一种高压实膨润土中气体突破路径识别与表征方法

本发明涉及高放废物深地质处置，尤其涉及一种高压实膨润土中气体突破路径识别与表征方法。

背景技术：

1、随着核能规模的持续扩张，高水平放射性废物（高放废物）的产生量不断增加。目前国际公认的处置方式为深地质处置，即将高放废物封存于数百至上千米深的稳定地质体中，依托天然屏障与工程屏障实现核素的长期隔离。然而，在地下水作用及处置环境长期演化过程中，高能射线裂解、废物罐体腐蚀、放射性衰变及微生物活动将持续产生h2、he、co2、ch4等气体。当气体压力持续积聚，膨润土工程屏障中可能发生气体突破，严重威胁处置系统的长期密封安全。

2、研究表明，气体吸附可改变膨润土孔隙结构，诱发蒙脱石的跨尺度变形响应，驱动膨润土骨架重排、介孔扩张及连续通道形成，进而促进气体快速迁移，降低突破临界压力。因此，量化气体运移与突破路径演化特征，对于揭示气体吸附引发变形与突破的内在机制至关重要。

3、当前，气体运移与突破路径的识别存在以下问题：h2、co2、ch4及h2o等小分子气体的分子量较小、电子密度低，在x射线微焦点计算机断层扫描（micro-focus computedtomography，μct）成像中衰减系数较弱，难以直接识别其在孔隙中的运移路径；目前增强识别方法存在明显缺陷：一是利用rn等高原子序数惰性气体作为示踪气体，但rn具有放射性和毒性，安全性差；二是向孔隙流体中加入csi等高原子序数溶质，但额外离子的引入可能改变蒙脱石表面电荷环境及层间结构，影响膨润土变形行为的真实性。

4、因此，亟需一种安全、无损、不干扰膨润土结构且能有效识别小分子气体运移路径的方法。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种高压实膨润土中气体突破路径识别与表征方法，以解决目前相关技术中小分子气体难以直接识别、示踪方法安全性差以及干扰试样结构的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供了一种高压实膨润土中气体突破路径识别与表征方法，包括以下步骤：

3、将示踪气体与注入气体混合后通入高压实膨润土试样中，在分级升压条件下进行注气突破试验；所述示踪气体为x射线衰减系数高于注入气体的惰性气体；

4、以固定时间间隔进行多次微焦点计算机断层扫描，获取示踪气体在膨润土孔隙中的空间分布及运移过程；

5、基于示踪气体与水相及固相之间在固定x射线能量下的线性衰减系数差异，通过灰度阈值分割与连通域分析，重建三维气相通道网络与突破前沿位置；

6、基于三维气相通道网络与突破前沿位置提取气体突破路径的几何参数，并结合吸附-变形试验获得的吸附等温线与形变等温线，建立突破压力、突破时间与对应压力条件下的吸附量、形变量之间的经验方程。

7、优选地，所述示踪气体为氙气。氙气（xe）化学性质稳定、无毒无害，相比放射性rn更具实验安全性。

8、优选地，所述注入气体为h2、co2、ch4和水蒸气中的至少一种。

9、优选地，所述几何参数包括：连通度、主通道尺度、曲折度、通道体积、表面积和突破前沿推进距离。

10、优选地，所述高压实膨润土试样为饱和高庙子膨润土，形状为圆柱状，半径为20mm，高度为30mm~100mm。

11、优选地，所述吸附-变形试验与注气突破试验采用相同尺寸的饱和高庙子膨润土试样，且试验条件一致；所述试验条件包括：温度、压力及试样饱和条件。

12、优选地，基于示踪气体与水相及固相之间在固定x射线能量下的线性衰减系数差异，通过灰度阈值分割与连通域分析，重建三维气相通道网络与突破前沿位置的具体内容包括：

13、将进行计算机断层扫描获得的ct切片序列，时序进行三维体数据重建，并对重建后的体数据依次执行束硬化校正、环状伪影校正及中值滤波处理，获得校正后的三维体数据；

14、基于校正后的三维体数据，根据预先测定的膨润土固相、水相及示踪气体在相同扫描条件下的ct灰度值范围，分别建立固相、水相及气相的灰度判别阈值区间，并采用全局阈值与局部自适应阈值相结合的方法，将各体素逐一分类为固相体素、水相体素或气相体素，进而提取全部气相体素，生成仅包含示踪气体分布的三维二值图像；

