岩石微观渗流机理及其仿真模拟研究是当前岩土问题研究的前沿课题之一,对岩体基建工程的正常运行和石油及金属矿山的高效开采具有重要的意义。为了研究低渗透含铀砂岩的微观渗流特性,本文对新疆某低渗透性含铀砂岩开展高压压汞(MIP)、核磁共振(NMR)、X射线衍射分析(XRD)、波长色散衍射(XRF)、能量分散扫描电镜(EDS-SEM)以及不同分辨率的微CT扫描实验,综合分析其孔隙和矿物分布特征。采用基于特征的图像配准方法将不同分辨率的CT图像进行精确匹配,通过对融合不同分辨率岩心扫描图像进行孔隙分割和骨架分割,建立多尺度、多矿物组分的低渗透性含铀砂岩数字岩心。提取数字岩心的连通孔隙进行非结构化体网格划分,借助计算流体动力学(CFD)理论和方法开展低渗透性含铀砂岩孔隙尺度渗流模拟。基于多孔介质三维逾渗理论,构建低渗透性含铀砂岩逾渗模型,分析低渗透含铀砂岩渗流过程中的启动压力。通过上述研究,主要获得了以下结论:(1)本研究中的低渗透含铀砂岩孔喉直径基本分布在50nm-300μm之间。其中,中、小孔喉为主要渗流通道,在很大程度上决定着砂岩的渗透率。微孔喉的渗流能力较小,但所占的孔喉体积较大,对孔隙度和喉道流通能力的影响不容忽视。(2)低渗透含铀砂岩的孔隙类型主要包括粒间孔、溶蚀孔、晶间微孔和微裂缝4种。其中,粒间孔空间尺度相对较大但数量较少;长石颗粒、白云石和粘土矿物等溶蚀产生大量溶蚀孔,发育广泛;晶间微孔主要由粘土矿物形成,通常作为连接其他几种类型孔隙的喉道;微裂缝主要存在于碳酸盐矿物中,使储层孔隙连通性增强,渗透率提高。(3)低渗透性含铀砂岩三维数字岩心的连通性分析显示,粒间孔在孔隙空间中形成主要的渗流通道,次生孔隙与其他孔隙连通性较差。含量较高的粘土矿物和铁白云石胶结物填充在样品的原生和次生孔隙以及喉道中,使得岩心内可动流体的孔隙度显著降低,降低了岩心的整体渗透率。(4)渗流数值模拟结果表明,在低渗透含铀砂岩岩心的大孔喉连通部分形成主流线区域,且流线较为密集。岩心的角隅部分流线未波及,流线较稀疏,是溶浸液反应程度较差的区域。随着压力梯度的增大,渗流流速增加,但渗流路径变化不大,流体的渗流路径依然集中于大孔喉连通部分。(5)低渗透性含铀砂岩的渗流过程具有启动压力梯度,大于启动压力梯度后,流速增长速度逐渐加大,当全部孔隙参与流动后,流速与压力梯度的关系变为直线。由于孔隙结构的复杂性,流速随压力梯度的变化规律有所差异。(6)在逾渗转变之前,含铀砂岩内最大孔隙团的连通、膨胀速度增加,使流体得以汇聚。表现为:在孔隙率小于5%时,含铀砂岩岩心逾渗发生的概率较小;孔隙率在5%~15%之间时,逾渗概率曲线的斜率增加,逾渗发生的概率突然增大;在孔隙率大于15%后,逾渗概率曲线的斜率降低且随孔隙率的增大而线性增加。