿井位于淮北煤田宿县矿区的西部, 毗邻徐宿弧形推覆构造南段的外缘带。为认识该矿井构造变形与演化规律、动力学机制以及指导未来资源探采方向提供重要地质依据。利用最新的矿井地质勘探与生产资料, 对钱营孜矿井开展构造格架和控煤构造样式分析, 划分矿井构造期次, 讨论构造发育的区域大地构造背景。结果表明, 矿井内石炭纪-二叠纪含煤地层总体呈一轴向NNE、向SSW仰起的宽缓向斜; 矿井内断裂构造非常发育, 逆断层数量大于正断层, 2类断层的走向均以NE至NNE向为主, 其次为NS向; 矿井构造格架显著受控于数条NS向至NE向的大型断层, 自西向东受南坪断层、F₂₂、F₁₇、DF₂₀₀及双堆断层等主干断层的分割, 呈现东、西分带特征; 矿井控煤构造样式可以划分为挤压、伸展和走滑3个类型, 以及逆冲牵引褶皱、对冲式构造、冲起构造、叠瓦状构造、地堑、地垒、阶梯状断层、正花状构造、羽状雁列式构造9个亚类型; 构造组合分析表明, F₁₇断层除逆冲活动之外, 还存在显著的平移活动。矿井构造可划分为5期, 从早到晚分别为: 轴向NNE的冯家向斜、近NS向逆断层、NNE向逆-左行平移断层及NE向逆断层、近NS向正断层、NE向正断层。矿井内第1, 2期缩短构造分别是印支期华北克拉通与华南板块汇聚过程中的前陆变形及随后陆-陆碰撞造山变形的影响结果; 第3期压扭性构造与西太平洋区伊泽奈崎板块早白垩世初向东亚大陆边缘快速斜向俯冲有关; 第4, 5期伸展构造则是早白垩世以来中国东部强烈伸展背景下发育而成。

在碳达峰、碳中和目标背景下, 二氧化碳驱油与封存是经济可行的碳减排的主要技术手段。明确影响二氧化碳驱油与封存效果的主控因素, 是实现二氧化碳高效驱油与封存的基础。在行业标准算例PUNQ-S3模型的基础上, 综合考虑二氧化碳与原油混相作用和二氧化碳构造、残余、溶解、矿化封存机理, 构建了二氧化碳提高原油采收率与地质封存一体化数值模拟模型, 结合随机森林智能算法, 开展了影响二氧化碳驱产油量和封存量的储层和生产参数特征重要性分析, 考虑驱油与封存时间尺度的差异, 建立了参数时序特征重要性分析方法, 实现了在不同二氧化碳驱油与封存阶段的主控因素分析。结果表明, 二氧化碳驱油与封存时序随机森林模型准确性高, 在二氧化碳驱油与封存前期, 二氧化碳构造封存量受储层含水饱和度控制, 溶解封存量受地层水矿化度控制; 在二氧化碳驱油与封存中、后期, 二氧化碳构造封存量则受储层渗透率控制, 溶解封存量则受储层渗透率与地层水矿化度控制; 残余封存量在二氧化碳驱油与封存前期较小, 导致其主控因素不明显, 在二氧化碳驱油与封存中后期受储层渗透率与含水饱和度控制; 二氧化碳矿化封存量在整个二氧化碳驱油与封存阶段受地层水pH值与矿化度控制; 二氧化碳驱油量在整个二氧化碳驱油与封存阶段受储层渗透率及含水饱和度控制。时序随机森林算法可以明确不同二氧化碳驱油与封存阶段的主控因素, 为二氧化碳提高原油采收率和地质封存的高效实施提供了技术支撑。

