基本原理与技术路线

主要内容及技术路线~

本书的主要内容包括六个方面。
（1）毛乌素沙漠自然地理及地质环境条件研究
通过资料调研和野外考察，对毛乌素沙漠地区的自然地理环境、大气运动及气候特征、降雨特征、地质构造环境、地貌环境、地层环境和水文水资源等地质环境条件进行全面总结研究，在此基础上总结分析各种沙漠地貌单元的形成条件、分布状况及演化规律。
（2）毛乌素沙漠风积砂基本物理力学特性试验研究
根据野外采集的大量试样，通过一系列试验和测试手段，对毛乌素沙漠风积砂物理化学基本性质进行研究；同时，对不同密度条件下土水特征曲线的滞回特性及其变化趋势进行研究，并对毛乌素沙漠风积砂的渗透性进行测定，借以研究渗透系数与密度的变化关系，以便为有限元数值模拟计算提供相关计算参数。通过野外取样和大量室内外试验，开展毛乌素沙漠风积砂级配特点、微结构、密度、含水量等物理特性研究，通过直剪试验、三轴剪切试验，研究具有不同物理特性的沙漠砂压缩特性、击实特性、强度特性等基本岩土力学性质。
（3）毛乌素沙漠风积砂应力路径力学试验与D C模型、剑桥模型参数研究
对不同应力路径下风积砂的应力应变关系进行三轴试验和模型研究。首先研究常规应力路径应力-应变-强度关系，然后通过改进常规三轴试验设备以实现三轴拉伸应力路径试验，并对该应力路径下应力-应变-强度关系进行研究，最后通过相关试验数据确定DC非线弹性本构模型和剑桥本构模型的相关参数，为基于这两种工程应用较为广泛的本构模型的工程数值计算提供相关参数。
（4）基于状态的毛乌素沙漠风积砂弹塑性本构模型与三轴试验模拟研究
开展毛乌素砂基于状态的弹塑性本构及其相关的本构参数研究。从砂土的变形特性入手，首先研究毛乌素沙漠风积砂的状态，同时确定相关模型参数，然后围绕基于状态的砂土剪胀本构模型理论验证相关的本构模型。以毛乌素沙漠风积砂在不同应力路径下的三轴试验结果为基础，模拟风积砂在不同应力路径下的变形特性，并与试验结果进行比较，以探讨不同应力路径状态下该模型的适用性以及存在的问题。
（5）毛乌素沙漠风积砂地基动力特性研究
在固结不排水（CU）和固结排水（CD）动三轴试验基础上，对毛乌素沙漠风积砂的动力特性进行研究。分析相关动力参数和动强度特性及其影响因素，在此基础上建立毛乌素沙漠风积砂的等效黏弹性本构和残余应变模型，获取等效强度参数，并在此基础上建立等效摩尔库仑强度判据。为毛乌素沙漠风积砂地基在动荷载作用下的变形、强度计算和场地液化势判别提供试验和理论依据以及可供工程直接应用的模型和参数。
（6）毛乌素沙漠风积砂地层桩体复合地基承载力试验研究
开展沙漠风积砂的地基承载力试验工作，研究典型沙漠风积砂地基的持力特性；开展风积砂地层碎石桩、砂桩及水泥搅拌桩桩体及复合地基的极限承载力原位载荷试验等工作，同时研究桩体复合地基桩土荷载分担特性及单桩有效桩长，为毛乌素沙漠风积砂地基的设计和施工实践提供可以参考的依据。
研究的技术路线框图如图1.3所示。

图1.3 研究技术路线

主要采用环境地球化学研究中的“调查取样—分析测试—对照比较—综合评价”的方法。
首先对区内钻孔岩心及地表第四纪地层和文化层剖面进行野外观察研究和系统采样，然后通过14C、ESR等多种年代学手段，建立年代地层序列；再对其进行地球化学参数（常量和微量元素含量）、有机质含量、植物孢粉或硅酸体、矿物学、土壤粒度组成特征、磁学参数等多指标进行分析测定；通过统计计算、图形对比和综合分析，确定不同时代不同成因各种第四纪环境介质的多参数特征；通过采用相关分析、因子分析和聚类分析等多元统计学方法研究元素的组合特征及元素与其他环境参数的关系；在多元统计分析、地球化学分析及孢粉学研究等相关的综合分析的基础上，构建并相互验证地球化学环境评价的指标参数，如元素对比值、因子计量等，并对指标的时空变化规律进行统计和作图分析；通过采用有序样品最优分割、聚类分析等，对样品进行分类，将沉（堆）积的自然和文化地层划分为若干个代表气候环境、沉积环境、地球化学环境及人类生活环境演替的阶段；通过采用时域和频域等各种时间序列分析法，研究沉（堆）积层环境参数变化的趋势性和周期性，划分地球化学环境变化旋回，并与我国北方黄土系列、南方红土剖面及其他全球环境变化记录进行对比，验证和查明本区域环境变化与全球环境变化之间的耦合关系，建立起地球化学环境指标时间变化的ARIMA模型（Autoregressive Integrated Moving Av-erage 模型），预测未来的变化趋势。具体技术路线见图1-1。
第四纪红土分为洞庭湖平原区和周边岗地区（含长株潭地区），对两部分进行剖面采样研究。钻探工作则分别在湘江流域的长沙城集区与下游工业发达区、澧水流域下游澧阳平原的农耕史悠久区、安乡以长江源为主的冲湖积区和东洞庭湖区的南与北部综合因素区各施工1个钻孔，孔深主要以揭穿更新统上部为目标。文化层采样剖面主要分布于农业史悠久、考古资料丰富、序列清晰完整的澧阳平原和长沙古城区。
本书把第四纪红土作为一个地质体（而不是土壤体），从地质地球化学角度，区域性与局部性结合进行研究。研究中充分利用采石场、公路割切的山坡以及某些天然冲沟进行剖面观察和采样，在样品采取和加工中剔除砾石等明显不能代表地球化学特征的杂物。对剖面上岩石的结构构造，如颗粒成分和结构形态等的区域变化规律进行地层学对比研究，并结合ESR测年等方法，建立本区第四纪红土的时间序列，为探讨第四纪红土中化学元素的时空分布规律提供地质基础。本研究调查采样的剖面在时代上基本可代表洞庭湖平原及湘江中下游不同地区更新世的第四纪红土状况；地貌上为侵蚀、切割程度不等的丘陵、岗地区，反映了洞庭湖地区及湘江中下游第四纪红土的地貌概貌；垂向上按层次和岩性系统采不同时代的红土样品，因而有一定代表性。