15、采用26邻域三维连通域标记算法，对三维二值图像中的所有气相体素进行连通性搜索，将彼此具有空间连通关系的气相体素划分至同一连通区域，并计算每一连通区域的体积、质心坐标、最大长度及连通方向，构建当前扫描时刻的三维气相连通域集合；

16、根据相邻扫描时刻之间各连通域的空间重叠率及质心位移，对不同时刻的同一气相连通域进行动态匹配与跟踪，建立各连通域随时间演化的对应关系，从而获得气相从萌生、扩展、汇聚至贯通的完整演化过程；

17、在任一扫描时刻，当某一气相连通域首次由注气端连续延伸贯通至试样的相对侧时，将该连通域判定为突破通道，并采用三维骨架提取算法对所述突破通道进行中心线提取，并将提取得到的中心线确定为该时刻的气体突破路径；

18、沿气体突破路径逐体素计算路径长度、曲折度、平均孔径、局部连通度及分支数量，建立突破路径几何参数数据库，同时根据路径上各体素对应的灰度值变化，确定突破前沿的空间位置；

19、将突破前沿的空间位置定义为突破路径最前端体素的坐标，并根据连续多次扫描的结果，计算突破前沿在不同注气压力及不同时刻下的迁移速度、迁移方向及推进距离，获取突破前沿的时空动态演化规律；

20、将突破路径几何参数、突破前沿迁移规律与对应时刻注气压力、突破时间、吸附量及体积形变量进行关联分析，建立突破路径结构特征与突破压力及突破时间之间的定量对应关系。

21、优选地，所述注气突破试验还包括：

22、在注气突破试验过程中，同步采集试样入口压力、出口压力、气体流量、膨胀应力以及轴向位移或径向位移随时间的变化数据，并依据采集数据建立各监测参数的时间历程曲线；

23、根据入口压力、出口压力及气体流量的时间历程曲线，识别气体首次自试样入口端连续流出至出口端的时刻，将该时刻确定为突破时间，并将该时刻对应的入口压力确定为突破压力；

24、根据突破前后单位时间内气体流量的变化率，计算气体突破速率，并结合突破前沿迁移速度，综合评价气体在膨润土孔隙中的运移过程；

25、根据突破时间所对应的膨胀应力、轴向位移或径向位移数据，计算试样的体积应变或轴向应变，从而确定连续渗流通道形成时所对应的应力状态及变形状态；

26、将突破压力、突破时间、突破速率、体积应变或轴向应变与三维气相通道网络的连通度、曲折度、路径长度及分支数量进行关联分析，建立突破路径结构特征与气体突破行为之间的定量对应关系。

27、优选地，所述高压实膨润土中气体突破路径识别与表征方法，还包括：

28、通过标准多孔介质建立氙气体积分数与线性衰减系数之间的定量标定关系，用于基于定量标定关系，将微焦点计算机断层扫描的图像灰度值映射为孔隙中氙气的体积分数。

29、优选地，所述微焦点计算机断层扫描用于进行相同时间间隔的原位扫描，获取气体在膨润土孔隙中的空间分布及其运移过程，并将氙气作为示踪造影气体掺混于注入气体中。

30、综上所述，本发明提供的一种高压实膨润土中气体突破路径识别与表征方法，相比传统技术，有益效果如下：

31、（1）本发明以x射线衰减系数高于注入气体的惰性气体为示踪气体，使原本难以识别的h2、co2、ch4等气体在μct中清晰成像；且惰性气体，不参与化学反应，不干扰膨润土结构，不会像csi等溶质那样改变蒙脱石表面电荷环境及层间结构，保证了测试结果反映真实变形行为。

32、（2）本发明通过灰度阈值分割、连通域分析和三维重建，可提取连通度、曲折度、通道尺度等多个几何参数，实现了定量化识别，实现了从定性观察到定量分析的跨越。

33、（3）本发明将突破压力、突破时间与吸附量、形变量建立经验方程，为预测气体突破行为提供了理论基础。

34、下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。