裂缝方解石脉是构造成岩作用的产物, 记录了裂缝开启和流体活动的信息。基于岩石薄片观察、阴极发光和U-Pb同位素定年在厘清苏北盆地黄桥地区三叠系青龙组碳酸盐岩中方解石脉发育期次和形成时间, 通过稀土元素特征, C、O、Sr同位素特征综合分析了方解石脉体成脉流体来源。结果表明: 黄桥地区青龙组发育4期方解石脉体, 4期方解石脉体形成时间分别为(115.30±0.42), (97.03±0.43), (85.29±0.25), (45.5±19.0) Ma。第1和第2期方解石成脉流体分别来源于深部热液流体和大气淡水以及海水的混合流体。第3期方解石成脉流体来源于同层地层水和深部壳源热液流体的混合流体。第4期成脉流体来源于同层地层水和深部幔源热液流体的混合流体。苏北盆地黄桥地区三叠系青龙组碳酸盐岩储层中4期脉体的形成时间与不同期次构造活动具有对应关系, 表明构造活动对流体活动的控制作用。储层中3期深部热液流体的注入是因为构造活动导致深大断裂沟通深部流体而注入到储层中的结果, 多期的深部热液流体活动可能指示了黄桥地区三叠系青龙组储层具有多期油气成藏的特征。

自2020年开始, 随着准噶尔盆地吉木萨尔凹陷双吉构造带的研究深入、萨探1井在二叠系井井子沟组试油获得高产油流, 表明了吉木萨尔凹陷、吉南凹陷具有良好的常规油气勘探潜力。为深入研究吉木萨尔凹陷和吉南凹陷的地质特征及勘探潜力, 综合岩心、录井、测井和地震等资料, 通过识别区域不整合面, 划分出不同构造阶段, 得到构造与地层演化的关系。在此基础上恢复各地层发育过程, 建立构造与研究区内隆凹演化的耦合关系, 对原型盆地进行恢复。研究表明, 吉木萨尔及吉南凹陷发育5个区域大型不整合面, 经历了4幕构造活动。研究区地层演化特征从"北高南低"(早二叠世)发展为"南高北低"(古近纪、新近纪)。原型盆地也由早二叠世的"多凸多凹" 格局, 在古近纪、新近纪时期转变为"少凸大凹"的构造格局。构造与隆凹演化耦合关系的确立及各时期原型盆地的恢复为厘清吉木萨尔凹陷、吉南凹陷不同时期的盆地特征奠定了重要基础, 有助于深化吉木萨尔凹陷、吉南凹陷的油气勘探工作。

四川盆地自贡地区二叠系茅口组海相碳酸盐岩储层裂缝普遍发育, 对储层的储集性能、渗流规律和油气富集具有重要影响。综合利用岩心、薄片、成像测井及分析测试等资料, 明确裂缝成因类型及发育特征, 分析裂缝形成时间, 确定裂缝形成期次。结果表明: 自贡地区茅口组海相碳酸盐岩储层发育构造剪切裂缝、构造张性裂缝、水平层理缝和成岩缝合线; 构造剪切裂缝为茅口组储层主要裂缝类型, 以NEE和NNE走向为主, 裂缝倾角介于20°~80°, 延伸长度小于60 cm, 充填程度较低, 有效性较好; 结合分析测试资料确定自贡地区茅口组储层裂缝形成于3期构造运动: 第1期为海西晚期-印支早期, 在华南板块顺时针运动派生的SW向应力作用下, 发育少量剪切裂缝, 裂缝多被矿物充填, 属于裂缝次要发育时期; 第2期形成于燕山晚期-喜山早期, 在江南雪峰隆起产生的NW向应力作用下发育大量构造裂缝, 是研究区裂缝主要形成时期; 第3期为喜山晚期, 裂缝形成于印度洋板块碰撞产生的NEE向挤压应力下, 且裂缝多无充填, 有效性较好。通过上述裂缝相关研究, 为研究区有利勘探区带确立提供了依据。