图1-1 洞庭湖区第四纪环境地球化学研究技术路线图

需要说明的是，由于成土作用在空间上的叠加，表现为重叠剖面；主要化学组分的迁移与再沉积的复杂性，标志环境变化的元素或矿物向下或剖面外的转移；剥蚀速度因地貌而异，有时风化与剥蚀同时进行，致使风化产物多处于红土化剖面发育的初始阶段；以及不同时代的红土分布在不同的地形部位，找不到序列完整的剖面，不像北方的风成黄土可以顺序层层叠压形成完整的剖面，给我们的研究增加了难度。要探讨元素的活动行为、分布规律，不能不考虑岩石及风化产物的体积变化，但由于剥蚀、体积质量或相对密度的不稳定性，所进行的探讨也只能是半定量定性的。好在这并不影响我们对于红土地球化学方面主要问题的探讨。

油藏的分隔性与连通性的研究已成为油藏评价的重要内容，可为油田开发生产及二次、三次采油方案的制订提供有关信息。虽然油藏地球化学方法对于评价油藏内流体连通性具有快捷、简便、费用低等优点，特别是原油全烃色谱指纹分析技术应用于油藏连通性的研究在1994年就有报道，但该方法并没有像油藏描述等开发地质方法那样被广泛在石油公司内应用。究其原因可能是该方法使用时比较繁琐且只适用于少数原油样品。原油全烃色谱指纹分析技术基本依据是来自于不同储层的原油，或来自于一个岩性连续由于相变等原因而形成的非渗透性分隔作用的储层的石油，其石油的全烃色谱特征存在明显差异，而来自于一个连通储层的石油，其石油的全烃气相色谱指纹特征一致。该研究方法是对原油及各个组分进行气相色谱分析，按一定的原则从全烃气相色谱图上固定选择一批配对的相关烃类，计算每对化合物的相对组成（相邻或相近峰峰高或峰面积的比值），采用极坐标方式，绘成表征气相色谱指纹参数分布的星状图，用来区分原油族群，判别油藏流体的连通性。Hwangetal.研究了苏丹Unity油田的石油组成变化、油藏连通性，取得了很好的效果。

通常来自同一油藏的原油全烃色谱图上正构烷烃的分布特征非常相近，只从正构烷烃上很难把它们区分开来，而全烃色谱图上正构烷烃之间的小峰绝大多数为异构体（支链和环状化合物），给出的信息量大，仅C₁₀—C₂₅正构烷烃之间就有上百个化合物，可以把同一油藏不同井或不连通储层原油之间的细微差别区分出来。这些小峰通常为混合物，定性比较困难，而色谱指纹法不需要详细鉴定结果，只需数字标示就可以。

例如从来自柳北沙三³油藏LB1-11井、L17-21井和LB3-9-13井3口井原油的全烃色谱图可见（图4.1），这3 口井原油的正构烷烃分布非常相近，不易把它们区分开。如果把图谱放大（图4.2），在正构烷烃之间的小峰的相对高度则存在比较明显的差异，仅在这3个全烃色谱图上的64和66号小峰，71和73号小峰就有一些差别，峰顶端连线显示则更加明显，显示了前两口井LB1-11 井和L17-21 井原油比较相近，而与第三口井LB3-9-13井原油有所不同。

通常从全烃色谱图上固定选择几个或一批配对的相关烃类（支链和环状化合物小峰），以极坐标方式绘制星状图，可比较直观地显示色谱指纹之间的相似或差异性，从而判断油藏的流体连通性。这种星状图法虽然看上去比较直观，但只适用于选择少数油井原油的色谱指纹对比。

本书以南堡凹陷柳北沙三³油藏为例，对于多油井储层或流体连通性的分析，没有像前人报道的那样从色谱图上固定选择几个相关烃类化合物，而是在nC₁₀—nC₂₅分子碳数范围之间，成对地选取相邻的分辨率较好的所有支链烷烃或环烷烃分子的色谱峰，求取每一对分子峰的峰高或峰面积比值，表征其相对组成，据此可计算出几百对化合物的比值数据（色谱指纹参数数据库）。把每个油样的所有指纹数据作为一个样本，采用聚类分析（ClusterAnalysis）的统计方法，聚类分析是根据事物本身的特性研究个体分类的方法，其原则是同一类中的个体有较大的相似性，不同类中的个体差异很大，即距离最近或最相似的聚为一类，通过分析各个样品之间的相近程度，来区分原油之间的差异，从而判别油藏流体的连通性（图4.3）。这样能够全面真实地反映原油的色谱指纹信息。

图4.1 原油全油气相色谱对比图

图4.2 原油特征气相色谱对比图

图4.3 连通性评价技术路线框图

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