氦气作为一种具有重要战略意义的稀有气体,在航空航天、低温超导、核磁共振成像等众多高端领域发挥着不可或缺的作用。随着全球氦气需求的不断攀升,氦气资源的有效勘探与储存成为亟待解决的关键问题。层状盐岩凭借其优异的密封性、低渗透性以及良好的力学稳定性,被视为理想的氦气地下储存介质。然而,层状盐岩独特的层理结构使得氦气扩散过程呈现出复杂的特性,深入研究层状盐岩氦气扩散机理,对于保障氦气储存安全、提高氦气资源利用效率具有重要的理论和现实意义。 本研究以层状盐岩为研究对象,旨在系统探究氦气的扩散机理。研究首对采集的层状盐岩样品进行扫描电镜SEM)实验,清晰观察层状盐岩的微观结构特征,包括矿物组成、层理构造、孔隙分布等信息。结果显示,层状盐岩主要由石盐、石膏、泥质矿物等组成,其层理结构清晰,不同矿物层的孔隙大小和连通性存在显著差异,层状盐岩微观结构特征显示出,层状盐岩界面结构可能是氦气扩散潜在通道。同时利用气-固耦合实验装置定量分析层状盐岩细观结构损伤演化特征。结果表明,随着气压和含泥量的逐渐增加,层状盐岩损伤区域主要集中在界面和杂质区域。微观层面,界面与泥质区域的孔隙结构是扩散通道的基础,含泥量通过影响孔隙发育程度调控扩散速率;宏观层面,气-固耦合作用下界面应力集中与孔隙压力变化共同驱动渗流通道形成,盐-泥夹层的力学弱质性使其成为损伤起始区域。 在实验研究方面,设计并搭建了高精度的氦气扩散实验装置,采用稳态扩散实验方法,对不同含泥量下的层状盐岩样品进行氦气扩散实验。实验过程中,实时监测氦气在层状盐岩样品中的扩散通量、浓度分布等数据。通过改变层状盐岩样品的含泥量,深入研究层理结构对氦气扩散的影响。实验结果表明,层状盐岩的各向异性对氦气扩散具有显著影响,当含泥量逐渐增加时,其扩散速率明显高于低含泥量扩散速率。进一步结合理论分析与数值模拟,基于扩散传质理论,建立适用于层状盐氦气扩散的数学模型。通过引入反映泥岩含量特征的参数,对模型进行优化,使其能够更准确地描述氦气在层状盐岩中的扩散行为。利用数值模拟手段,模拟氦气在盐腔中的扩散过程,含泥量的变化对氦气扩散的影响较为复杂,在一定范围内,压力的增加会使层状盐岩的孔隙结构发生变化,导致氦气扩散路径的改变,进而影响扩散速率。 本研究通过实验研究、理论分析和数值模拟相结合的方法,全面系统地揭示了层状盐岩氦气扩散机理。研究成果为层状盐岩作为氦气储存介质的可行性评估提供了重要的理论依据,为氦气地下储存库的设计、建设和运营管理提供了关键的技术支持。未来,随着研究的不断深入,还需进一步考虑实际地质条件下的复杂因素,如地下水流动、长期时效作用等对层状盐岩氦气扩散的影响,以完善层状盐岩氦气扩散理论,为保障国家氦气资源安全做出更大贡献。 该论文由图67幅,表8个,参考文献141篇。