滑坡易发性评价是滑坡灾害防治的重要手段之一, 而不合理的滑坡负样本会影响滑坡易发性评价, 从而影响到滑坡灾害的防治, 因此提供一种合理的负样本选取方法变得尤为关键。以西藏米林市的古滑坡为例, 选择高程、坡度、坡向、坡位、距道路距离、距断层距离、距水系距离、地形起伏度、地层岩性、土地利用类型10类环境因子, 使用Relief算法计算环境因子的贡献值并依据贡献值优化选择环境因子; 基于环境因子优化的目标空间外向化采样法(target space exteriorization sampling, 简称TSES)选择负样本, 作为性能优异的随机森林模型的输入变量; 之后结合优化的环境因子和正或负样本预测米林市的滑坡易发性, 并用混淆矩阵和ROC曲线评价构建模型的性能。为检验环境因子优化的TSES法的有效性和先进性, 采用耦合信息量法和TSES法选择滑坡负样本并构建随机森林模型, 与环境因子优化的TSES法构建的随机森林模型进行对比研究。结果表明, 环境因子优化的TSES法构建的随机森林模型的评价效果较好, 其ACC为93.7%、AUC为0.987, 均高于耦合信息量、TSES法构成的模型。环境因子优化的TSES法能够提高模型的精度, 解决多因子作为约束条件取样中因子选取的问题, 为滑坡易发性评价采集负样本提供了新的思路。

孕镶金刚石钻头广泛应用于各种硬岩钻进, 尤其是深部硬岩钻探钻井的工程实践活动中, 其碎岩机制表现为金属胎体包裹的金刚石出刃后压入、刻划和破碎岩石。金刚石钻头的磨损形式反映了孔底钻头-岩石的相互作用过程, 以及磨粒(包括岩屑、胎体碎屑和金刚石碎屑等)在孔底的存在状态, 它决定了金刚石钻头的钻进效率和使用寿命。目前关于孕镶金刚石钻头磨损理论、方法的研究大部分属于定性判断, 且常局限于区域特殊情况, 无法形成统一或可借鉴的实用指导体系。以地质钻探领域的孕镶金刚石钻头磨损相关研究文献为主, 讨论了孕镶金刚石钻头磨损的研究现状。首先结合地质钻探工业实践和行业规程归纳了钻头的非正常磨损类型, 然后从磨损图像、钻进信号2个方面介绍了钻头磨损评价方法, 从钻头整体、金刚石和金属胎体3个方面梳理了钻头钻进过程磨损机理与影响因素, 另外列举了主流的钻头磨损性能调控方法, 介绍了磨损分析方程的研究进展, 并探讨了机器学习方法如何辅助钻头磨损研究。孕镶金刚石钻头在深部硬岩钻探中有极大的潜力, 而其磨损性能是决定其最终使用效果的关键。为此, 对人工智能方法辅助数据分析、微观尺度计算模拟、增材制造和材料处理改性等研究方向进行了分析展望, 探索先进的金刚石钻头的磨损监测分析和调控方法, 以期满足地质深部钻探和地外星系钻探等远程监控钻进的需求。

降雨致灾是陕北黄土斜坡最常见的灾害之一, 揭示降雨对黄土斜坡稳定性影响特征有利于预防滑坡灾害的发生。通过一系列室内试验研究了降雨条件下陕北Q₂黄土的力学特性变化特征, 并结合数值模拟分析了其对陕北黄土斜坡稳定性的影响。首先设计干湿循环试验(循环路径和次数)以模拟降雨条件(如强度、频次等); 其次通过三轴剪切试验获取陕北Q₂黄土的力学性质的变化规律; 最后以陕北地区某黄土斜坡为例, 利用有限元计算并分析不同降雨条件下斜坡安全系数和塑性区的变化特征。结果表明: (1)干湿循环作用后Q₂黄土的抗剪强度存在非线性劣化特征。当干湿循环次数超过一定范围后, 黄土物理力学性质参数劣化的边际效应减弱, 并趋于稳定。(2)降雨作用下黄土斜坡的稳定性呈现出随着降雨频次或降雨强度的增加而降低的趋势。(3)Q₂黄土斜坡的塑性区范围随着Q₂黄土力学性能的不断劣化而增大, 体现了降雨条件对黄土斜坡稳定性影响的非线性特征。研究结果为降雨型滑坡预防提供参考。

