沉积物相组空间分形特征与非线性渗透关联研究

渗透性是地下含水介质最为重要的水文地质要素,受含水介质沉积物物质组成空间变异性影响,存在随机性与层次性的双重性质,依靠常规的抽水试验和参数反演方法,很难获取空间分布状态的渗透性参数。为此，借鉴在参数分布和多孔介质中应用较成熟或新兴的地学统计法、随机理论和分形理论和技术，采用野外调查取样、室内模拟实验、数值模拟等方法，对含水介质沉积物岩相、相组空间特征进行深入研究，由单个岩相与渗透性的空间相关性模型入手，通过转换概率模型，建立相组与渗透性的总体相关性层次随机模型，一方面可以更深入揭示相组的岩性特性是如何影响渗透性整体上空间分布的，另一方面在没有区域性渗透性数据的条件下，可以根据已经掌握的这一区域沉积物的岩相特性，推断二者区域空间相关性，最终确定水文地质参数。这项研究将为缺少实测数据的区域进行渗透性参数预测探索一种新的工作方法与途径。

本次研究在充分调研的基础上，借鉴流体力学的理论，建立了基岩中空隙微观分形特征与宏观渗透性能相关的数学模型，并通过室内室验和野外试验获取的数据对不同尺度下的理论模型进行了验证。选择三个典型矿区（开滦、内蒙、郑州）的基岩地层为研究对象，以钻孔岩芯为获取野外实物资料的手段，对岩芯进行加工处理，获得扫面电镜下观测所需薄片和渗透率测定所需小直径岩芯。小尺度分析：采用数值图像处理技术、分形分析对微观尺度下空隙特征及其分形维数进行了统计与分析，探讨了空隙的分形特性，计算了与分形维数D相关的渗透率，借鉴不等径毛束管模型，建立了砂岩微观空隙结构分形特征与宏观渗透性能相关性理论模型，渗透系数计算公式： ；工作中形成了两套高效处理SEM图像与提取微观特征信息的技术：（1）全部使用MATLAB编程实现对SEM图像的“预处理-二值化处理-孔隙信息统计与计算-计算计盒维数得到孔隙的分形维数”流程；（2）利用图像处理软件“Photoshop+Image-Pro-Plus”结合的手段，Photoshop中调整阀值实现图像二值化处理，Image-Pro-Plus计算孔隙面积与周长等参数，计算数据导出至excel软件中进行统计与分析，绘制面积与周长幂函数形式相关曲线，获取分形维数。中尺度分析：采用HLB系列恒流泵进行渗透率仪器测定（直径2.5cm，长度大于5cm）尺寸圆柱形岩样的渗透率；大尺度分析：野外抽水试验等获取的地层渗透性能参数。在此基础上，探讨了“小-中-大”不同尺度之间渗透性能参数的关联，探讨了从小尺度微观空隙特征推断宏观渗透性能的的可行性。从实验数据来看，有1组数据，效果较好，2组数据误差较大。理论值与实测值之间存在幂函数关系，尤其对于砂岩，拟合效果最好。证明：在适宜地层结构条件下，这种理论设想与技术路线，具有一定的可行性。.为验证这种理论设想与技术路线，在开滦、山东、内蒙桌子山、神东几个矿区的研究实例中，借鉴了这种渗透性能参数获取的技术路线，砂岩层取得了较好的效果，灰岩地层效果不佳。说明，即使能够建立“小-中-大”不同尺度渗透性能关联数学模型，在大尺度水文地质实例应用中，受地质、工程等多种因素的影响，尺度放大过程中误差的变化更复杂，结果就偏离了预想的结果。