为揭示四川省泸定县新华滑坡在水库蓄水、库水位波动以及季节性降雨综合作用下的变形演化规律, 探讨其在多因素耦合作用下滑坡岩土体强度劣化的渐进累积效应。基于对水电工程库区新华滑坡的现场调查及多源长序列监测数据分析, 并结合滑坡累计位移-时间S-t曲线3阶段演化特征与新华滑坡实测S-t曲线, 对该滑坡3个阶跃性变形周期的演化阶段进行了判识与划分, 同时采用改进的切线角方法进行了计算与分析, 构建了以改进切线角预警阈值为依据的新华滑坡分级预警定量划分标准。研究结果表明, 水库蓄水初期水位的短期大幅度上升、水库运行期的水位快速下降及季节性强降雨影响是新华滑坡变形加速的主要诱因。根据分析与探讨, 改进切线角预警阈值能在一定程度上为辨别新华滑坡现阶段的稳定状态与潜在风险提供指导, 但仍应考虑多重预警指标并综合滑坡体宏观变形破坏迹象进行判定。

贵州省位于我国西南地区, 多山地丘陵, 是典型的喀斯特地形地貌区, 崩塌、滑坡等地质灾害频发。思南县小屯岩崩塌带上现存危岩体方量大, 裂隙、凹岩腔、溶蚀孔洞等发育。为研究岩溶典型区崩塌落石被动防护网失效概率, 通过高精度实景建模技术, 构建崩塌带三维模型, 进行崩塌落石运动过程模拟, 根据现场调查、无人机航拍和数值模拟结果, 选择合适的位置布设落石被动防护网。基于落石粒径大小识别, 选取不同粒径大小的落石, 进行落石被动防护网拦截效果模拟, 计算落石被动防护网失效概率。结果表明: 13种粒径落石突破概率各不相同, (0.25, 2.25] m粒径落石拦截效果良好, 但落石被动防护网拦截率不能达到百分之百; 落石粒径大于2.25 m, 被动防护网出现失效现象, 故将2.25 m粒径的落石为小屯岩崩塌带下被动防护网的设计上限。根据计算, 所有粒径落石经被动防护网拦截后的失效概率低于5%, 属可接受范畴。研究成果为小屯岩崩塌带的落石防护措施提供了有力的参考依据, 对保护岩溶地区山区人民的生命安全和财产安全具有重要意义。

强震诱发的滑坡具有数量多、分布广、规模大等特点, 严重威胁人民生命财产安全。滑坡易发性评价能够快速预测灾害空间分布, 对于减轻震后灾害的危险性具有重要意义。在同震滑坡易发性评价研究中, 如何选取滑坡负样本并通过耦合机器学习模型提高评价精度的对比研究仍需进一步研究。以山区汶川地震诱发的滑坡为研究区, 首先选取地形地貌、地质环境、地震参数等10个滑坡评价因子, 分析滑坡空间分布规律; 其次因子共线性分析检验数据冗余, 接下来采用频率比法(FR)选取极低、低易发区滑坡负样本点的采样策略; 最后采用基于决策树演化改进的梯度提升决策树(GBDT)、随机森林(RF)和耦合模型(FR-GBD与FR-RF), 开展了基于机器学习的同震滑坡易发性区划并进行精度评价。研究结果表明: ①滑坡空间分布受到多层级因子控制; ②模型预测精度为: FR-RF(AUC=0.943) >FR-GBDT(AUC=0.926)>RF(AUC=0.901)>GBDT(AUC=0.856);③在低易发区选择滑坡负样本可以明显提高易发性精度。研究成果可为滑坡易发性中负样本的选择和评价模型构建提供参考同时也为震后滑坡的防灾减灾提供理论支持。

古滑坡堆积体复活是我国青藏高原及周边地区的主要地质灾害类型之一, 也是我国西部正在建设的重大交通和水利工程面临的主要安全威胁之一。因此, 对古滑坡的形成演化机理进行研究并对其堆积体进行稳定性评价, 显得极为重要, 可以为古滑坡堆积体复活的早期识别与防治设计提供理论支持。甘肃省舟曲县江顶崖古滑坡堆积体近十年来数次局部复活形成滑坡堵塞白龙江, 对当地人民的生命财产安全造成严重威胁。通过现场调查和无人机倾斜摄影等手段, 查明了江顶崖古滑坡堆积体的形态和结构特征, 在此基础上分析了滑坡的演化机理和动力学过程, 再结合InSAR变形数据对堆积体的稳定性进行了定性评价。结果显示, 江顶崖古滑坡是典型的大型地震滑坡, 其滑体沿3个方向坐落式下滑, 形成了如今多级台阶状的堆积体形态; 在地震荷载作用下古滑坡的动力学过程可分为中上部震动-拉裂、前缘锁固段剪断-滑坡启动、后缘拉裂-滑体加速、前缘受阻-滑体减速、稳定阶段。由于古滑坡在地震荷载作用下整体下滑, 导致上部堆积体内存在大量结构完整的岩体, 因此较为稳定; 而中下部堆积体大都为断层破碎带和破碎岩体组成的软弱结构, 稳定性较差, 未来极有可能复活。

含软弱夹层的顺层深路堑边坡在边坡工程中普遍存在, 滑带土强度和基底预留厚度(开挖边坡基底到软弱夹层的距离)是影响其稳定性的2个关键性因素。以杨宣(杨柳-宣城)高速K42路堑边坡为例, 分析了边坡变形演化过程和基底隆起变形特征, 通过适合研究大剪切位移下土体抗剪强度的环剪试验揭示了边坡深部滑带土的特性, 应用滑带土的饱和残余强度参数进行了边坡开挖基底预留厚度分析。结果表明: K42滑带土有明显的应变软化特性, 且法向应力越小滑带土应变软化特性表现越明显; 由峰值抗剪强度到残余抗剪强度, 黏聚力和内摩擦角均表现出衰减效应, 且黏聚力衰减程度大于内摩擦角; 滑带土残余抗剪强度参数中的残余黏聚力随剪切速率的变化很小, 而残余内摩擦角和剪切速率呈对数函数φ=0.130 3lnv+7.319 7关系变化, 当剪切速率 < 2 mm/min时, 滑带土残余抗剪强度参数对剪切速率较为敏感, 反之敏感性较差; 最后, 依据边坡不同临界状态的回归方程h₁、h₂、h₃将不同坡率下的基底预留厚度分成A(失稳)、B(欠稳定)、C(基本稳定)以及D(稳定)4个区, 并且在此基础上建立了基底预留厚度判据和边坡开挖基底预留厚度预警模型。

地下环境中流固间的反应溶质运移过程控制着地质介质演化规律, 并受岩石固有非均质性的影响, 衍生出非线性行为与多尺度效应。为了面向更为复杂化的应用需求, 解析微观特征与表观行为间的响应-反馈机制成为了重要的科学与工程命题。本研究系统地介绍了微观连续介质概念与模型框架, 以及该模型方法的实现方式, 并归纳了其在不同研究体系中的应用实例, 最后重点分析了该方法在实验-数值联合研究中的发展前景与预期挑战。数值模拟方法已被广泛应用于反应溶质运移过程的定量研究之中, 但单一孔隙或达西尺度数值模型难以应对机理研究与实例应用间的时空尺度跨度。近年来多尺度数值模拟方法体系不断发展, 其中将Darcy-Brinkman-Stokes方程作为多流态数学统一表达, 以微观连续介质模型作为多尺度信息关联方式的数值模拟框架, 在流固界面追踪、高效数值求解等方面展现出一定的方法优势与应用潜力。

滇中地区构造复杂、岩溶发育, 隧洞突涌水及泉流量衰减是隧洞施工过程中最棘手的问题之一。锰矿沟岩溶水系统岩溶管道化程度高, 岩溶裂隙与岩溶管道2种含水介质差异显著。采用MODFLOW-CFPv2双重介质数值模型对锰矿沟岩溶水系统展开数值模拟研究, 精细刻画岩溶管道与引水隧洞, 进而掌握隧洞施工对地下水流场影响以及泉流量变化的规律。结果表明: (1)MODFLOW-CFPv2模型能够刻画岩溶地区复杂的地质结构, 较好地模拟研究区地下水位的动态特征和岩溶泉流量响应特征。(2)在强排工况下隧洞单位长度最大涌水量为164 m³/(d·m), 单位长度稳定涌水量为69 m³/(d·m), 锰矿沟岩溶泉流量也出现显著下降的趋势, 在模拟期内平均泉流量从天然条件下1 578 L/s下降至1 098 L/s, 总体减少了30.4%;峰值泉流量从2 133 L/s下降至1 375 L/s, 减少了35.5%, 强排工况施工会对隧洞工程施工和地下水环境造成显著影响; 限排工况下隧洞单位长度最大涌水量为39 m³/(d·m), 单位长度稳定涌水量为24 m³/(d·m), 隧洞单位长度涌水量显著降低, 锰矿沟岩溶泉流量的下降趋势也得到了一定程度的改善, 模拟期内平均泉流量降低至1 284 L/s, 减少了18.6%, 峰值泉流量降低至1 617 L/s, 减少了22.1%。采用的MODFLOW-CFPv2双重介质模型具有较精确刻画岩溶区管道、溶洞、裂隙共存的高度非均质岩溶水系统的能力, 能够定量评价香炉山隧洞施工对锰矿沟岩溶水系统地下水流场及泉流量的影响, 为香炉山隧洞工程的突涌水灾害防治提供参考依据, 也为岩溶地区复杂地质条件下地下水研究提供借鉴经验。

岩溶区特殊的地形地貌, 使得地表环境中的有机氯农药(OCPs)很容易进入地下环境, 对地下水的安全构成威胁。采用气相色谱-电子捕获检测器(GC-ECD)对湖北秭归鱼泉洞泉域系统中的典型OCPs——六六六(HCHs)和滴滴涕(DDTs)进行了检测, 探究了其时空分布特征、潜在污染来源和迁移特征。结果表明: 水体中HCHs质量浓度范围为0.09~5.17 ng/L, 土壤和泉沉积物中HCHs质量分数范围分别为0.36~3.67, 0.11~2.53 ng/g; 水体中DDTs质量浓度范围为0.13~7.16 ng/L, 土壤和泉沉积物中DDTs质量分数范围分别为0.22~19.13, 0.73~11.53 ng/g, 呈现出以DDTs为主的污染特征。水体中HCHs和DDTs质量浓度在冬季最高; 土壤中HCHs和DDTs质量分数分别在夏季和冬季达到最高; 泉沉积物中HCHs和DDTs质量分数分别在夏季和春季达到峰值。特征比值结果显示, 水体、土壤和泉沉积物中HCHs主要源于林丹的使用; 水体中DDTs主要源于历史残留, 而土壤和泉沉积物中DDTs主要来源于近期使用。相关性分析结果表明, HCHs和DDTs可从补给区地表水和补给区土壤分别向排泄区泉水和泉沉积物中迁移。HCHs和DDTs在介质中的快速迁移证实了岩溶区地下水的脆弱性。本研究成果可以为岩溶地下水资源和环境的保护提供参考。

为了系统梳理成像测井解释评价存在的问题并拓展其在地质与工程领域中的应用范围, 首先回顾了成像测井采集系列的发展历程及资料处理步骤与解释流程, 然后提出了"四个层次"为约束(图像直接解释、常规测井约束、岩心约束以及地质理论约束)的成像测井精细解释方法。成像测井相模式可划分出具有地质意义的块状、条带状、线状、斑状、杂乱、递变模式和对称沟槽状模式七大类。成像测井可用于岩心定向、地层产状获取、裂缝评价、断层性质分析、地应力方向判别、沉积特征拾取以及古水流方向判别等领域中。通过阿尔奇公式反算, 成像测井数据矩阵可以生成孔隙度频谱以及视地层水电阻率谱, 并可分别运用于储层质量评价以及流体性质识别。成像测井切片处理可凸显沉积纹层等信息, 可实现细粒沉积岩纹层结构拾取及非常规油气储层高分辨率测井评价。Poro Tex图像结构分析技术可用于拾取孔洞缝等储集空间特征, 并定量计算孔隙度和裂缝孔隙度等参数, 因此被广泛运用至非均质性较强的碳酸盐岩储层测井综合评价工作中。研究成果可规避成像测井解释中的误区同时可扩展成像测井应用领域。

在地热探测中, 黏土盖层作为水热型地热系统的典型标志, 其埋藏深度及分布范围可为圈定地热资源的范围及确定地热钻井位置提供重要依据。黏土盖层通常由水热作用所形成的黏土层所构成, 表现为低阻特征, 利用音频大地电磁法可以对低阻盖层有效成像。为了获得黏土盖层位置分布及成像结果的不确定性信息, 采用一维变维度贝叶斯反演方法, 利用音频大地电磁数据对地热区低阻盖层的探测能力进行研究。首先进行模型试验, 建立一个典型地热系统的地电模型, 利用一维变维度贝叶斯算法对合成数据进行反演, 获得地下电性结构和界面位置不确定性信息。接着将其应用于山西阳高地热区一条实测音频大地电磁数据处理。模型试验发现该方法对低阻黏土盖层具有较为准确的识别能力, 所获得的低阻盖层上、下界面不确定分析的结果也较为可靠。实测数据试验发现, 该方法对浅层低阻盖层具有较好的识别能力, 并可以给出盖层界面位置的不确定性评价。该测线的二维非线性共轭梯度反演结果验证了一维贝叶斯反演的可靠性。该方法对浅层地热黏土盖层具有较准确的成像能力和不确定性分析能力, 在地热探测中具有较强的应用前景。

目标矿物嵌布粒度是指目标矿物在矿石中的粒度大小和分布情况, 直接影响着选矿工艺的设计和效果。因此, 目标矿物嵌布粒度测量是工艺矿物学研究中的重要任务之一。在传统工艺矿物学研究中, 主要利用偏光显微镜对矿石样品进行观察分析的方法, 普遍存在处理时间长、结果易受人为主观影响、难以实现自动化和大规模应用等问题。为克服传统方法的局限性, 提出一种基于深度学习的金属矿物镜下嵌布粒度检测方法。以河北省唐山市水厂磁铁矿矿石标本为对象, 在偏光显微镜的反射光条件下进行拍摄, 制作数据集, 利用Deeplabv3+网络设计了矿物识别网络模型, 实现对目标金属矿物的自动化特征提取和智能识别, 并生成目的金属矿物的二值化图像, 从而实现对目的金属矿物的分割; 最后, 结合最大Feret直径完成目的金属矿物嵌布粒度分析测量工作。相较于传统的人工镜下测量方法, 基于深度学习的图像测量在矿物颗粒分析中的应用, 在测量相同矿物颗粒的情境下, 处理速度提高了约119.8倍, 同时测量精度提升了约169.5倍, 揭示了其在处理效率和测量精度上的显著优势。基于深度学习的金属矿物镜下嵌布粒度检测方法显著缩短了矿物镜下嵌布粒度的检测时间并提升了检测精度, 同时可消除人为主观因素的影响, 对于促进工艺矿物学智能化发展有重要意义。